STM32—BKP备份寄存器&RTC实时时钟

1.BKP简介

  • BKP(Backup Registers)备份寄存器
  • BKP可用于存储用户应用程序数据。当VDD(2.0~3.6V)电源被切断,他们仍然由VBAT(1.8~3.6V)维持供电。当系统在待机模式下被唤醒,或系统复位或电源复位时,他们也不会被复位
  • TAMPER引脚产生的侵入事件将所有备份寄存器内容清除
  • RTC引脚输出RTC校准时钟、RTC闹钟脉冲或者秒脉冲
  • 存储RTC时钟校准寄存器
  • 用户数据存储容量:
    • 20字节(中容量和小容量)/84字节(大容量和互联型)

2.BKP基本结构

这个图中橙色部分我们可以叫作后备区域,BKP处于后备区域,但后备区域不只有BKP,还有RTC的相关电路也位于后备区域,STM32后备区域的特性就是,当VDD主电源掉电时,后备区域仍然可以由VBAT的备用电池供电,当VDD主电源上电时,后备区域供电会由VBAT切换到VDD,也就是主电源有电时,VBAT不会用到,这样可以节省电池电量

然后BKP是位于后备区域的,BKP里主要有数据寄存器、制寄存器、状态寄存器和RTC时钟校准寄存器这些东西,其中数据寄存器是主要部分,用来存储数据的,每个数据寄存器都是16位的,也就是,一个数据寄存器可以存2个字节,那对于中容量和小容量的设备,里面有DR1、DR2、一直到、DR10总共10个数据寄存器,那一个寄存器存两个字节,所以容量是20个字节,然后对于大容量和互联型设备,里面除了DR1到DR10还有DR11、DR12、一直到、DR42,总共42个数据奇存器,容量是84个字节

然后,BKP还有几个功能,就是下面这里的侵入检测,可以从PC13位置的TAMPER引I脚引入一个检测信号,当TAMPER产生上升沿或者下降沿时清除BKP所有的内容,以保证安全,时钟输出可以把RTC的相关时钟从PC13位置的RTC引脚输出出去,供外部使用,其中,输出校准时钟时再配合这个校准寄存器,可以对RTC的误差进行校准

3.RTC简介

  • RTC(Real Time Clock)实时时钟
  • RTC是一个独立的定时器,可为系统提供时钟和日历的功能
  • RTC和时钟配置系统处于后备区域,系统复位时数据不清零VDD(2.0~3.6V)断电后可借助VBAT(1.8~3.6V)供电继续走时
  • 32位的可编程计数器,可对应Unix时间戳的秒计数器
  • 20位的可编程预分频器,可适配不同频率的输入时钟
  • 可选择三种RTC时钟源:
    • HSE时钟除以128(通常为8MHz/128)
    • LSE振荡器时钟(通常为32.768KHz)
    • LSI振荡器时钟(40KHz)

时钟系统

H(High)开头是高速,L(Low)开是低速,E(Extermal)结尾是外部,I(lnternal)结尾是内部,这里高速时钟,一般供内部程序运行和主要外设使用,低速时钟,一般供RTC、看门狗这些东西使用

**RTCCLK有3个来源:**第一个是OSC引脚接的HSE,外部高速晶振,这个呈振是主晶振,我们一般都用的8MHZ,8MHz进来,通过128分频,可以产生RTCCLK信号,为什么要先128分频呢,这是因为这个8MHz的主晶振太快了,如果不提前分频,直接给RTCCLK,后续即使再通过RTC的20位分频器,也分不到1HZ这么低的频率,所以8MHZ,提前先进行128分频,后续20位的分频器,再进行一个适当的分频,就可以输出1Hz的信号给计数器了

