【stm32】RTC时钟的介绍与使用

秋风&萧瑟2024-11-04 11:56

RTC时钟的介绍与使用

一、时间戳

1、Unix时间戳

  • Unix 时间戳（Unix Timestamp）定义为从UTC/GMT的1970年1月1日0时0分0秒开始所经过的秒数，不考虑闰秒
  • 时间戳是一个计数器数值，这个数值表示从1970年1月1日0时0分0秒开始到现在总共所经过的秒数
  • 时间戳存储在一个秒计数器中，秒计数器为32位/64位的整型变量
  • 世界上所有时区的秒计数器相同，不同时区通过添加偏移来得到当地时间

2、UTC/GMT

  • GMT（Greenwich Mean Time）格林尼治标准时间(伦敦标准时间)是一种以地球自转为基础的时间计量系统。它将地球自转一周的时间间隔等分为24小时，以此确定计时标准
  • UTC（Universal Time Coordinated）协调世界时是一种以原子钟为基础的时间计量系统。它规定铯133原子基态的两个超精细能级间在零磁场下跃迁辐射9,192,631,770周所持续的时间为1秒。当原子钟计时一天的时间与地球自转一周的时间相差超过0.9秒时，UTC会执行闰秒来保证其计时与地球自转的协调一致

3、时间戳转换

\quad C语言的time.h模块提供了时间获取和时间戳转换的相关函数，可以方便地进行秒计数器、日期时间和字符串之间的转换。

二、BKP简介及代码编写

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
    • VSS1、VDD1、VSS2、VDD2、VSS3、VDD3是内部数字部分电路的供电，VDDA、VSSA 是内部模拟部分电路的供电，以上四组以VDD开头的供电，都是系统的主电源，在正常使用STM32时，以上四组供电均都需要接到33V的电源上；VBAT 是备用电池供电引脚，如果要使用STM32内部的BKP和RTC，该引脚必须接备用电池，用来维持BKP和RTC，在VDD主电源掉电后的供电。
  • TAMPER引脚产生的侵入事件将所有备份寄存器内容清除
    • TAMPER引脚：用于安全保障设计
  • RTC引脚输出RTC校准时钟、RTC闹钟脉冲或者秒脉冲(RTC配置)
  • 存储RTC时钟校准寄存器(RTC配置)
  • 用户数据存储容量：
    • 20字节（中容量和小容量设备中BKP为20字节）/ 84字节（大容量和互联型设备中BKP为84字节）

2、BKP基本结构


\quad 后备区域：指的是BKP备份寄存器、RTC相关电路
\quad STM32后备区域的特性：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

3、BKP库函数介绍：

c 复制代码 
void BKP_DeInit(void);  // 恢复缺省配置
void BKP_TamperPinLevelConfig(uint16_t BKP_TamperPinLevel);// 配置TAMPER引脚的有效电平
void BKP_TamperPinCmd(FunctionalState NewState);// 是否开启侵入检测功能LMDDUGd
void BKP_ITConfig(FunctionalState NewState);// 中断配置，
void BKP_RTCOutputConfig(uint16_t BKP_RTCOutputSource);//时钟输出功能配置
void BKP_SetRTCCalibrationValue(uint8_t CalibrationValue);// 设置RTC校准值
void BKP_WriteBackupRegister(uint16_t BKP_DR, uint16_t Data);// 写备份寄存器
uint16_t BKP_ReadBackupRegister(uint16_t BKP_DR);// 读备份寄存器
FlagStatus BKP_GetFlagStatus(void);
void BKP_ClearFlag(void);
ITStatus BKP_GetITStatus(void);
void BKP_ClearITPendingBit(void);

4、程序编写：

现象：PB1引脚接上按键，按下按键，数组的值写入BKP寄存器，主电源掉电后，能保存最后一次变化的值；若VBT也掉电，则BKP寄存器的值会被清空

c 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Key.h"

uint8_t KeyNum;

uint16_t ArrayWrite[] = {0x1234, 0x5678};
uint16_t ArrayRead[2];

int main(void)
{
    OLED_Init();
    Key_Init();
    
