Ceas de Timp Real cu Sincronizare GPS

Memoriu justificativ

Un ceas are utilitate atât timp cât functioneaza corect. Cineva spunea ca un ceas care sta are marele avantaj de a arata de doua ori pe zi ora exacta

Daca pentru un ceas electromecanic acest lucru este adevarat, pentru un ceas electronic fraza anterioara este falsa. De ce sa construim atât de dificil ( microcontroler, programator, compilator, cablaj, teste, etc ) un simplu ceas când putem sa-l cumparam sub 1$ si va arata mult mai bine decât cel construit de noi? Pentru ca mecanismul de generare al orologiului de timp real ( Real Time Clock ) utilizând doar microcontrolerul, fara circuite integrate specializate care sa dialogheze cu el, este necesar în multe alte aplicatii ( termostate inteligente, automatizari orare/saptamânale/lunare, aparatura medicala, dataloggere ). Un bun exemplu este ansamblul ceas-termometru existent în principalele piete din marile orase care nu indica niciodata ora, data, umiditatea sau temperatura reala.

CAPITOLUL I

Ceas de timp real cu sincronizare GPS

Un ceas de timp real (RTC) furnizeaza timpul curent (ora curenta), cel mai adesea prin afisare directa, fie în format digital (afisoare cu LED-uri sau cristale lichide), fie în format analogic – prin intermediul unui cadran de tip orologiu marcat corespunzator. Pentru sistemele cu microcontrolere industriale implementarea functiei unui ceas de timp real se poate face în mai multe feluri: daca este utilizat un cristal de cuart de înalta frecventa (peste 1MHz), se contorizeaza aparitia unei întreruperi de timer (de regula de valoare redusa – milisecunde sau zeci de milisecunde), pâna la obtinerea unitatii de timp dorite (0,1s, 1s sau 1min.), moment în care se reactualizeaza timpul curent si se afiseaza; metoda este cea mai simpla si cea mai economica (utilizeaza cristalul de cuart al aplicatiei respective (presupunând ca se realizeaza si alte functii în afara celei de ceas), dar în acelasi timp cea mai imprecisa, din cauza ca aceste cristale nu au un factor de calitate foarte ridicat - vis a vis de aplicatiile de timp – (a se vedea tabelul 4.1 pentru detalii);

Tabelul 4.1. Caracteristici ale cristalelor de cuart cu frecventa mai mare de 1MHz

Caracteristica Cristal de Cuart (f>1MHz)

Variatia de frecventa/ an (îmbatrânirea) ± 10 ppm

Precizie ± 20 ppm

Stabilitatea cu temperatura ± 0,5 ppm/ 0C

Variatia cu încarcarea capacitiva ± 15 ppm/ pF

Timpul de pornire al oscilatorului 1 - 10 ms

Factorul de calitate 103 - 5x105

Ca exemplu concret, daca se considera un cristal de cuart cu frecventa de rezonanta de 4MHz si cazul cel mai defavorabil în care toate erorile se aduna (sa presupunem ca obtinem + sau - 100ppm), rezulta o imprecizie de ±34,56 s la fiecare 24 ore; practic însa erorile din tabelul 4.1 se compenseaza partial si nu se obtin imprecizii de peste 10s.Pentru cresterea preciziei, prin incercari, se poate alege o valoarea optima a condensatoarelor de încarcare capacitiva a cristalului, în gama 10 – 50pF. In cazul unui cristal de cuart de joasa frecventa – cu valoarea standard de 32,768kHz – dedicat aplicatiilor de timp, este utilizat la nivel hardware un timer special, “de secunda” care va genera – asa cum îi spune si numele - o întrerupere la fiecare secunda, în procedura careia va fi actualizat si afisat timpul curent; acest tip de cristal are un factor de calitate foarte mare, fapt care îl face putin sensibil la variatia încarcarii capacitive (la multe microcontrolere aceste capacitati sunt realizate intern, nefiind nevoie de condensatoare externe). Cristalul se conecteaza la doi pini dedicati, diferiti de cei la care se conecteaza cristalul de înalta frecventa. Timer-ul de secunda poate functiona separat de sistemul de ceas de înalta frecventa (seria de µC AVR) sau poate genera semnalul de ceas de înalta frecventa prin intermediul unei bucle PLL (seria de µC C51), legatura cu programul rulat facându-se prin sistemul de întreruperi; nu toate microcontrolerele detin un astfel de timer, deci cristalul de joasa frecventa nu poate fi corelat cu orice tip de microcontroler. Precizia unui ceas de timp real care are în baza de timp un astfel de cristal este mult mai buna, din punct de vedere practic obtinându-se precizii mai bune de ±2s la 24 ore.

Metodele prezentate au dezavantajul ca functia de ceas este realizata prin software-ul rulat de microcontroler. De ce dezavantaj ? Din urmatoarele considerente: functia de ceas de timp real trebuie tratata întotdeauna prioritar, indiferent de ce procedura se executa la momentul respectiv, si nu pot fi gestionate eficient functiile de lucru cu putere redusa ale microcontrolerului (Idle, Power Down, etc.) în cazurile în care consumul este critic, deoarece la fiecare secunda microcontrolerul este “trezit” pentru reactualizarea orei.