然后中间这一路,时钟来源是LSE,外部低速晶振,我们在OSC32这两个引脚,接上外部低速晶振,这个品振产生的时钟,可以直接提供给RTCCLK,这个OSC32的显振,是内部RTC的专用时钟,这个品振的值,也不是随便选的,通常跟RTC有关的晶振都是统一的数值,就是32.768KHZ,为什么选择这个数值,一方面是,32KHz这个值附近的频率是这个品振工艺比较合适的频率,另一方面是,32768,这是一个2的次方数,2^15=32768,所以32.768KHZ即32768HZ,经过一个15位分频器的自然溢出就能很方便地得到1Hz的频率,自然溢出的意思就是设计一个15位的计数器,这个计数器不用设置计数目标,直接从0计到最大值,就是计到32767,计满后自然溢出,这个溢出信号就是1HZ,自然溢出的好处,就是不用再额外设计一个计数目标了,也不用比较,计数器是不是计到目标值了,这样可以简化电路设计(最常用)

最后看第三路时钟源来自于LSI,内部低速RC振荡器,LSI,固定是40KHZ,如果选择LSI当作RTCCLK后续再经过40K的分频,就能得到1Hz的计数时钟了,当然内部的RC振荡器,一般精准度没有外部晶振高,所以LSI给RTCCLK,可以当作一个备选方案,另外,LSI还可以提供给看门狗

中间一路最常用,第一个原因就是,中间这路32.768KHz的显振,本身就是专供RTC使用的,上下这两路,其实是有各自的任务,上面这一路,主要作为系统主时钟,下面这一路,主要作为看门狗时钟,它们只是顺带可以备选当作RTC的时钟,另外更重要的是只有中间这一路的时钟,可以通过VBAT备用电池供电,上下两路时钟,在主电源断电后,是停止运行的,所以要想实现RTC主电源掉电继续走时的功能,必须得选择中间这一路的RTC专用时钟,如果选择的是上下两路时钟,主电源断电后,时钟就暂停了,这显然会号致走时出错

4.RTC框图

左边这一块是核心的、分频和计数计时部分,右边这一块是中断输出使能和NMIC部分,上面这一块是APB1总线读写部分,下面这一块是和PWR关联的部分,意思就是RTC的闹钟可以唤醒设备,退出待机模式,然后,在图中,我们看到有灰色填充的部分都处于后备区域,这些电路在主电源掉电后,可以使用备用电池维持工作,另外这里还写了,这些模块在待机时都会继续维持供电

首先,看分频和计数计时部分,这一块的输入时钟是RTCCLK,RTCCLK的来源需要在RCC里进行配置,可以选择的选项是这3个,主要选择中间一路,那因为这3路时钟,频率各不相同,而且都远大于我们所需要的1Hz的秒计数频率,所以RTCCLK进来,需要首先经过RTC预分频器进行分频,这个分频器由两个寄存器组成,上面这个是重装载寄存器RTC_PRL,下面这个,RTC_DN,手册里叫作余数寄存器,但实际上,这一块跟我们之前定时器时基单元里的计数器CNT和重装值ARR,是一样的作用,实际上还是计数器的作用,分频器其实就是一个计数器,计几个数溢出一次,那就是几分频,听以对于可编程的分频器来说,需要有两个寄存器,一个寄存器用来不断地计数,另一个寄存器,我们写入一个计数目标值,用来配置是几分频,那在这里,上面这个PRL,就是计数目标,我们写入6,那就是7分频,因为计数值包含了0,所以重装值写入几,就是几+1分频,然后下面这个DM,就是每来一个时钟计一个数的用途了,当然这个DI计数器,是一个自减计数器,每来一个输入时钟,DIV的值自减一次,自减到0时,再来一个输入时钟,DI输出一个脉冲,产生溢出信号,同时DI从PRL获取重装值,回到重装值继续自减

举个例子,比如RTCCLK输入时钟是32.768KHZ,即32768HZ,为了分频之后得到1Hz,PRL就要给32767,这个数值是始终不变的,DIV可以保持初始值为0,那在第一个输入时钟到来时,DIV就立刻溢出,产生溢出信号给后续电路,同时,DIV变为重装值32767,然后第二个输入时钟,DIV自减变为32766,一直这样,来一个输入时钟自减一次,直到变为0,然后再来一个输入时钟就会产生一个溢出信号,同时DIV回到32767,以此循环往复,这样的话,也就是每来32768个输入脉冲,计数器溢出一次,产生一个输出脉冲,这就是32768分频了,分频输出后的时钟频率是1HZ,提供给后续的秒计数器

