基于RTC的低功耗精准时钟同步

1.   时钟同步的概念及精度影响因素

时钟同步，也称为时间同步或对钟，是确保多个终端设备与时钟源的时间保持一致的过程。时钟同步的目的是为了消除时钟偏差，从而实现精确计时或者多终端协调操作。
时钟同步的精确性主要受三个方面影响——主设备（时钟源）时钟精度、传输途径和从设备（终端）时钟调整分辨率。时钟源一般选择时钟服务器或者GNSS，对于要求不高的局域组网，主设备甚至可以通过系统时钟自己生成参考时钟。传输途径的影响可大可小，在传输途径相对一致的情况下，它的影响较小甚至可以忽略。本文仅探讨传输途径一致的情况，因此，从设备（终端）时钟调整分辨率是整个同步网络的关键，决定了整个系统同步精度，是设计环节的着力点。

2.   时钟同步的设计原理

为了方便测试，以下使用大普时钟服务器DP4000[1]作为时钟源。RTC使用大普INS5T8900[2]，与MCU一起组成从设备。
MCU从时钟服务器获得TOD信息和1PPS信号，再根据系统同步指令，通过IIC接口对RTC进行设置，最终达到RTC的时间和服务器时间同步的目的。

市场上RTC的时间寄存器分辨率一般精确到秒，但本文将探讨基于RTC，如何进行毫秒甚至微秒级别的时钟同步设置。其主要原理是利用大普的RTC秒上升沿即时生效原理——即秒上升沿会移动到秒设置生效的位置，当MCU捕捉到时钟服务器输出1PPS上升沿时，对RTC进行秒的写操作，即能实现精准时钟同步。工作原理框图见图1。

图1 同步原理框图

3.   时钟同步的具体实现

基于上述原理，理想的设置状况是指令即时生效，但实际使用过程中每个环节都会有误差。要达到更高精度的时钟同步，需要尽可能减少同步误差。

3.1误差确认

减少误差需要先分析和确认误差。如图2所示，图中T1是MCU软件操作时延和IIC指令时延，主要和单片机以及IIC速率有关系。硬件和软件系统确定后，T1即为固定值。T2是IIC操作生效到秒上升沿变化时间差，是RTC同步误差，主要由RTC内部逻辑电路确定，也是固定值。T3为T1和T2之和，即总误差。