實時時鐘——RTC

8.1.1 RTC初步認識

RTC（Real Time Clock）實時時鐘，主要用于為人們提供精確的實時時間或者為系統(tǒng)提供精確的時間基準(zhǔn)。RTC通常分為兩類，一類是外部時鐘芯片提供實時時鐘，比如DS1302時鐘芯片；另一類是CPU內(nèi)部集成RTC模塊。STM32F103內(nèi)部集成了RTC模塊，可以通過配置相應(yīng)的寄存器來實現(xiàn)實時時鐘的功能。

STM32內(nèi)部有一塊特殊區(qū)域，叫做備份區(qū)域（也叫后備區(qū)域），該區(qū)域主要包含了RTC核心模塊和備份寄存器兩部分。當(dāng)STM32在系統(tǒng)電源工作的狀態(tài)下，備份區(qū)域也是通過系統(tǒng)電源供電；當(dāng)STM32的系統(tǒng)電源VDD掉電的情況下，備份區(qū)域可以自動切換到VBAT使用備用電源如電池、電容等進行工作，維持RTC運行，并且保護備份寄存器數(shù)據(jù)不丟失。STM32電源部分結(jié)構(gòu)圖如圖8-1所示，如果沒有接外部電池，建議將VBAT引腳通過一個100nF的陶瓷電容與電源VDD相連。

圖8-1 STM32供電結(jié)構(gòu)圖

8.1.2 RTC基本結(jié)構(gòu)

RTC模塊主要由APB1接口和一組可編程計數(shù)器組成（RTC核心部件），如圖8-2所示。其中APB1接口部分（圖中藍色框內(nèi)）用來實現(xiàn)CPU通過APB1總線和RTC寄存器相互通信；RTC核心部分（圖中紅色框內(nèi)）由一個RTC預(yù)分頻模塊和一個32位可編程計數(shù)器組成，這部分運行在后備區(qū)域（圖示灰底部分）。

圖8-2 RTC時鐘結(jié)構(gòu)框圖

1、 RTC的時鐘源 —— RTCCLK

RTCCLK可以通過備份域控制寄存器(RCC_BDCR)來選擇其時鐘源，可以分別用HSE/128、LSI或者LSE作為RTC時鐘源。其中HSE是高速外部時鐘，Kingst-32F1開發(fā)板中HSE采用的是8MHz的外部晶振，該時鐘同樣也是系統(tǒng)時鐘源；LSI是低速內(nèi)部時鐘，由STM32內(nèi)部RC振蕩器產(chǎn)生，頻率為40KHz，該時鐘源受環(huán)境影響較大；LSE為低速外部時鐘，需要外接頻率為32.768KHz的晶振，LSE是一個低功耗且精準(zhǔn)度相對較高的的時鐘源。

當(dāng)系統(tǒng)主電源關(guān)閉時，HSE無法工作，而如果采用LSI作為RTC時鐘源，一方面精度相對較低，另外一方面會有相對大的功率消耗，所以大多數(shù)情況下RTC的時鐘源是采用LSE，LSE的晶振的負載電容要求為6pF。

2、RTC預(yù)分頻****模塊

RTC預(yù)分頻模塊包含了一個20位的可編程分頻器，可以通過對預(yù)分頻裝載寄存器RTC_PRL配置，實現(xiàn)RTCCLK時鐘信號分頻，每經(jīng)過‘N+1’個時鐘周期輸出一個計時時間為1秒的RTC時間基準(zhǔn)TR_CLK，如圖8-2中左側(cè)紅框所示。如果在RTC_CR寄存器中設(shè)置了相應(yīng)的允許位（SECIE位），每個TR_CLK周期RTC會產(chǎn)生一個中斷。通常情況下，用戶是將RTC時間基準(zhǔn)配置成1秒，因此這個中斷也常被稱為秒中斷。

圖8-2種RTC_DIV是一個只讀寄存器，它的作用是對輸入的RTCCLK進行計數(shù)，當(dāng)計數(shù)值與預(yù)分頻寄存器中的值相匹配時，輸出TR_CLK信號，然后重新計數(shù)。用戶可以通過讀取RTC_DIV寄存器，獲取當(dāng)前的分頻計數(shù)器的當(dāng)前值而不停止分頻計數(shù)器的工作。當(dāng)RTC_PRL或RTC_CNT寄存器中的數(shù)據(jù)發(fā)生改變后，RTC_DIV會由硬件重新裝載。

3、 32位的****可編程計數(shù)器

RTC核心部分的第二個模塊是一個32位可編程、向上計數(shù)的計數(shù)器，可以通過兩個16位的寄存器(RTC_CNTH或RTC_CNTL)訪問。此計數(shù)器以TR_CLK時間基準(zhǔn)信號進行計數(shù)，計滿后溢出，并且產(chǎn)生溢出標(biāo)志位。當(dāng)TR_CLK的周期為1秒時，計數(shù)器從0到溢出大概需要136年。

