基于MSP430单片机时钟芯片RTC-4553温度误差软件补偿

1、前言

目前新型的电子式多费率电能表已逐渐取代老式电子电能表。多费率电能表计量不同时间段的用电量，根据不同的电能费率计算出用户使用电能费用。本文基于德州仪器的MSP430F435单片机，结合EPSON公司推出的高精度时钟芯片RTC-4553芯片，对多费率电能表的工作时间进行测量。由于电能表在不同地域及不同季节使用，温差很大，存在一定的温度漂移，造成一定的时间累积误差。因此必须进行适当的误差补偿，本文将基于MSP430单片机采用C 语言编程进行温度补偿方法，提高计时精度。

2、系统介绍

电能表的采用什么MCU有多种方案，不少已经投入实际使用。但是基于MSP430 单片机作为电能表主控模块还没有广泛投产使用。用于系统时间计量的串行时钟芯片很多，如DS1302、DS1307、PCF8485等时钟芯片。

图1是多费率三相电能表的时间计量部分，合理的把TI 的MSP430单片机和EPSON的 RTC-4553集合，发挥各自的优势，避开复杂的外围电路的设计，采用现成的高精度时间计量芯片。

2.1、硬件部分：

MSP430F435

T1公司的MSP430系列单片机是一种具有超低功耗的功能强大的单片机。新开发的F系列具有Flash存储器，在系统设计，开发调试及实际应用上比其他MCU都有比较明显的优势。

1、超低功耗

MSP430F系列运行在1MHZ时钟的条件下时，工作模式不同为0.1~400uA,工作电压为1.8~3.6V。

2、 超强处理能力

8MIPS的CPU内核，16位×16位的硬件乘法器。

3、灵活的配置方法

MSP430 F系列具有丰富的寻址方式，只需要27条指令；片内寄存器数多，可以实现多种运算；有高效的查表处理方法。这一切保证了可以编译出高效的程序。许多中断，可以嵌套，使用方便。

4、片上集成外围功能模块

MSP430 F系列集成了较多的片上外围设备。这些外围设备功能相当强大：12位A/D，精密模拟比较器，硬件乘法器，2组频率可以达到8MHZ的时钟模块，2个带有许多捕获比较的16位定时器，看门狗功能，2个可实现异步和同步及多址访问的串行通信接口，数十个可实现方向的设置及中断功能的并行输入，输出端口，拥有 SPI和UASRT通讯端口。

5、 高效的开发方式。

MSP430FX系列具有FLASH存储器，这一特点使得它的开发工具相当简便。利用单片机自身带有的JTAG接口或片内BOOT ROM内固化的默认的加载程序载入器Bootstrap可以进行串口或并口，通过UART将程序代码装入Flash 存贮器中。

可以在一台PC及一个小JATAG控制器的帮助下实现程序的下载，方便的完成在线程序调试。

RTC-4553

EPSON公司推出的RTC-4553时钟芯片。该芯片采用内置晶振和独特的数据方法，大大提高了时钟精度和可靠性。 RTC-4553配有串行通信接口，另有30×4bit SRAM，有2000～2099的百年日历，采用14脚SOP封装，电池耗电2μA，时钟误差3 min/年且无需调整，是仪器仪表高精度时钟的理想芯片。

RTC-4553内部结构和引脚

串行RTC-4553时钟芯片的内部结构如图2所示。内置32.768khz晶振，它包含I/O控制器、移位寄存器、命令及逻辑控制器，表态RAM、实时时钟、计数器等部分。CS0为片选脚，低电平选中；WR为读写使能口，高为读，低为写；L1～L5为出厂调整精度和测试用，使用中悬空；CS1为芯片掉电检查口，可直接与系统电源连接，芯片测到该口为低时，自动进入低功耗状态；SCK为时钟口，SIN为数据输入口，SOUT为数据输出口。另外，芯片还有1 个时钟信号输出口TPOUT，该口可输出1024Hz或1/10Hz的信号，以供检测芯片的时钟精度所用。其中RTC-4553共有46×4bit寄存器。这些寄存器分3页，第1页共16个，分别为时钟寄存器和控制寄存器，用来存放秒、分、时、日、月、年、星期和3个特殊寄存器；第2页、第3页各有15 个，共30个SRAM寄存器，页面的选择通过操作控制寄存器3的MS1、MS0位来实现。

具体如表一所示：
地址 寄存器名 D3 D2 D1 D0 记数范围 说明
0 S1 s8 s4 s2 s1 0-9 1秒寄存器
1 S10 0 s40 s20 s10 0-5 10秒寄存器
2 MI1 mi8 mi4 mi2 mi1 0-9 1分寄存器
3 M10 0 mi40 mi20 m10 0-5 10分寄存器
4 H1 h8 h4 h2 h1 0-9 1小时 寄存器
5 H10 PM/AM 0 h20 h10 0-2 10小时寄存器
6 W 0 w4 w2 w1 0-6 星期寄存器
7 D1 d8 d4 d2 d1 0-9 1天寄存器
8 D10 0 0 d20 d10 0-3 10天寄存器
9 MO1 mo8 mo4 mo2 mo1 0-9 1月寄存器
A MO10 0 0 0 mo10 0-1 10月寄存器
B Y1 y8 y4 y2 y1 0-9 1年寄存器
C Y10 y80 y40 y20 y10 0-9 10年寄存器
D C1 TPS 30ADJ CNTR 24/12 - 控制寄存器1
E C2 BUSY PONC ------- * - 控制寄存器2
F C3 SYSR TEST MS1 MS0 - 控制寄存器3

RTC-4553时钟芯片各寄存器表一

其中C1寄存器的D0位用于设置显示时间的方式，置1为24 小时方式，置0 为12小时方式显示，C2寄存器的BUSY为0时芯片为正常状态，可读可写，当为1时，芯片的时钟寄存器禁止读写。

上电时PONC=1，所有寄存器被初始化，时钟指向00/01/01/12:00:00，星期日。并且所有其他寄存器清零。

寄存器C3用于设定工作方式和系统复位标志。其中MS1和MS0设置工作方式，00、01

表示选中时间寄存器和C1 、C2、C3寄存器，10和11时表示选中用户RAM和C3寄存器。

对于时间寄存器和功能寄存器有不同的写操作方法。RTC-4553采用特殊的写指令数据写入，对第0页的0D～0FH及第1页、第2页的寄存器的操作采用常规写法，地址后面的数据将原样写入寄存器中，而对时间寄存器写操作指令只能将内部的内容加1，并自动完成转换，不能直接写入数据。芯片这种独特的设计，防止了时钟区数据被意外干扰出现非法数据的可能，这正是该芯片高可靠性的原因所在。图3为时间寄存器写时序。

WR 和CS0为0时，芯片为写状态。SIN的前4位是寄存器地址，随着SCK脚上的时钟变化，内部寄存器的数据将出现在SOUT输出端口上。数据在SCK上升沿输入，在下降沿输出。前4位是所选寄存器的地址，后4位是寄存器的数据，即时间值。一次操作完成后其内部的内容加1，这是该款时钟芯片的特殊操作所在。

在片选择中芯片，WR置高时，芯片处于读出状态，输入需要8个时钟，4个用来输入地址；输出数据也需要8个时钟，包括4个地址位4个数据位。数据在 SCK上升沿输入，在下降沿输出。寄存器的地址由SIN脚输入，页面由MS0、MS1决定。图4为读时序图。