    OLED_ShowString(1, 1, "W:");
    OLED_ShowString(2, 1, "R:");
    
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE); // 开启PWR的时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_BKP, ENABLE); // 开启BKP的时钟
    
    PWR_BackupAccessCmd(ENABLE); // PWR备份访问控制
    
    while (1)
    {
        KeyNum = Key_GetNum();
        
        if (KeyNum == 1)
        {
            ArrayWrite[0] ++;
            ArrayWrite[1] ++;
            
            BKP_WriteBackupRegister(BKP_DR1, ArrayWrite[0]);
            BKP_WriteBackupRegister(BKP_DR2, ArrayWrite[1]);
            
            OLED_ShowHexNum(1, 3, ArrayWrite[0], 4);
            OLED_ShowHexNum(1, 8, ArrayWrite[1], 4);
        }
        
        ArrayRead[0] = BKP_ReadBackupRegister(BKP_DR1);
        ArrayRead[1] = BKP_ReadBackupRegister(BKP_DR2);
        
        OLED_ShowHexNum(2, 3, ArrayRead[0], 4);
        OLED_ShowHexNum(2, 8, ArrayRead[1], 4);
    }
}

三、RTC简介及代码编写

1、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）

2、RTC框图

  • 核心部分：（中左）分频和计数计时部分， （中右）中断输出使能和NVIC部分，（上）APB1总线读写部分，（下）与PWR关联的部分（作用是RTC的闹钟可以唤醒设备，退出待机模式），灰色区域为后备区域，在主电源掉电后可以使用备用电池维持供电
    • 分频和计数计时部分：RTCCLK--->RTC预分频器进行分频（由两个寄存器组成：重装载寄存器RTC_PRL-也是计数目标、RTC_DIV余数寄存器-自减计数器，存储当前的计数值 ）--->32位可编程计数器（可以看作是Unix时间戳的秒计数器，闹钟寄存器RTC_ALR:当CNT的值跟ALR设定的闹钟值一样时，产生RTC_Alarm闹钟信号，通往右边的中断系统，另外一个功能是闹钟信号可以让STM32退出待机模式）
    • 中断部分：以下三个信号可触发中断，
      1、RTC_Second，秒中断，来源于CNT的输入时钟，如果开启此中断，程序会每秒进一次RTC中断
      2、RTC_Overflow，溢出中断，当CNT的32位计数器计满溢出，会触发一次中断
      3、RTC_Alarm，闹钟中断，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
    • 中断标志位和中断输出控制：F(Flag)结尾的是对应的中断标志位，IE(Interrupt Enable)结尾的是中断使能，最后3个信号通过一个或门，进入到NVIC中断控制器
    • APB1总线和APB1接口：程序读写寄存器的地方

PCLK1在主电源掉电后停止，为了保证RTC主电源掉电正常工作，RTC里的寄存器都是在RTCCLK的同步下变更的，当我们用PCLK1驱动的总线，去读取RTCCLK驱动的寄存器时，就会有一个时钟不同步的问题，RTC奇存器，只有在RTCCLK的上升沿更新，但是PCLK1的频率36MHZ，远大于RTCCLK的频率32KHZ，如果在APB1刚开启时，就立刻读取RTC奇存器，有可能RTC寄存器还没有更新到APB1总线上，此时读取到的值，就是错误的（通常读取到0），所以要求，在APB1总线刚开启时，等待RTCCLK的触发上升沿后，RTC把它所在寄存器的值同步到APB1总线上，之后再读取的值就是正确的
对于使用库函数，只需在初始化时，调用一个等待同步的函数即可实现

\quad 32位可编程计数器 ：对应时间戳中的秒计数器，在读取时间时，得到的是秒数，再使用time.h模块里的localtime函数，即可得到年月日时分秒的信息；写入时间时，先填充年月日时分秒信息到struct tm结构体，在用mktime函数，得到秒数，写入32位计数器即可
\quad 20位的可编程预分频器：对于32位秒计数器，1s需要自增一次， 所以驱动计数器的时钟需要1HZ的信号，但实际提供给RTC的时钟RTCCLK的频率较高，此时就需要在提供给计数器时钟前加一个分频器降频，保证分频器输出给计数器的频率为1HZ，计时才是对的，为了适配各种频率的RTCCLK，加了一个20位的分频器，可以选择对输入时钟进行1~2^20范围的分频

