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RTC詳解

jf_78858299 ? 來源:一個人的嵌入式 ? 作者:一個人的嵌入式 ? 2023-05-26 15:15 ? 次閱讀
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RTC

RTC的本質(zhì)很簡單,就是一個時鐘經(jīng)過精確分頻最后得到的一個1Hz的時鐘,也可以說是計(jì)數(shù)器,其他大部分功能都是基于這個計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)的數(shù)字邏輯。

本文講的RTC是基于STM32F030來講的,相比與F1系列的RTC來說,M0的將很多原本需要軟件實(shí)現(xiàn)的功能硬件化了,使用起來更加便利。

先說說STM32F030的RTC有些什么功能:

1.集成日歷功能,不用像STM32F103一樣需要軟件算法來做;

2.夏令時補(bǔ)償;

3.鬧鐘功能;

4.集成了周期性自動喚醒單元;

5.外部參考時鐘;

6.時鐘平移校準(zhǔn)(亞秒級);

7.數(shù)字校準(zhǔn)

8.時間戳;

9.入侵檢測;

10.備份寄存器

先看看RTC的框圖:

圖片

從框圖中圈出來的部分可以看到,上面提到的RTC功能,大部分在框圖上面都有體現(xiàn),接下來我們按照RTC的功能點(diǎn)講一講各個功能的詳細(xì)內(nèi)容

RTC的時鐘分頻

在詳述每個功能點(diǎn)之前,我們先了解下RTC的核心,即1Hz的時鐘的來歷。

從框圖中可以看到RTC的時鐘來源有3個,時鐘源先經(jīng)過一個精密校準(zhǔn)后,再經(jīng)過一個異步預(yù)分頻器和一個同步預(yù)分頻器后,得到的即是我們想要的1Hz的時鐘,這個時鐘將被送到日歷模塊,供日歷計(jì)數(shù)用。

我們常用的一個時鐘源是一個32.768kHz的低速外部時鐘(LSE),為什么是這個特殊的頻率呢?因?yàn)檫@個時鐘經(jīng)過分頻后可以得到一個完美的1Hz的時鐘供給日歷模塊使用,最大程度上保證時鐘的精確性,當(dāng)然,實(shí)際上來說,32.768kHz的時鐘并不是完全精確的,所以就會導(dǎo)致實(shí)際上的時間會在一段時間后跑偏,且隨時間的推移,偏差逐漸擴(kuò)大,所以我們小時候用電子手表時,會發(fā)現(xiàn)時間在我們調(diào)整準(zhǔn)確后,慢慢的又會出現(xiàn)一點(diǎn)偏差,偏差可以被RTC內(nèi)部邏輯調(diào)整縮小,后面會詳細(xì)講述。

32.768kHz為什么比較容易分頻得到1Hz時鐘呢?

由于我們單片機(jī)采用的是二進(jìn)制數(shù),所以分頻器也是以二進(jìn)制為基礎(chǔ)進(jìn)行分頻,32.768kHz在不斷的二分頻(15次)后,能得到一個精確的1Hz時鐘,也就是1秒鐘的時間。

圖片

而其他兩個時鐘源(HSE/32)和LSI經(jīng)過兩個分頻器后得到的時鐘往往都是約等于1Hz,長久計(jì)數(shù)會產(chǎn)生較大的誤差,因?yàn)樗鼈兊念l率在經(jīng)過無數(shù)次2分頻后,一般來說,最后都不是一個整數(shù),都是游離在1Hz左右。

理論上來說,如果想要一個1Hz的時鐘,一個分頻器就可以做到,為什么會有兩個分頻器呢?因?yàn)镾TM32F030可以精確到亞秒級,在經(jīng)過第一個時鐘分頻器后,此時得到的時鐘ck_apre(一般為256Hz)會作為亞秒計(jì)數(shù)器,提供亞秒級別的計(jì)數(shù)。

日歷模塊

日歷模塊是我覺得STM32F030相比與103最大的便捷之處,不需要軟件算法的干預(yù),就可以在預(yù)設(shè)初始年月日,時分秒的基礎(chǔ)上開始計(jì)時,且還能自動計(jì)算星期,閏年也會被自動計(jì)算。

日歷模塊有三個寄存器:時間寄存器, 寄存器,亞秒寄存器

圖片

日歷寄存器是有兩套的,一套是RTC域的本體,一套是由系統(tǒng)時鐘控制的影子寄存器。每隔兩個RTC_CLK,就會將本體寄存器中的值復(fù)制到影子寄存器中。

圖片

由于RTC的特性,所以很多情況下在芯片斷電后,希望內(nèi)部的時間系統(tǒng)不受到影響,所以RTC域通常被要求單獨(dú)供電,即在芯片斷電后,RTC還能夠正常工作,當(dāng)下次芯片上電后,影子寄存器在和RTC域本體的日歷寄存器同步后,仍然能得到正確時間。

夏令時

支持夏令時功能,可以將日歷寄存器中的時間增加或減少一個小時。

利用 SUB1H 或 ADD1H,軟件只需單次操作便可在日歷中減去或增加一個小時,無需執(zhí)行

整個初始化步驟,還可以使用 BKP 位來記錄是否曾經(jīng)執(zhí)行過此操作

因?yàn)橛械膰覍?shí)行夏令時制度,需要在夏天時,將全國時間集體向前撥一個小時,在夏令時結(jié)束后,又將時間往回?fù)芤粋€小時,所以030集成了這個功能(有興趣的可以百度一下夏令時)。

