Почему частота часового кварца 32768. Прецизионные часы реального времени Maxim. Особенности выбора и эксплуатации часовых кварцев

Иногда полезно иметь в системе часы отсчитывающие время в секундах, да еще с высокой точностью. Часто для этих целей применяют специальные микросехмы RTC (Real Time Clock) вроде . Вот только это дополнительный корпус, да и стоит она порой как сам МК, хотя можно обойтись и без нее. Тем более, что многие МК имеют встроенный блок RTC. В AVR его правда нет, но там есть асинхронный таймер, служащий полуфабрикатом для изготовления часиков.

Первым делом нам нужен часовой кварц на 32768Герц.

Почему кварц именно 32768Гц и почему его зовут часовым? Да все очень просто — 32768 является степенью двойки. Два в пятнадцатой степени. Поэтому пятнадцати разрядный счетчик, тикающий с частотой 32768 Гц, будет переполняться раз в секунду. Это дает возможность строить часы на обычной логической рассыпухе без каких либо заморочек. А в микроконтроллере AVR организовать часы с секундами можно почти без использования мозга, на рефлексах периферии.

Асинхронный режим таймера
Помните как работают таймеры? Тактовая частота с основного тактового генератора (RC внешняя или внутренняя, внешний кварц или внешний генератор) поступает на предделители, а с выхода предделителей уже щелкает значениями регистра TCNT. Либо сигнал на вход идет с счетного входа Тn и также щелкает регистром TCNT

Для этого на выводы TOSC2 и TOSC1 вешается кварцевый резонатор. Низкочастотный, обычно это часовой кварц на 32768Гц. На он смонтирован справа от контроллера и подключается перемычками. Причем тактовая частота процессора должна быть выше как минимум в четыре раза. У нас тактовая от внутреннего генератора 8Мгц, так что нас это условие вообще не парит:)

И не нужно высчитывать количество тактов основного кварца, а если его нет, то заморачиваться на плавающую частоту встроенного RC генератора. Часовой кварц имеет куда более компактные размеры чем обычный кварц, да и стоит дешевле.

Также немаловажным является тот факт, что асинхронный таймер может тикать сам по себе, от часового кварца, ведь тактовая частота процессора ему не нужна, а это значит тактирование ядра контроллера (самое жручее, что у него есть) можно отключить, загнав процессор в спячку, существенно снизив потребление энергии и просыпаясь только по переполнению таймера (1-2 раза в секунду), чтобы записать новые показания времени.

Конфигурирование
Для включения надо всего лишь установить бит AS2 регистра ASSR — и все, таймер работает в асинхронном режиме. Но есть тут одна фича которая мне стоила много головняков в свое время. Дело в том, что при работе от своего кварца все внутренние регистры таймера начинают синхронизироваться по своему же кварцу. А он медленный и основная программа может менять уже введенное значение гораздо быстрей чем оно обработается таймером.

Т.е., например, предустановил ты значение TCNT2, таймер на своей 32кгц молотилке его еще даже прожевать не успел, а твой алгоритм уже пробежал и снова туда что то записал — в результате в TCNT2 наверняка попадет мусор. Чтобы этого не случилось запись буфферизируется. Т.е. это ты думаешь, что записал данные в TCNT2, но на самом деле они попадают во временный регистр и в счетный попадут только через три такта медленного генератора.

Также буфферизируется регистры сравнения OCR2 и регистр конфигурации TCCR2

Как узнать данные уже внеслись в таймер или висят в промежуточных ячейках? Да очень просто — по флагам в регистре ASSR. Это биты TCN2UB, OCR2UB и TCR2UB — каждый отвечает за свой регистр. Когда мы, например, записываем значение в TCNT2 то TCNUB становится 1, а как только наше число из промежуточного регистра таки перешло в реальный счетный регистр TCNT2 и начало уже тикать, то этот флаг автоматом сбрасывается.

Таким образом, в асинхронном режиме, при записи в регистры TCNT2, OCR2 и TCCR2 сначала нужно проверять флаги TCN2UB, OCR2UB и TCR2UB и запись проводить только если они равны нулю. Иначе результат может быть непредсказуемым.

