AVR微控制器的多CPU共享高精度實時時鐘系統

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(國電南京自動化股份有限公司，南京 210003)

AVR微控制器的多CPU共享高精度實時時鐘系統

付國新，江曉亮

(國電南京自動化股份有限公司，南京 210003)

基于AVR微控制器設計了一種高精度、穩定準確的實時時鐘系統，多CPU通過高速SPI總線共享時鐘信息，給出了硬件系統的設計方法和軟件系統的設計流程，該設計已經在電力系統故障錄波裝置中成功應用，具有一定的推廣價值。

AVR微控制器；SPI總線；TWI總線；IRIGB碼

引 言

在電力系統中，幾乎所有自動化裝置都需要有一個高精度、高分辨率的實時時鐘，尤其是電力系統故障錄波裝置，時戳的分辨率至少為30.517 5 μs，而且能接收GPS裝置的對時。一般時鐘芯片的分辨率最多到0.1 s。如果需要分辨到μs級，就需要CPU維護一個μs級的定時器，這樣既消耗CPU資源，又對多任務系統下的操作系統造成負擔。隨著對電力系統故障錄波裝置采集數據時戳的精度和分辨率要求越來越高，對時鐘系統的設計要求也越來越高。本文設計的基于AVR微控制器多CPU共享高精度時鐘系統針對以上技術的發展和需求，提出在嵌入式裝置下，高精度、高分辨率實時時鐘模塊化設計思想，把系統的時鐘放在一個廉價的高速微控制器上實現，由它來維護一個分辨率為30.517 5 μs的實時時鐘，同時把與GPS所有的對時方式集中設計到該模塊中，為其他CPU提供一個標準的SPI接口，由SPI給各個CPU提供統一的時鐘，同時提供一個I2C接口，主CPU可修改模塊上的時鐘芯片,從而滿足實際應用中對錄波裝置或其嵌入式裝置高精度、高分辨率的時鐘要求。

1 系統硬件設計

本設計采用ATMEL公司AVR 8位微控制器ATmega16，該控制器具備低功耗、易用性、高集成性、硬件資源豐富和高性價比等特點[1]。本設計系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

ATmega16的T/C的輸入捕捉單元可用來捕獲外部事件，并為其賦予時間標記以說明此事件發生的時刻。IRIGB信號接入主控制器的ICP引腳，就可以測量碼元寬度，解析B碼信息。本設計選用DS3232作為系統基礎時間，該芯片有32 kHz的溫補晶振，能提供穩定精確的參考時鐘，時鐘精度為±3.5 ppm，內置測溫模塊。兩線串行接口TWI 總線[2]和工作于主機模式的串行接口SPI總線于電力系統故障錄波CPU連接，可同時為2個電力系統故障錄波CPU提供UTC時標，并接收電力系統故障錄波CPU的各種命令。本設計以DS3232的32 kHz的信號為節拍，維護一個分辨率為30.517 5 μs的軟時鐘，該軟時鐘24小時守時誤差不大于200 ms，為錄波CPU提供高精度、高分辨率、高穩定的時標，減少電力系統故障錄波CPU的工作負荷。本設計系統原理圖如圖2所示，主要由電源、時鐘、B碼和CPU四部分組成。

圖2 系統原理圖

圖2 系統原理圖(續)

2 系統軟件設計

本設計軟件主要由三大模塊組成，分別是外中斷服務程序模塊、主循環模塊和ICP中斷服務程序模塊。

2.1 外中斷服務程序模塊

外中斷以DS3232的32 kHz方波信號為中斷請求信號，維護UTC格式的軟時鐘，每次中斷軟時鐘量加30 517 ns，并且將當前時標、B碼中的質量狀態、校驗位、潤秒等信息通過SPI總線發給兩個錄波CPU。外中斷服務程序流程圖如圖3所示。

圖3 外中斷服務程序流程圖

2.2 主程序模塊

主程序模塊完成主控制器硬件資源的初始化，讀取DS3232的時間信息并轉換成UTC格式，在主循環中，每次查詢I2C控制器的狀態[3]，當錄波CPU通過I2C發出各種命令時，主控制器就可獲取，并解析、響應命令，實現設置DS3232、溫度采集、電源電壓采集。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

2.3 ICP中斷服務程序模塊

ICP中斷服務程序模塊完成B碼采集和碼元解析，從B碼中提取出年、月、日、時、分、秒信息和秒的起始位置，并以此修改軟時鐘信息，實現軟時鐘與GPS的同步。ICP中斷服務程序流程圖如圖5所示。

圖5 ICP中斷服務程序流程圖

結 語

[1] 李泓.AVR單片機入門與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

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參考文獻

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謝成(碩士研究生)，主要研究方向為嵌入式系統設計和應用；蔣健(副教授)，主要研究方向為工業控制系統。

High-precisionReal-timeClockSystemSharedByMuti-CPUBasedonAVRMicrocontroller

FuGuoxin,JiangXiaoliang

(Guodian Nanjing Automation Co.,Ltd.,Nanjing 210003,China)

In the paper,a high-precision,accuracy,stable real-time clock system is designed based on AVR microcontroller.Muti-CPU can share time by the high speed SPI.The hardware design and software flow of the clock system are given.This design has been applied in the power system fault recorder and it is feasible and useful.

AVR microcontroller;SPI bus;TWI bus;IRIGB code

TP3

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2017-07-14)

(責任編輯：楊迪娜 收稿日期：2017-06-12)