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、看门狗使用

2、RTC基本结构

3、RTC相关库函数介绍：

c 复制代码 
// rcc.h
void RCC_LSEConfig(uint8_t RCC_LSE);      // 配置LSE外部低速时钟
void RCC_LSICmd(FunctionalState NewState);// 配置LSI内部低速时钟
void RCC_RTCCLKConfig(uint32_t RCC_RTCCLKSource);// RTCCLK配置,选择RTCCLK的时钟源
void RCC_RTCCLKCmd(FunctionalState NewState);// 启动RTCCLK

void RTC_ITConfig(uint16_t RTC_IT, FunctionalState NewState);// 配置中断输出
void RTC_EnterConfigMode(void);// 进入配置模式
void RTC_ExitConfigMode(void);// 退出配置模式
uint32_t  RTC_GetCounter(void);// 获取CNT计数器的值  读取时钟
void RTC_SetCounter(uint32_t CounterValue); // 写入CNT计数器的值  设置时间
void RTC_SetPrescaler(uint32_t PrescalerValue);// 写入预分频器(PRL重装寄存器，用来配置预分频器的分频系数)
void RTC_SetAlarm(uint32_t AlarmValue);// 写入闹钟值
uint32_t  RTC_GetDivider(void);// 读取预分频器中的DIV余数寄存器
void RTC_WaitForLastTask(void);// 等待上次操作完成
void RTC_WaitForSynchro(void);// 等待同步
FlagStatus RTC_GetFlagStatus(uint16_t RTC_FLAG);
void RTC_ClearFlag(uint16_t RTC_FLAG);
ITStatus RTC_GetITStatus(uint16_t RTC_IT);
void RTC_ClearITPendingBit(uint16_t RTC_IT);

4、程序编写：

c 复制代码 
// myRTC.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include <time.h>

uint16_t MyRTC_Time[] = {2023, 1, 1, 23, 59, 55};

void MyRTC_SetTime(void);

void MyRTC_Init(void)
{
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_BKP, ENABLE);
    
    PWR_BackupAccessCmd(ENABLE); // 电源控制寄存器(PWR_CR) 的 DBP 位来使能对后备寄存器和 RTC 的访问
    // 如果BKP 寄存器被清0，说明备用电池断电，才需要初始化RTC，重新设置时间
    if (BKP_ReadBackupRegister(BKP_DR1) != 0xA5A5)  
    {
        RCC_LSEConfig(RCC_LSE_ON);  // 配置LSE外部低速时钟
        while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_LSERDY) != SET);// 等待标志位
        
        RCC_RTCCLKConfig(RCC_RTCCLKSource_LSE);// 选择RTCCLK时钟源
        RCC_RTCCLKCmd(ENABLE);  // 使能RTC时钟
        
        RTC_WaitForSynchro();  // 等待同步
        RTC_WaitForLastTask(); // 等待上一次操作完成
        //
        RTC_SetPrescaler(32768 - 1); // 配置预分频器；LSE频率：32768HZ，得到1HZ：32768/(32768-1)
        RTC_WaitForLastTask();  // 等待上一次操作完成
        
        MyRTC_SetTime();
        // 将A5A5写入到BKP寄存器中，备用电源断电才会被清0，确保在有备用电源供电的情况下只初始化一次
        BKP_WriteBackupRegister(BKP_DR1, 0xA5A5); 
    }
    else  // 写入BKP寄存器的数据未被清0
    {
        RTC_WaitForSynchro(); // 等待同步
        RTC_WaitForLastTask();// 等待操作完成
    }
}

//如果LSE无法起振导致程序卡死在初始化函数中
//可将初始化函数替换为下述代码，使用LSI当作RTCCLK
//LSI无法由备用电源供电，故主电源掉电时，RTC走时会暂停
/* 
void MyRTC_Init(void)
{
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_BKP, ENABLE);
    
