Warum Sie diese optimalen Vorgehensweisen beim Echtzeituhr-Design beachten sollten

Sind Sie jemals zu spät in die Schule gekommen, da Ihr Wecker um 03:15 Uhr in der Frühe stehengeblieben ist? Zu Oberstufenzeiten war der Klang meines Weckers nicht besonders angenehm, der Schrei meiner Mutter war jedoch schlimmer. Ich wusste, dass mein Wecker nicht mehr ging, weil die Batterie leer war. Hätte ich allerdings besser aufgepasst, so hätte ich bemerkt, dass meine Uhr langsamer lief, da die Batterieleistung nachließ. Dann hätte ich sie rechtzeitig wechseln können und wäre nicht vom lauten Rufen meiner Mutter geweckt worden. Jetzt, wo ich erwachsen bin, konzentriere ich mich mehr auf das Echtzeituhr-Design (RTC) anstatt auf die Wecker wie zu Schulzeiten. Echtzeituhren sind meist integrierte Schaltungen, die die aktuelle Zeit anhand eines festgelegten Standards ermitteln. Echtzeituhren sind allgemein so entwickelt, dass sie weiterlaufen, nachdem das Hauptsystem abgeschaltet wurde und dabei sehr wenig Energie verbrauchen. Wenn die Echtzeituhr in Ihrem System ausfällt, sind die Konsequenzen gravierender als eine Zurechtweisung Ihrer Mutter. Schauen wir uns an, warum sie wichtig sind und welche optimalen Vorgehensweisen Sie vor dem Gefängnis bewahren.

Warum Echtzeituhren für eingebettete Systeme wichtig sind

^{Ihr Personalleiter wird es hassen, wenn die Zeit durcheinander geraten ist.}

In beinahe jedem datengestützten und zeitkritischen eingebetteten System befindet sich eine Echtzeituhr. Ihre Funktionsweise beruht auf der Genauigkeit von Datum und Zeit, um spezifische Aktionen durchführen zu können. Bei einem Türsicherheitssystem können beispielsweise unterschiedliche Zugangsmöglichkeiten aktiviert werden, die auf der konfigurierten Zeit basieren. Ein Fehler in der Echtzeituhr kann dazu führen, dass sich Türen nicht öffnen lassen, wenn sie in der entsprechenden Zeitzone betätigt werden.

Sehr wichtig sind Echtzeituhren darüber hinaus in eingebetteten Systemen, die Ereignisse und Alarme für eine zuverlässige Protokollierung aufzeichnen. Beispiele sind Anwesenheits-Verwaltungssystem, mit dem in Personalabteilungen die Arbeitszeiten der Mitarbeiter erfasst werden, oder eine Brandmeldeanlage, die Alarmereignisse protokollieren muss.

Das Versagen bei der Umsetzung guter Vorgehensweisen im RTC-Design kann teuer werden. Insbesondere wenn die Controller bereits vor Ort eingesetzt werden. Bei einer meiner früheren Tätigkeiten gab es ein Problem mit der Echtzeituhr in einer Reihe von Bezahlautomaten für ein Parksystem. Die Zeit lief etwas langsamer als die tatsächliche Zeit. Dies führte zu verärgerten Kunden, die dadurch falsche Parkgebühren gezahlt hatten.

Häufige Fehler im Echtzeituhr-Design, die Sie vermeiden sollten

Das Entwerfen einer Schaltung für eine Echtzeituhr mag einfach aussehen, da es in der Regel nur fünf Bauteile erfordert. Sie benötigen einen speziellen RTC-Chip oder eine RTC-Funktion, die in einen Mikrocontroller integriert ist, einen Quarz, ein paar Kondensatoren und eine Knopfzelle. Ich habe es mir zur Gewohnheit gemacht, immer die folgenden Design-Richtlinien zu beachten:

1. Der Quarz muss sich so nah wie möglich an der Echtzeituhr befinden. Halten Sie die Leiterbahn so kurz wie möglich. Dadurch wird die Möglichkeit der Einkopplung von Rauschen reduziert.

