STM32中的RTC（实时时钟）详解

前言：为什么需要RTC？

在嵌入式系统中，时间记录是一项基础且关键的功能。想象一下：智能家居设备需要按时间触发开关灯，工业仪表需要记录传感器数据的采集时刻，物联网终端需要同步服务器时间戳......这些场景都离不开实时时钟（RTC）。

STM32的RTC外设本质是一个独立运行的定时器，但与普通定时器相比，它有三个核心优势：

• 独立供电：即使主电源掉电，也能通过备用电池维持运行，确保时间不丢失
• 日历功能：直接支持年/月/日/时/分/秒记录，无需软件额外换算
• 低功耗特性：工作电流极低（仅几微安），配合备用电池可维持数年运行

本文将从硬件原理到软件实战，全面讲解STM32 RTC的工作机制、配置方法和高级应用，帮助大家彻底掌握这一核心外设。

一、RTC核心原理：独立运行的"时间管家"

1.1 RTC的基本概念

RTC（Real-Time Clock）即实时时钟，其核心功能是持续跟踪时间，并提供与时间相关的服务（如日历、闹钟）。与系统时钟（如SYSCLK）相比，RTC的最大特点是：

• 独立于主系统：拥有专属的低功耗时钟源和供电回路
• 掉电不丢失：主电源断开后，由备用电源（VBAT引脚）供电，时间继续运行
• 时间连续性：从断电到重新上电，时间无缝衔接，不会重置

1.2 RTC的硬件组成

STM32的RTC模块主要由以下部分组成（以STM32F103为例）：

• 时钟源：支持3种时钟输入（LSE、LSI、HSE_RTC），其中LSE（外部低速晶振，32.768kHz）是最常用的选择（精度高、功耗低）
• 预分频器：将时钟源分频至1Hz，作为秒计数基准
• 计数器：包括一个32位的秒计数器（RTC_CNT）和两个16位的预分频寄存器（RTC_PRLH/RTC_PRLL）
• 日历寄存器：存储年、月、日、时、分、秒等信息（部分型号需通过计数器换算）
• 闹钟模块：支持设置闹钟时间，当RTC时间与闹钟时间匹配时触发中断或唤醒
• 备份寄存器（BKP）：共10个16位寄存器，用于存储用户数据（如最后一次设置的时间），由VBAT供电，掉电不丢失

1.3 独立供电机制

RTC的独立供电是其核心特性，硬件上通过VBAT引脚实现：

• 正常工作时，主电源（VDD）为系统供电，同时通过内部二极管为VBAT引脚的备用电源充电（如CR2032纽扣电池）
• 当主电源掉电（VDD < VBAT），自动切换到备用电源供电，RTC和BKP寄存器继续工作
• 重新上电后，自动切换回主电源，RTC时间保持连续

硬件设计注意：VBAT引脚需外接备用电源（推荐3V纽扣电池），并串联一个10kΩ限流电阻和0.1μF滤波电容，防止电压波动影响RTC稳定性。

二、RTC时钟源：选择与配置

RTC的精度和稳定性很大程度上取决于时钟源，STM32提供三种可选时钟源：

2.1 时钟源对比

时钟源	频率	精度	功耗	适用场景
LSE（外部）	32.768kHz	高（±20ppm）	低（≈1μA）	对时间精度要求高的场景（推荐）
LSI（内部）	≈40kHz	低（±5%）	中（≈10μA）	无外部晶振，精度要求低的场景
HSE_RTC	HSE分频	高	高	需与主时钟同步的场景

为什么32.768kHz是RTC专用频率？

因为32768 = 2^15，通过15次分频可精确得到1Hz的秒脉冲（32768 / 32768 = 1Hz），无需复杂计算，这是电子时钟的标准频率。

2.2 时钟源配置步骤

以最常用的LSE为例，配置步骤如下：

1. 使能备份域时钟：RTC和BKP属于备份域，需先使能PWR和BKP时钟
2. 解锁备份域：备份域默认锁定，需通过PWR寄存器解锁
3. 启动LSE：使能外部低速晶振，等待稳定
4. 选择RTC时钟源：通过RCC寄存器配置RTC时钟为LSE

代码实现（HAL库）：

// 1. 使能PWR和BKP时钟
__HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_BKP_CLK_ENABLE();

// 2. 解锁备份域（PWR_CR寄存器的DBP位）
HAL_PWR_EnableBkUpAccess();

// 3. 启动LSE并等待稳定
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_LSE;
RCC_OscInitStruct.LSEState = RCC_LSE_ON;
if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
{
  Error_Handler(); // LSE启动失败（可能晶振未接或损坏）
}

// 4. 配置RTC时钟源为LSE
RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInit = {0};
PeriphClkInit.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_RTC;
PeriphClkInit.RTCClockSelection = RCC_RTCCLKSOURCE_LSE;
if (HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&PeriphClkInit) != HAL_OK)
{
  Error_Handler();
}