計數(shù)器按照TR_CLK周期累加外，同時與用戶設(shè)定的RTC鬧鐘寄存器（RTC_ALR）的時間比較，一致則產(chǎn)生鬧鐘標(biāo)志，如果此時開啟中斷，則會觸發(fā)中斷。

28.2 UNIX時間戳及時間轉(zhuǎn)換問題

RTC模塊本質(zhì)是一個計數(shù)器，當(dāng)設(shè)置RTC預(yù)分頻模塊輸出周期為1秒的TR_CLK信號時，通過計算TR_CLK的周期數(shù)來獲取從開始計數(shù)的0時刻到現(xiàn)在經(jīng)過的秒數(shù)。計數(shù)器為0的時刻稱之為計時元年，當(dāng)前時間為計時元年加上計數(shù)器的計數(shù)值。

不同人或者不同系統(tǒng)規(guī)定的計時元年可能不同，換算成當(dāng)前時間時會出現(xiàn)災(zāi)難性錯誤。為了解決這個問題，大部分操作系統(tǒng)普遍以格林尼治時間1970年1月1日0時0分0秒作計時元年，該時間最早在UNIX系統(tǒng)中使用，因此從計時元年到當(dāng)前時間的經(jīng)過的秒數(shù)也被稱之為UNIX時間戳。

因此使用RTC模塊時，首先要計算出當(dāng)前時間的UNIX時間戳X，然后將時間戳X寫入到RTC_CNT寄存器中并啟動計時。獲取當(dāng)前時間時，先讀出RTC_CNT寄存器的值，然后再加上計時元年，所得到的時間便是當(dāng)前時間。

38.3 RTC模塊基本操作

8.3.1 讀RTC寄存器

由于RTC核心部件位于后備區(qū)域，雖然RTC的寄存器讀寫由APB1接口完成，但是APB1接口在系統(tǒng)電源掉電時是停止工作的。由于RTC核心部件和APB1接口是相互獨立的，因此他們使用不同的時鐘源，當(dāng)發(fā)生以下三種情況時，會導(dǎo)致時鐘不同步。

（1）發(fā)生系統(tǒng)復(fù)位或電源復(fù)位

（2）系統(tǒng)剛從待機模式喚醒

（3）系統(tǒng)剛從停機模式喚醒

當(dāng)發(fā)生以上三種情況，讀寫RTC相關(guān)寄存器之前，必須首先檢測RTC_CRL寄存器中的RSF位，確保此位被置1，即RTC核心部件和APB1兩者時鐘同步，檢測庫函數(shù)如下：

8.3.2 配置RTC寄存器

當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后，對后備寄存器和RTC的訪問將被禁止，這是為了防止對后備區(qū)域的意外寫操作。因此在配置RTC模塊前應(yīng)先設(shè)置寄存器RCC_APB1ENR的PWREN和BKPEN位，使能電源和后備接口時鐘，代碼如下：

使能后備區(qū)域時鐘后還要使能電源的寄存器PWR_CR的DBP位來取消后備區(qū)域的寫保護。代碼如下：

設(shè)置RTC時鐘源為LSE之前要先等待LSE時鐘啟動，保證LSE時鐘正常起振。啟動LSE時鐘代碼為：

LSE時鐘起振成功后才可以設(shè)置RTC時鐘源為LSE時鐘并使能RTC，由于RTC使用的時鐘源與APB1總線時鐘并非同一時鐘源，因此兩者的時鐘信號并不是同步的，需要等待RTC和APB1時鐘同步。

以上操作完畢后，就可以配置RTC寄存器，配置過程如下：

（1）查詢RTOFF位，直到RTOFF的值變?yōu)椤?’

（2）置CNF值為1，進入配置模式

（3）對一個或多個RTC寄存器進行寫操作

（4）清除CNF標(biāo)志位，退出配置模式

（5）查詢RTOFF，直至RTOFF位變?yōu)椤?’以確認寫操作已經(jīng)完成。

需要注意的是，對RTC任何寄存器的寫操作，都必須在前一次寫操作結(jié)束后才能繼續(xù)進行?？梢酝ㄟ^查詢RTC_CR寄存器中的RTOFF狀態(tài)位，判斷RTC寄存器是否處于更新中，僅當(dāng)RTOFF狀態(tài)位是’1’時，才可以寫入RTC寄存器。配置完畢后需要清除CNF標(biāo)志位（即退出配置模式）才算配置完成，否則無法更新RTC寄存器，這個過程至少需要3個RTCCLK周期。

代碼如下：

以下是RTC模塊的驅(qū)動代碼：

RTC時鐘由于晶振精度以及環(huán)境影響等原因，會存在一些誤差，粗略測試每天會快2s左右，不同環(huán)境下誤差可能有所不同。

48.4 初識觸摸屏

觸摸屏是一種可接收觸頭等輸入信號的感應(yīng)式液晶顯示裝置，當(dāng)接觸了屏幕的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺反饋可根據(jù)預(yù)先編寫的程序驅(qū)動各種設(shè)備，可以替代機械式按鈕，并且通過液晶顯示更加生動的影音效果。觸摸屏提供了一種簡單、方便、自然的人機交互方式，賦予了多媒體嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設(shè)備，應(yīng)用非常廣泛。