2. Verlegen Sie keine weitere Leiterbahn zwischen Echtzeituhr und Quarz bzw. unterhalb der Leiterbahn, die zwischen Echtzeituhr und Quarz verläuft. Dadurch wird das Einkoppeln unerwünschter Störungen in das Signal verhindert.

3. Führen Sie keine Hochgeschwindigkeitssignale in der Nähe der Echtzeituhr-Schaltung entlang. Es wird empfohlen, einen Abstand von 200 mil einzuhalten.

4. Ordnen Sie unter der RTC-Schaltung und in ihrer Umgebung eine Massefläche an und isolieren Sie diese durch einen Abstand von mindestens 40 mil von den anderen Masseflächen.

5. Stellen Sie sicher, dass Sie Quarz-Lastkondensatoren mit den richtigen, im Datenblatt des Quarzes angegebenen Werten verwenden.

Warum einige Fehler im Echtzeituhr-Design während des Laborprüfverfahrens nicht entdeckt werden

Fehler im Echtzeituhr-Design können zum Beispiel wie folgt äußern: Die Uhr läuft etwas langsamer oder etwas schneller und weicht somit von der tatsächlichen Zeit ab. In einigen Fällen liegen die Anzeichen für Fehler sehr offensichtlich in der Entwurfsphase und können im Prototyp sofort behoben werden. Manchmal jedoch werden diese Probleme in der Laborprüfung nicht erkannt, sondern tauchen erst im realen Einsatz auf.

So war es bei den Bezahlautomaten, die bei uns im Labor stets gut funktionierten. Als wir jedoch durch die Schreie einiger verärgerter Kunden aufgeweckt wurden, haben wir die Geräte auf Fehler überprüft. In unserem Labor haben wir eine nahezu optimale elektrische Umgebung, während es an den realen Einsatzorten meist Netzleitungen mit starken Störemissionen gibt. Dabei kann es sich um elektrische Störgrößen handeln, die von anderen Geräten oder durch unsachgemäße Erdung des Gebäudes selbst eingekoppelt werden. Nachdem unsere Controller eingesetzt wurden, wurden die Störungen durch ein minderwertiges Netzteil und durch eine Versorgungs-Leiterbahn auf dem PCB, die zwischen den Leiterbahnen verläuft, die den Quarz mit der Echtzeituhr verbinden, in das Taktsignal der Echtzeituhr geleitet. Dieses Signal ist in der Regel eine Rechteckwelle mit einer Frequenz von 32,768 kHz. Eine Störbeeinflussung dieses Signals wird die Genauigkeit der Echtzeituhr beeinträchtigt, wie wir es bei uns festgestellt haben.

^{Sie möchten sicherlich nicht Hunderte von PCBs manuell nachbearbeiten lassen.}

Was können Sie beim Auftreten von Echtzeituhr-Problemen im Nachhinein tun?

Leider gibt es keine eleganten, schnellen Lösungen, wenn etwas in Ihrem Echtzeituhr-Design durcheinandergeraten ist und die Produkte bereits eingesetzt werden. In einigen Fällen können Sie ein kleines Echtzeituhr-Modul entwerfen und den Controller manuell mit dem neuen Modul verdrahten.

In Situationen, in denen Ihre Geräte in genau passende Gehäuse eingebaut sind oder es sich um serienmäßig hergestellte Konsumgüter handelt, sind derartige Nacharbeiten nicht möglich. In diesem Fall müssen Sie eine neue Charge an Austauscheinheiten mit einer funktionierenden Echtzeituhr produzieren.

In beiden Situationen kostet es Ihr Unternehmen Zeit, Geld und den Ruf. Bei der Entwicklung einer Echtzeituhr-Schaltung ist es besser, vorzubeugen, als später zu klagen. Eine Sache, mit der Sie langfristig Geld sparen können, ist eine gute PCB-Design-Software, wie Altium CircuitStudio. Sie können auch gern in diesem Blog über unsere weiteren optimalen Vorgehensweisen für das PCB-Design lesen, um nach dem Deployment auftretende Probleme zu vermeiden.

Haben Sie noch mehr Fragen zum Echtzeituhr-Design? Dann kontaktieren Sie einen Experten bei Altium.