Да, еще один важный момент — при переключениях между синхронным и асинхронным режимом значение в счетном регистре TCNT может побиться. Так что для надежности переключаемся так:

• Запрещаем прерывания от этого таймера
• Переключаемся в нужный режим (синхронный или асинхронный)
• Заново настраиваем таймер как нам нужно. Т.е. выставляем предустановку TCNT2 если надо, заново настраиваем TCCR2
• Если переключаемся в асинхронный режим, то ждем пока все флаги TCN2UB, OCR2UB и TCR2UB будут сброшены. Т.е. настройки применились и готовы к работе.
• Сбрасываем флаги прерываний таймера/счетчика. Т.к. при всех этих пертурбациях они могут случайно установиться
• Разрешаем прерывания от этого таймера

Несоблюдение этой последовательности ведет к непредсказуемым и трудно обнаруживаемым глюкам.

Спящие режимы и асинхронный таймер
Т.к. асинхронный таймер часто используется в разных сберегающих режимах, то тут возникает одна особенность, раскладывающая целое поле из граблей.

Суть в том, что таймер, работающий от медленного кварца, не успевает за главным процессором, а в том дофига зависимостей от периферии — те же прерывания, например. И когда проц спит, то эти зависимости не могут реализоваться, в результате возникают глюки вроде неработающих прерываний или поврежденных значений в регистрах. Так что логика работы с асинхронным таймером и спящим режимом должна быть построена таким образом, чтобы между пробуждением и сваливаеним в спячку асинхронный таймер успел отработать несколько своих тактов и выполнил все свои дела.

Примеры:
Контроллер использует режим энергосбережения и отключения ядра, а пробуждается по прерываниям от асинхронного таймера. Тут надо учитывать тот факт, что если мы будем изменять значения регистров TCNT2, OCR2 и TCCR2, то уход в спячку нужно делат ТОЛЬКО после того, как флаги TCN2UB, OCR2UB и TCR2UB упадут. Иначе получится такая лажа — асинхронный таймер еще не успел забрать данные из промежуточных регистров (он же медленный, в сотни раз медленней ядра), а ядро уже отрубилось. И ладно бы конфигурация новая не применилась, это ерунда.

Хуже то, что на время модификаций регистров TCNT или OCR блокируется работа блока сравнения, а значит если ядро уснет раньше, то блок сравнения так и не запустится — некому его включить будет. И у нас пропадет прерывание по сравнению. Что черевато тем, что событие мы прошляпим и будем их терять до следующего пробуждения из спячки.
А если контроллер будится прерыванием по сравнению? То он уснет окончательно. Опаньки!
Вот и лови такой глюк потом.

Так что перед уходом в режимы энергосбережения надо обязательно дать асинхронному таймеру прожевать введенные значения (если они были введены) и дождаться обнуления флагов.

Еще один прикол с асинхронным режимом и энергосбережением заключается в том, что подсистема прерываний при выходе из спячки стартует за 1 такт медленного генератора. Так что даже если мы ничего не меняли, то обратно в спячку сваливаться нельзя — не проснемся, т.к. прерывания не успеют запуститься.

Так что выход из спячки и засыпание по прерыванию асинхронного таймера должно быть в таком виде:

• Проснулись
• Что то сделали нужное
• Заснули

И длительность операции между Проснулись и Заснули НЕ ДОЛЖНА БЫТЬ МЕНЬШЕ чем один тик асинхронного таймера. Иначе анабиоз будет вечным. Можешь delay поставить, а можешь сделать как даташит советует:

• Проснулись
• Что то сделали нужное
• Ради прикола записали что то в любой из буфферизиуемых регистров. Например, в TCNT было 1, а мы еще раз 1 записали. Ничего не изменилось, но произошла запись, поднялся флаг TCN2UB который продержится гарантированно три такта медленного генератора.
• Подождали пока флаг упадет
• Уснули.

Также не рекомендуется при выходе из спячки сразу же читать значения TCNT — можно считать лажу. Лучше подождать один тик асинхронного таймера. Или сделать прикол с записью в регистр и ожиданием пока флаг спадет, как было написано выше.

