【新提醒】【原创求精】破解单片机伪命题之（1）——精确定时

发表于 2010-6-6 19:47:44  

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常见的错误观点：

1.我需要用单片机实现精确定时
2.通过各种技巧来修正或避免定时器中断误差的产生
3.用定时器可以获得比软件定时更高的定时精度

破题：

1.指标不明

    世界上没有绝对的精确，只有具体的需求。80年代，一块每天误差30秒的机械手表叫“精确”，90年代，一块每年误差10分钟的石英手表叫“精确”，现在的CDMA系统离开了GPS系统授时就会崩溃——没有定义的精确是没有意义的。要求精确的人自己都说不清楚需要精确到什么程度，所以这个讨论本身就是没有意义的。

解决方案：分析自己的具体系统需要多高的定时精度，给出指标。典型的现代RTC系统误差是10分钟/年。其实很少有应用需要高精度的时钟。

2.方向错误

[a]单片机的所有时间基准来源于主时钟，典型地，主时钟有片内RC振荡器和片外石英晶体。

RC振荡器的典型精度为5%，不可能精确。

石英晶体的输出频率与温度和负载电容（晶体旁边接到地的那两个电容）有很大关系，石英晶体的误差包括初始误差、温度漂移和年老化3种，初始误差是在规定的激励功率下，石英晶体配合厂家规定的负载电容（常见值为16pF）和室温下测定，市面普通晶体的初始误差约为20ppm；负载电容包括晶体的封装寄生电容、电路板上焊接的两个电容，电路板的寄生电容、单片机输入引脚的寄生电容组成，当这些电容的和与厂家的测定条件不同时，晶体的输出频率还将发生偏移（pull），漂移值约为十几到二十几ppm每pF；当温度偏移时，晶体的输出频率也将发生类似sin曲线的漂移，该漂移可达数十ppm；晶体每年另存在约5ppm的老化漂移，漂移方向不定。

【图片为晶体的温漂曲线】

综上：很多人在使用晶体时根本没有注意这些影响频率的因数，综合一般人的使用习惯，晶体的实际误差约在100-200ppm左右。

解决方案：不了解晶体精度的人，没有权利谈“精确定时”，对于确实需要足够精度晶体频率的应用，应与晶体供应厂家仔细核对设计指标，使用温补晶体，对负载电容使用NPO的第一类电介质电容完成，对晶体部分加屏蔽，严格电路板设计等方式保证足够的时钟源精度。

单片机基于程序运行，当其为多个中断源服务时，特别是当存在这非周期中断时（例如按键），中断服务时间就有可能延迟定时器中断的相应。然而这几乎是一个权衡，如果一个单片机只为定时服务，其会退化为一个ASIC而失去灵活性，这种情况下最佳的解决方案是使用功耗更低、功能更单一和更便宜的RTC芯片。

另一方面，任何振荡频率不能被2整除的晶体，用于秒定时时都会存在误差，若非其他应用条件的限制，应优先考虑使用32768的RTC晶体，软件修正属万不得已的方法，会导致软件复杂度增加。

解决方案：尽量使用32768的晶体作为“秒”相关应用的时钟源，使用该晶体直接驱动定时器，并且使用定时器的溢出自装载功能以减轻软件负担，减少其他中断影响所带来的定时偏差。

3.思路问题

上已述及，单片机的所有行为都是基于主时钟的，除非是带有预取指流水线的系统（例如NXP ARM中的MAM），程序的运行时间都是确定的，并且与定时器处于同一精度级别。由于中断需要现场保护和恢复，其时间对初学者较为复杂；当禁止中断时，软件演示反而更容易得到“高确定度”的延时。

解决方案：尽量减少中断源，让定时器处于高中断优先级，对于简单的局部短延时，使用软件延时完成，对有流水线加速的单片机，尽量使用定时器。

4.结论

综上所述，所有的争论来源于没有给出具体的指标和应用要求，需要多精确的时钟？有哪些资源可用？有哪些设计的限制条件需要考虑？在这些问题没有指明的情况下，讨论任何方案都是没有意义的，“精确定时”本身就是一个伪命题。

解决方案：没有通吃天下的方案，只有最适合当前系统的方案，任何方案都是在权衡利弊后作出的选择。