鬧鐘功能

鬧鐘功能就是通過在鬧鐘寄存器設(shè)置一個預(yù)定時間,當(dāng)日歷寄存器中的時間和鬧鐘寄存器時間匹配后,會產(chǎn)生一個鬧鐘信號,在配置鬧鐘中斷以后,也會生成中斷。

圖片

要注意的是鬧鐘寄存器是沒有年份和月份的,只有日期,時分秒及亞秒。鬧鐘寄存器還有一個掩碼功能(MSK),開啟后日期,時、分、秒及亞秒都可以被單獨(dú)屏蔽,不和日歷寄存器中對應(yīng)值作比較。

周期性自動喚醒單元

配置此功能后,可以在器件進(jìn)入低功耗模式后,根據(jù)配置時間在到達(dá)預(yù)定時間后使器件退出低功耗模式??膳渲玫臅r間范圍為1s到36小時。

外部參考時鐘,時鐘平移校準(zhǔn),數(shù)字校準(zhǔn)

把這三個功能放在一起的原因是,三個功能都是RTC的時鐘精度進(jìn)行調(diào)整的功能,但是三個功能調(diào)整時間的方法和調(diào)整精度上又是不同的。

外部參考時鐘(一般為50Hz或者60Hz):

通過特定GPIO口輸入一個參考時鐘源,外部參考時鐘的精度我們認(rèn)為是高于現(xiàn)在RTC使用的32.768kHz時鐘精度的(32.768kHz由于偏差,并非一定為該數(shù)值),具體的做法是用1Hz時鐘每次在邊沿時檢測是否有高精度外部時鐘的邊沿,如果兩個時鐘的時鐘沿正好對齊。則認(rèn)為1Hz時鐘無偏差,若時鐘不對齊,會對異步預(yù)分頻寄存器進(jìn)行重載,微調(diào)后續(xù)1Hz時鐘邊沿,使其對齊外部參考時鐘邊沿。

圖片

時鐘平移校準(zhǔn):

參考一個更高精度的遠(yuǎn)程時鐘,可以對當(dāng)前的RTC時鐘進(jìn)行秒級或者亞秒級的增加或減少時間。我的理解是,獲取到一個我們認(rèn)為的更高精度的時鐘當(dāng)前值后,手動對自身RTC的值進(jìn)行調(diào)整,以提高RTC的精度。

數(shù)字校準(zhǔn):

數(shù)字校準(zhǔn)是三種校準(zhǔn)方式中最為細(xì)微的校準(zhǔn)方式,分為正校準(zhǔn)和負(fù)校準(zhǔn)。

正校準(zhǔn)可以在8秒或者16秒的時鐘周期內(nèi),對RTC的源時鐘。RTC_CLK,在每2的11次方的脈沖內(nèi),多插入一個脈沖。

負(fù)校準(zhǔn)可以在32秒的時鐘周期內(nèi),在每2的20次方的脈沖內(nèi),減少1~255個脈沖,由寄存器決定具體減少數(shù)值。

由于RTC的32.768KHz的時鐘源多少都會存在一點(diǎn)偏差,數(shù)字校準(zhǔn)可以做到從源頭上對RTC的精度進(jìn)行調(diào)整,但是首先我們得獲取到時鐘源的具體偏差值才能更好的對偏差進(jìn)行校準(zhǔn)。

時間戳和入侵檢測

時間戳

時間戳寄存器和日歷寄存器一樣,只是不會計(jì)數(shù),當(dāng)有時間戳事件發(fā)生的時候,日歷寄存器的當(dāng)前值就會被保存到時間戳寄存器中。

當(dāng)RTC的RTC_TS引腳檢測到時間戳事件時,當(dāng)前的日歷寄存器值就會被保存到時間戳寄存器。

入侵檢測

除此之外,入侵檢測的發(fā)生也可以被當(dāng)成時間戳?xí)r間,當(dāng)特定的GPIO引腳檢測到入侵事件時,時間戳就會記下當(dāng)前入侵事件發(fā)生的時間。

入侵檢測事件是當(dāng)特定的入侵檢測引腳被觸發(fā)時(可以設(shè)置觸發(fā)的電平狀態(tài)及保持時間),擦除RTC的備份域寄存器,也可以生成入侵檢測中斷,從停止模式和待機(jī)模式喚醒。

備份寄存器

備份寄存器是一小段空間,大小為16字節(jié),可以由用戶自定義寫入數(shù)據(jù),當(dāng)主電源域掉電后,只要RTC域有電,備份寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)就不會丟失。但是當(dāng)入侵事件發(fā)生時,備份寄存器會被復(fù)位,數(shù)據(jù)丟失。

總的來說,RTC本身其實(shí)并不復(fù)雜,尤其是F030的RTC,簡單易用,但是它在整個芯片系統(tǒng)中都是一個很特殊的模塊,因?yàn)樗梢员粏为?dú)供電,且RTC域的寄存器值是不受系統(tǒng)復(fù)位影響的,當(dāng)系統(tǒng)電源域有電時,它由VDD供電,當(dāng)系統(tǒng)電源域掉電時,它立刻會切換至后備電源域供電。大致示意圖如下:

圖片

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