Ну и последний, но важный, момент — после подачи питания, или выхода из глубокой спячки, с отключением не только ядра, а вообще всей периферии, пользоваться медленным генератором настоятельно рекомендуется не раньше чем через 1 секунду (не миллисекунду, а целая секунда!). Иначе генератор может еще быть нестабильным и в регистрах будет еще каша и мусор.

И, в завершение статьи, небольшой примерчик. Запуск асинхронного таймера на Atmega16 (Как полигон используется плата )

Проект типовой, на базе диспетчера, одно лишь отличие — диспечтер переброшен на таймер0, чтобы освободить таймер2.

int main(void) { InitAll(); // Инициализируем периферию InitRTOS(); // Инициализируем ядро RunRTOS(); // Старт ядра. UDR = "R"; // Маркер старта, для отладки SetTimerTask(InitASS_Timer,1000); // Так как таймер в асинхронном режиме // запускается медленно, то делаем // Выдержку для запуска инициализации таймера. while(1) // Главный цикл диспетчера { wdt_reset(); // Сброс собачьего таймера TaskManager(); // Вызов диспетчера } return 0; }

Сама процедура инициализации таймера в асинхронном режиме сделана в виде конечного автомата. При первом запуске она взводит бит асинхронного режима и делает приготовления, после запускает сама себя снова же, через диспетчер, чтобы дать возможность еще чему либо проскочить в очереди, не блокируюя систему на ожидание.

При последующих входах проверяются флаговые биты готовности регистров таймера. Если они все по нулям, то мы на всякий случай зануляем флаги прерывания таймера, чтобы не было глюков и ложных срабатываний, а потом разрешаем нужное нам прерывание. И выходим.

void InitASS_Timer(void) { if(ASSR & (1<

ISR(TIMER2_OVF_vect) // Прерырвание по переполнению таймера 2 { UDR = i; i++; }

Можно было сделать переменные содержащие часы:минуты:секунды и щелкать этими переменными со всей их логикой переполнения часов/минут, но мне было лень. И так все понятно.

В этом маленьком эссе с фотографиями, я покажу широкой общественности, как лечить довольно часто встречающуюся «болячку» цифровых электронных часов - неточный ход. Часы могут отставать или спешить и чаще всего на небольшие погрешности хода мы не обращаем внимания, но когда часы отстают на 5 (пять) минут в сутки, это начинает раздражать.
Готовы? Поехали!

Интро

Эти часы я купил для того, чтобы поностальгировать по старым советским временам, когда и солнце было зеленее и трава ярче… или наоборот?.. неважно! Главное, что радости не получилось - часы гнусно отставали. Более, чем на 5 минут в сутки. Надо лечить, подумал я.



Забегая вперёд, отмечу, что диспут я не открывал, сто рублей это не те деньги. Проблема не в продавце, который отправил некачественный товар. Проблема в товаре, который продавец проверить никак не может - не будет же китаец/китаянка сидеть и засекать точность хода?

Для лечения часов нам понадобится :

Обязательно
+ паяльник. желательно не сильно мощный, 25-40 ватт вполне достаточно. 60 уже будет многовато.
+ кварцевый резонатор на замену. продаётся или в китае или в любом радиомагазине. стоит недорого, называется «часовой кварц».
+ тонкая крестовая (phillips) отвёртка или тонкая плоская отвёртка. крестовая предпочтительнее.

Желательно
+ пинцет с острыми губками - забирать шурупчики (дада, корпус пластиковый, рама тоже пластиковая. везде шурупы)
+ хорошее освещение и стационарное увеличительное стекло или очки ювелира/часовщика, чтобы хорошо видеть Красную Шапочку часы.

Разбираем часы

Раскручиваем четыре шурупа, держащих заднюю крышку. Аккуратно снимаем крышку, снимаем пьезоэлектрический резонатор (пищалку). Пальцами пищалку не лапаем, держим за боковые грани и за металлическую основу.


Отмечаем, что защитной прокладки в часах нет, следовательно внутрь часов будет попадать вода и пот. Понимаем, что китайцы ради дешевизны экономят вообще на всём, значит и стекло скорее всего сидит на двухстороннем скотче и кнопки без резиновых сальников. Значит, часы надо будет снимать в непогоду и во время физической работы.

Вынимаем часы из корпуса.