    PWR_BackupAccessCmd(ENABLE);
    
    if (BKP_ReadBackupRegister(BKP_DR1) != 0xA5A5)
    {
        RCC_LSICmd(ENABLE);
        while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_LSIRDY) != SET);
        
        RCC_RTCCLKConfig(RCC_RTCCLKSource_LSI);
        RCC_RTCCLKCmd(ENABLE);
        
        RTC_WaitForSynchro();
        RTC_WaitForLastTask();
        
        RTC_SetPrescaler(40000 - 1);
        RTC_WaitForLastTask();
        
        MyRTC_SetTime();
        
        BKP_WriteBackupRegister(BKP_DR1, 0xA5A5);
    }
    else
    {
        RCC_LSICmd(ENABLE);
        while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_LSIRDY) != SET);
        
        RCC_RTCCLKConfig(RCC_RTCCLKSource_LSI);
        RCC_RTCCLKCmd(ENABLE);
        
        RTC_WaitForSynchro();
        RTC_WaitForLastTask();
    }
}*/

void MyRTC_SetTime(void)
{
    time_t time_cnt;
    struct tm time_date;
    // 将时间填入struct tm结构体
    time_date.tm_year = MyRTC_Time[0] - 1900;
    time_date.tm_mon = MyRTC_Time[1] - 1;
    time_date.tm_mday = MyRTC_Time[2];
    time_date.tm_hour = MyRTC_Time[3];
    time_date.tm_min = MyRTC_Time[4];
    time_date.tm_sec = MyRTC_Time[5];
    
    time_cnt = mktime(&time_date) - 8 * 60 * 60;   // 日期时间转换成秒计数器
    
    RTC_SetCounter(time_cnt);  // 把指定的秒数写入RTC的CNT寄存器
    RTC_WaitForLastTask();     // 等待操作完成 
}

void MyRTC_ReadTime(void)
{
    time_t time_cnt;
    struct tm time_date;
    
    time_cnt = RTC_GetCounter() + 8 * 60 * 60;  // 读取CNT寄存器中的秒数存储到time_cnt  转换为东八区（+8h）
    
    time_date = *localtime(&time_cnt);// 将秒数转成日期时间
    
    MyRTC_Time[0] = time_date.tm_year + 1900;
    MyRTC_Time[1] = time_date.tm_mon + 1;
    MyRTC_Time[2] = time_date.tm_mday;
    MyRTC_Time[3] = time_date.tm_hour;
    MyRTC_Time[4] = time_date.tm_min;
    MyRTC_Time[5] = time_date.tm_sec;
}
//myRTC.h
#ifndef __MYRTC_H
#define __MYRTC_H

extern uint16_t MyRTC_Time[];

void MyRTC_Init(void);
void MyRTC_SetTime(void);
void MyRTC_ReadTime(void);

#endif
//main.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "MyRTC.h"

int main(void)
{
    OLED_Init();
    MyRTC_Init();
    
    OLED_ShowString(1, 1, "Date:XXXX-XX-XX");
    OLED_ShowString(2, 1, "Time:XX:XX:XX");
    OLED_ShowString(3, 1, "CNT :");
    OLED_ShowString(4, 1, "DIV :");
    
    while (1)
    {
        MyRTC_ReadTime();  // 读取RTC时间
        
        OLED_ShowNum(1, 6, MyRTC_Time[0], 4);
        OLED_ShowNum(1, 11, MyRTC_Time[1], 2);
        OLED_ShowNum(1, 14, MyRTC_Time[2], 2);
        OLED_ShowNum(2, 6, MyRTC_Time[3], 2);
        OLED_ShowNum(2, 9, MyRTC_Time[4], 2);
        OLED_ShowNum(2, 12, MyRTC_Time[5], 2);
        
        OLED_ShowNum(3, 6, RTC_GetCounter(), 10);
//        OLED_ShowNum(4, 6, RTC_GetDivider(), 10);// 从32767减到0 为1s
        // 32767-0 为1000ms 线性转换成0-999 1000ms
        OLED_ShowNum(4, 6, (32767-RTC_GetDivider()) / 32767.0 * 999, 10);// 从32767减到0 为1s
    }
}

5、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，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
  • 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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