8.4.1 觸摸屏的分類和特點

按照觸摸屏的工作原理和傳輸信息的介質(zhì)區(qū)分，觸摸屏可以分為電阻式、電容式、紅外線式以及表面聲波式，我們常見的主流應(yīng)用是電阻式和電容式。

電阻觸摸屏是在顯示器表面附著一個多層復(fù)合薄膜，薄膜底層由玻璃或硬塑料構(gòu)成，頂層為光滑防擦的塑料層，上下兩層的內(nèi)表面都涂有透明導(dǎo)電層，并且相互隔離開。上下兩個薄膜層組成一個電阻網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)手指按壓屏幕時，上下導(dǎo)電層就會出現(xiàn)接觸點，此時在X軸和Y軸分別施加電壓，通過對比觸摸點電壓與施加電壓可以計算出觸摸點的X和Y坐標(biāo)，確定觸摸點的相對位置，電阻觸摸屏的結(jié)構(gòu)如圖8-3所示。

圖8-3電阻式觸摸屏結(jié)構(gòu)

電容觸摸屏是利用人體的電流感應(yīng)進行工作的四層復(fù)合玻璃屏，內(nèi)外層都涂有特殊材料，當(dāng)手指摸在金屬層上時，由于人體電場，用戶和觸摸屏表面形成一個耦合電容，對于高頻電流來說，電容是導(dǎo)體，于是手指從接觸點吸走一個很小的電流，這個電流從觸摸屏的四角的電極中流出，控制器通過對這四個電流比例的精確計算，得出觸摸點的位置，電容屏觸摸原理如圖8-4所示。

圖8-4 電容屏觸摸原理

電阻屏和電容屏之間特點比較：

1、電阻屏靠壓力使各層接觸，因此可以用手指、指甲、觸筆等進行操作；電容屏利用人體的電流與觸摸屏之間形成耦合電場，從而觸發(fā)電容感應(yīng)系統(tǒng)，但是任何非導(dǎo)電物體如指甲、首套等無效，手寫比較困難。

2、電阻屏精度可以達到單個顯示像素，便于手寫，有助于在精準(zhǔn)操作；電容屏精度低，尤其是受限于手指接觸面限制，難以提高精度。

3、電阻觸屏價格比較低；電容屏成本比電阻屏貴10%到50%，在iPhone誕生之前的中低端手機大多是電阻屏，對成本不敏感的產(chǎn)品多采用電容屏。

4、電阻屏需要按下去，因此決定了他的頂部是軟的，多用塑料材質(zhì)，這使他容易產(chǎn)生劃痕，但是通常不容易摔壞；電容屏外層通常使用玻璃，外層更不容易劃壞，方便去除污跡，但是嚴(yán)重沖擊容易碎裂，當(dāng)然電容屏也有塑料材質(zhì)。

5、電阻屏不能支持多點同時觸摸；電容屏是可以支持多點同時觸摸的。

6、電阻屏在惡劣環(huán)境下可以正常工作，而電容屏操作溫度典型值是0到35度，至少5%的濕度，因此復(fù)雜的工業(yè)場合應(yīng)用多用電阻屏。

7、電阻屏的可視效果相比電容屏差的多，尤其在陽光下，電容屏的可視效果優(yōu)于電阻屏。

電阻屏通常分為四線電阻屏和五線電阻屏，Kingst-32F1開發(fā)板上的TFT-LCD采用的是4線制電阻觸摸屏。

8.4.2 觸摸屏的控制原理

電阻式觸摸屏的4個邊對應(yīng) X+、Y+、X-、Y-四個電極，這也是4線電阻觸摸屏的由來。當(dāng)有筆尖或手指按壓觸摸屏表面時，觸摸屏的電阻性表面相當(dāng)于被分隔為兩個串聯(lián)的電阻，由于觸摸屏的電阻值與觸摸點到接地邊之間的距離成正比，根據(jù)串聯(lián)電阻之比等于電阻兩端電壓之比的原理，只需要測量出一端電阻的電壓即可得到電阻之比，進而計算出觸摸點到兩邊的距離之比，觸摸屏等效電路如圖8-5所示。

8-5觸摸屏等效電路圖

計算觸點的X、Y坐標(biāo)主要分為以下兩步：

1. 計算X坐標(biāo)，在X+電極施加驅(qū)動電壓U， X-電極接地，X+到 X-之間形成均勻電場。Y+做為引出端可以測得接觸點的電壓為U ref ，由于ITO層均勻?qū)щ?，觸點電壓與Uref電壓之比等于觸點X坐標(biāo)與屏寬度之比。假如X+與X-之間的距離為d,則

2. 計算Y坐標(biāo)，在Y+電極施加驅(qū)動電壓U， Y-電極接地，此時Y+到Y(jié)-之間形成均勻電場。X+作為引出端可以測得接觸點的電壓為U ref 。由于ITO層均勻?qū)щ?，觸點電壓與Uref之比等于觸點Y坐標(biāo)與屏高度之比。假如Y+與Y-之間的距離為d, 即：