然后看一下计数计时部分,32位可编程计数器RTC_CNT,就是计时最核心的部分,我们可以把这个计数器看作是Unix时间戳的秒计数器,这样借用time.h的函数,就可以很方便地得到年月日时分秒了,然后在下面部分这个RTC还设计的有一个闹钟寄存器RTC_ALR,这个ALR也是一个32位的寄存器,和上面这个CNT是等宽的,它的作用,顾名思义,就是设置闹钟,我们可以在ALR写一个秒数,设定闹钟,当CNT的值跟ALR设定的闹钟值一样时,也就是这里画的等号,如果它俩值相等就代表闹钟响了,这时就会产生RTC Alarm闹钟信号,通往右边的中断系统,在中断函数里,你可以执行相应的操作,同时,这个闹钟还兼具一个功能,就是下面这里的,闹钟信号可以让STM32退出待机模式,这个功能就可以对应一些用途,比如你设计一个数据采集设备,需要在环境非常恶劣的地方工作比如海底、高原、深井这些地方,然后要求是,每天中午12点采集一次环境数据,其他时间,为了节省电量,避免频繁换电池,芯片都必须处于待机模式,这样的话,我们就可以用这个RTC自带的闹钟功能,定一个中午12点的闹钟,闹钟一响,芯片唤醒,采集数据,完成后,继续待机,这样是不是就可以完成这个任务了,另外,这个闹钟值,是一个定值,只能响一次,所以如果你想卖现周期性的闹钟,那在每次响之后都需要再重新设置一下下一个闹钟时间,这就是这个闹钟和闹钟唤醒的一个用途

继续往右看就是中断部分了,在左边这里,有3个信号可以触发中断,第一个是RTC_Second秒中断,它的来源就是CNT的输入时钟,如果开启这个中断,那么程序就会每秒进一次RTC中断,第二个是RTC Overflow,溢出中断,它的来源,是CNT的右边,意思就是CNT的32位计数器计满溢出了,会触发一次中断,所以这个中断一般不会触发,这个CNT定义是无符号数,到2106年才会溢出,所以这个中断,在2106年会触发一次,如果你想程序更完善一些,可以开启这个中断,到2106年,计数器溢,为了避免不必要的错误,你可以让芯片罢工,然后提示当前设备过者,请及时更换,当然在2106年之后,这个STM32的RTC就不太好用了,到时候或许可以通过打补丁的方式继续运行,或者直接淘汰32位的时间戳,然后继续看,下面第三个RTC_Alarm,闹钟中断,刚才说过,当计数器和闹钟值相等时,触发中断,同时,闹钟信号可以把设备从待机模式唤醒

中断信号到右边这里这一块就是中断标志位和中断输出控制,这些F(Flag)结尾的是对应的中断标志位,IE(lnterrupt Enable)结尾的是中断使能,最后3个信号通过一个或门,汇聚到NVIC中断控制器

然后上面这部分APB1总线和APB1接口,就是我们程序读写寄存器的地方了,读写寄存器,可以通过APB1总线来完成,另外也可以看出,RTC是APB1总线上的设备

最后,下面这一块,退出待机模式,还有一个WKUP引脚,闹钟信号,和KUP(WeakUp)引脚,都可以唤醒设备,WKUP引脚可以看下接线图,就是PA0位置,它兼具唤醒的功能

5.RTC基本结构

最左边是RTCCLK时钟来源,这一块需要在RCC里配置,3个时钟,选择一个,当作RTCCLK,之后,RTCCLK先通过预分频器,对时钟进行分频,余数寄存器是一个自减计数器,存储当前的计数值,重装寄存器是计数目标,决定分频值,分频之后,得到1Hz的秒计数信号,通向32位计数器,一秒自增一次,下面还有一个32位的闹钟值,可以设置闹钟,如果不需要闹钟的话,下面这块可以不用管,然后右边有3个信号可以触发中断,分别是秒信号、计数器溢出信号和闹钟信号,三个信号先通过中断输出控制,进行中断使能,使能的中断才能通向NVIC,然后向CPU申请中断,在程序中我们配置这个数据选择器,可以选择时钟来源,配置重装寄存器,可以选择分频系数,配置32位计数器,可以进行目期时间的读写,需要闹钟的话,配置32位闹钟值即可,需要中断的话,先允许中断,再配置NVIC,最后写对应的中断函数即可

