Perché seguire queste procedure consigliate in un progetto RTC (real time clock)

Avete mai fatto tardi a scuola perché la sveglia si è bloccata alle 3.15 del mattino? Quando facevo le scuole superiori il suono della mia sveglia non era molto piacevole, ma quello di mia madre che mi urlava dietro era senz’altro peggio. Sapevo che il mio orologio si era fermato perché la batteria si era esaurita. Se avessi prestato maggiore attenzione avrei notato che il mio orologio andava più lentamente mentre la batteria si scaricava e avrei potuto cambiarla in tempo evitando gli strilli acuti di mia madre. Ora che sono cresciuto sono più concentrato sul design Real Time Clock (RTC), anziché sull’allarme per recarmi a scuola. Gli RTC sono normalmente dei circuiti integrati (IC) che tengono traccia del tempo attuale sulla base di un insieme di norme. Gli RTC sono generalmente progettati per continuare a funzionare dopo che il sistema principale è stato spento e consumano pochissima energia. Se il RTC di sistema fallisce le conseguenze sono più gravi rispetto ai rimproveri severi di una madre. Vediamo perché sono importanti e quali sono le procedure consigliate da seguire per non incorrere in problemi.

Perché gli RTC sono importanti nei sistemi integrati

^{Il Dipartimento Risorse Umane non è contento se le timbrature non sono corrette}

Quasi tutti i sistemi integrati basati sui dati e sensibili al tempo includono un RTC. Si affidano alla precisione di date e tempo per eseguire azioni specifiche. Per esempio un sistema di sicurezza di una porta può attivare diverse priorità d’accesso basate sul tempo configurato. Un errore nel RTC può provocare una porta che rifiuta di aprirsi nonostante sia stata attivata nel momento giusto. Oltre a ciò un RTC è fondamentale nei sistemi integrati che registrano eventi ed allarmi progettati per fornire un controllo affidabile. Ad esempio nei sistemi di rilevazione delle presenze utilizzati dai dipartimenti HR (Risorse Umane) per controllare gli orari di lavoro degli impiegati o nei sistemi antincendio che devono monitorare gli eventi di allarme.

Omettere l’applicazione delle best practice nei progetti RTC può essere costoso, specialmente se i controller sono distribuiti. In uno dei miei lavori precedenti una partita di controllori autonomi per il pagamento per un sistema di parcheggio aveva sviluppato un problema con gli RTC. Essi andavano, gradualmente, più lentamente del tempo reale. Questo aveva provocato clienti arrabbiati che avevano ricevuto un prezzo errato per il parcheggio.  

Errori comuni nella progettazione di RTC da evitare

Disegnare un RTC può sembrare un compito semplice visto che normalmente implica 5 componenti. Di solito è presente un chip dedicato al RTC o un RTC integrato su un microcontrollore, un cristallo, una coppia di condensatori ed una batteria a bottone. Nella mia best practice ho sempre cercato di rispettare queste linee guida di progetto:

1. Mantenete il cristallo il più vicino possibile all’ RTC e la traccia la più corta possibile per ridurre la possibilità di disturbi elettrici di accoppiamento.

2. Non instradate ogni altra traccia tra, o sotto, la traccia tra RTC ed il cristallo. Ciò impedisce ad interferenze indesiderate di accoppiarsi al segnale di temporizzazione.

3. Non instradate nessun segnale ad alta velocità  nelle vicinanze della circuiteria RTC. È consigliato mantenere una distanza di 200 mil fra di loro.

4. Posizionate un piano di massa al di sotto e intorno alla circuiteria RTC e mantenetela isolata da altri piani di massa per almeno 40 mil.

5. Assicuratevi di utilizzare il valore corretto per la capacità dei condensatori di cristallo come specificato nella scheda tecnica per il cristallo. 

Perché alcuni errori di design RTC sfuggono ai test di laboratorio

Commettere degli errori nel progetto RTC può provocare conseguenze come il tempo che scorre più lentamente o più velocemente rispetto al tempo reale. In alcuni casi i sintomi sono evidenti nella fase di progettazione e possono essere risolti immediatamente nel prototipo. Ma a volte questi problemi sfuggono ai test di laboratorio e si manifestano soltanto in fase di applicazione.

Questo è esattamente quello che è accaduto nel caso dei controllori di pagamento: funzionavano bene nel nostro laboratorio. Tuttavia, dopo le urla dei clienti innervositi, decidemmo di effettuare una ricerca sul perché dei guasti ai dispositivi. Nel nostro laboratorio abbiamo un ambiente elettrico quasi ideale, mentre nelle sedi di installazione è comune avere una rete di alimentazione con disturbi elettrici. Essi possono essere accoppiamenti provenienti da altri dispositivi o una messa a terra realizzata male sulla stessa costruzione. Una volta piazzati i nostri regolatori verificammo che i disturbi erano incanalati attraverso un’alimentazione di grado inferiore, attraverso una traccia di voltaggio sul PCB posta fra le tracce che connettono il cristallo al RTC e nel segnale di temporizzazione dell’RTC. Questo segnale è normalmente un’onda quadra che oscilla a 32.768 kHZ e un disturbo ad esso altera la precisione dell’RTC, che è esattamente quello che rilevammo.