Корпус, заднюю крышку, шурупчики задней крышки и пищалку убираем в сторону.

Выкручиваем четыре шурупа - три держат литиевую батарейку 2016, один держит лапку-пружину для подачи сигнала на пищалку.


Убираем это всё в сторону. Рассматриваем плату. Больше шурупчиков не видно, значит это хорошо.

Аккуратно пинцетом снимаем плату с пластиковой обоймы.


Внутри обоймы мы видим токопроводящую резинку, которая передаёт сигнал на ЖКИ и собственно сам ЖК индикатор.
Резинку пальцами не трогаем, ибо нефиг. Попадёт соринка или грязь, отвалится какой-нибудь сегмент на индикаторе и опять разбирать… нафиг надо…
В синей термоусадке - катушка, которая даёт звук. Трогать её тоже не надо. повредить проще простого, проводки там тоньше волоса.
А вот металлический цилиндрик на ножках и есть наш кварцевый резонатор, который надо менять.

Для замены кварца я решил использовать донорский кварц со старой материнской платы, которая сдохла лет десять назад и я её потихоньку растаскиваю на мелкую комплектуху.


Кварц тут несколько большего размера, чем в часах.
Вот для сравнения уже выпаянный кварц из материнки и часовая плата.


Прикладываем кварц к плате. Подходит. укладываем кварц в обойму, тоже подходит! Отлично! Меняем!

Для замены просто выпаиваем один кварц и впаиваем другой.
Полярности нет, никаких особенностей нет. Процедура проста и не требует особой квалификации.


Вуаля! кварц заменён. Выравниваем корпус кварца, чтобы он был чуть ниже платы и не касался батарейки.

Обратная сборка

Собираем механизм в обратной последовательности - плату ставим на обойму, там есть направляющие штырьки. На плату ставим батарейку, минусом вниз.


Надеваем сверху на батарейку контактный блок. В этих часах он одновременно и батарейку держит и является контактной группой для кнопок. Прикручиваем тремя шурупчиками. Потом отдельный контакт на пищалку. Тоже прикручиваем.

Переворачиваем блок и смотрим - часы должны запуститься. Если этого не произошло, значит или перевёрнута батарейка или не впаян кварц или он нерабочий или статикой убило плату:)
Ну а если всё заработало, аккуратно ставим плату в корпус часов, центруем её так, чтобы цифры были параллельно краю, потом устанавливаем пищалку обратно, прикручиваем крышку…

Ну вот и всё!
Мы победили большую проблему)))

За сутки часы не ушли ни вперёд ни назад, идут ровно и точно. Понаблюдаю ещё и потом отпишусь по поводу точности.

Надо сказать, что процедура замены кварца одинакова для всех кварцевых часов - цифровых, стрелочных. Но, надо помнить, что большинство китайских кварцевых часов собраны на пластиковых заклёпках, которые расплавлены «грибочками», т.е. фактически, разобрав часы, собрать их очень проблемно.
Ну и размер кварца также имеет значение - если бы кварц с материнки не подошёл бы по размеру, то пришлось бы искать другой, меньшего размера.

За рамками этой «мурзилки» осталась плёнка, которую китайцы не сняли с ЖКИ, когда ставили его в обойму. Я эту плёнку убрал и контрастность экрана несколько увеличилась. Плёнку почти не видно, но на моих часах она была.

UPD .
За прошедшие четверо суток, с момента замены кварца, часы убежали вперёд на две секунды. 15 секунд в месяц.
Для копеечных часов и бесплатного кварца, считаю результат удовлетворительным. Лично меня он вполне удовлетворяет)))
Можно, конечно, поискать на барахолках кварцевые часы за копейки, надрать оттуда кучу кварцев и экспериментировать с точностью… но это оставим перфекционистам и упоротым фрикам)))

В комментариях приведена рецептура более тонкой подстройки точности, путём впаивания миниатюрных керамических конденсаторов. Как альтернатива замене кварца - вполне жизнеспособно и здраво. Главное, чтобы было место, куда эти конденсаторы разместить. Ну и наличие оных…

И вообще, друзья, главное не обзор, главное комменты)))
Спасибо всем, за ценные идеи и различные дискуссии)))