6.硬件电路

为了配合STM32的RTC,外部还是需要有一些电路的,在最小系统电路上,外部电路还要额外加两部分,第一部分就是备用电池,第二部分就是外部低速晶振,首先,备用电池供电部分,我这里给了两个参考电路,第一个是简单连接就是使用一个3V的电池,负极和系统共地,正极直接引到STM32的VBAT引脚,这个供电方案非常简单,在手册5.167供电方案这里,图上画的直接接一个1.8-3.6V的电池到VBAT就行了,另外也可以看到,在内部是有一个供电开关的,当VDD有电时,开关拨到下面由电路由VDD供电,当VDD没电时,开关拨到上面,后备电路由VBAT供电,然后VBT供电的设备,在这里写了VBAT供电的后备电路,有32KHZ振荡器。RTC,唤醒电路和后备寄存器,那这就是根据数据手册里,设计的VBAT供电方案

这里还给了第二种方案,是推荐连接,这种连接方法是电池,通过二极管D1,向VBAT供电,另外主电源的3.3V,也通过二极管D2,向VBAT供电,最后,VBAT再加一个0.1uF的电源滤波电容,这个供电方案的参考来源是STM32的参考手册,在这个4,1.2.电池备份区域这一节

综合这两条建议,我们可以设计出右边的推荐连接,电池和主电源都加一个二极管,防止电流倒灌,VBAT加一个0.1uF的电源滤波电容,0.1uF就是100nF,如果没有备用电池,就是3V3的主电源供电,如果接了备用电池,3V3没电时,就是备用电池供电,如果你只是进行实验,那使用左边的简单连接就行了,如果要画板子设计产品那还是推荐使用右边的连接,这样更保险

然后继续看一下右边的外部低速晶振部分,这就是一个典型的晶振电路了,这里X1是一个32.768KHZ的RTC晶振,这个昆振不分正负极,两端分别接在OSC32这两个引脚上,然后昆振两端,再分别接一个起振电容,到GND,这个电路的设计参考来源还是STM32的数据手册,在5.36外部时钟源特性这里有参考电路,使用一个晶体/陶瓷谐振器产生的低速外部时钟,对于CL1和CL2,建议使用高质量的5p~15pF之间的瓷介电容器,,,,,

这个备用电池,我们一般可以选择这样的3V纽扣电池,型号是CR2032,这是一个非常常用的纽扣电池型号,另外注意,这个纽扣电池印字的这一面是正极,另一面,比较小的那个电极是负极,然后32.768KHz的晶振,我们可以选择这样的一个金属壳桂状体的晶振,这个晶振也是比较常见,晶振的全称是石英晶体振荡器,所以我们常说的石英钟名称就来源于这样一个元件,最小系统板自带的有RTC晶振电路,这里这个黑色的元件,写的有32.768K,这个也是一种样式的RTC晶振,然后旁边这个金属壳柱状体,是8MHz的外部高速晶振

7.RTC操作注意事项

  • 执行以下操作将使能对BKP和RTC的访问:
    • 设置RCC APB1ENR的PWREN和BKPEN,I使能PWR和BKP时钟
    • 设置PWR CR的DBP,使能对BKP和RTC的访问
  • 若在读取RTC寄存器时,RTC的APB1接口曾经处于禁止状态,则软件首先必须等待RTC CRL寄存器中的RSF位(寄存器同步标志)被硬件置1(APB1时钟速度过快,RTC寄存器还没有更新到APB1总线上)
  • 必须设置RTC CRL寄存器中的CNF位,使RTC进入配置模式后,才能写入RTC PRL、RTC CNT、RTC ALR寄存器
  • 对RTC任何寄存器的写操作,都必须在前一次写操作结束后进行可以通过查询RTC CR寄存器中的RTOFF状态位,判断RTC寄存器是否处于更新中。仅当RTOFF状态位是1时,才可以写入RTC寄存器
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