三、RTC日历功能：从秒计数器到年月日

RTC的核心功能是记录日历时间，但其底层本质是一个32位秒计数器（RTC_CNT），从某个基准时间（如2000年1月1日00:00:00）开始累加秒数。我们需要通过软件将秒数转换为年/月/日/时/分/秒。

3.1 日历时间的表示方法

在STM32中，日历时间通常用结构体表示：

typedef struct
{
  uint8_t Year;   // 年（0-99，代表2000-2099）
  uint8_t Month;  // 月（1-12）
  uint8_t Date;   // 日（1-31）
  uint8_t Hour;   // 时（0-23）
  uint8_t Minute; // 分（0-59）
  uint8_t Second; // 秒（0-59）
  uint8_t WeekDay;// 星期（1-7，1=周一）
} RTC_DateTypeDef;

3.2 秒计数器与日历的转换

（1）从日历到秒数（设置时间）

当用户设置时间（如2023年10月1日12:00:00）时，需转换为秒计数器的值：

1. 计算从基准时间到目标时间的总天数（考虑闰年、每月天数）
2. 总秒数 = 总天数×86400 + 小时×3600 + 分钟×60 + 秒

（2）从秒数到日历（读取时间）

读取RTC_CNT的值后，反向转换为日历：

1. 总天数 = 总秒数 / 86400，剩余秒数 = 总秒数 % 86400
2. 从基准时间开始累加总天数，计算年/月/日
3. 剩余秒数转换为小时/分钟/秒

3.3 闰年与每月天数计算

转换的核心是处理闰年和每月天数，规则如下：

• 闰年判断：能被4整除且不能被100整除，或能被400整除
• 每月天数：1/3/5/7/8/10/12月31天，4/6/9/11月30天，2月平年28天、闰年29天

示例代码（判断闰年）：

static uint8_t IsLeapYear(uint16_t year)
{
  // 年份以2000为基准，实际年份=2000+year
  year += 2000;
  if((year % 4 == 0 && year % 100 != 0) || (year % 400 == 0))
    return 1; // 闰年
  else
    return 0; // 平年
}

示例代码（获取某月天数）：

static uint8_t GetDaysInMonth(uint8_t month, uint8_t isLeapYear)
{
  const uint8_t daysInMonth[] = {31,28,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31};
  if(month == 2 && isLeapYear)
    return 29;
  else
    return daysInMonth[month-1];
}

3.4 HAL库中的日历配置

HAL库封装了日历配置函数，无需手动计算秒数：

// 初始化RTC
RTC_HandleTypeDef hrtc;
hrtc.Instance = RTC;
hrtc.Init.HourFormat = RTC_HOURFORMAT_24; // 24小时制
hrtc.Init.AsynchPrediv = 0x7F; // 异步预分频值（LSE=32768Hz时，0x7F=127）
hrtc.Init.SynchPrediv = 0xFF;  // 同步预分频值（0xFF=255），总分频=128×256=32768
hrtc.Init.OutPut = RTC_OUTPUT_DISABLE;
if (HAL_RTC_Init(&hrtc) != HAL_OK)
{
  Error_Handler();
}

// 设置时间（12:30:00）
RTC_TimeTypeDef sTime = {0};
sTime.Hours = 12;
sTime.Minutes = 30;
sTime.Seconds = 0;
sTime.TimeFormat = RTC_HOURFORMAT12_AM; // 若用24小时制，此参数无效
if (HAL_RTC_SetTime(&hrtc, &sTime, RTC_FORMAT_BIN) != HAL_OK)
{
  Error_Handler();
}

// 设置日期（2023年10月1日，周日）
RTC_DateTypeDef sDate = {0};
sDate.WeekDay = RTC_WEEKDAY_SUNDAY;
sDate.Month = RTC_MONTH_OCTOBER;
sDate.Date = 1;
sDate.Year = 23; // 2023年
if (HAL_RTC_SetDate(&hrtc, &sDate, RTC_FORMAT_BIN) != HAL_OK)
{
  Error_Handler();
}

注意 ：HAL库中AsynchPrediv和SynchPrediv的和需满足：(AsynchPrediv + 1) × (SynchPrediv + 1) = 时钟源频率（LSE=32768时，128×256=32768）。

四、RTC闹钟功能：定时唤醒与中断

RTC的闹钟功能允许设置一个特定时间，当RTC时间与闹钟时间匹配时，触发中断或唤醒信号，适用于定时任务（如每天8点采集数据）或低功耗唤醒。

4.1 闹钟的工作机制

STM32的RTC通常支持1~2个闹钟（如STM32F103有ALRMA和ALRMB），每个闹钟可独立配置：

• 匹配条件：可设置匹配年、月、日、时、分、秒中的部分字段（如仅匹配时/分/秒，实现每天同一时间触发）
• 触发输出：可产生中断（RTC_Alarm_IRQn）或唤醒信号（用于低功耗模式唤醒）

4.2 闹钟配置参数

以ALRMA为例，关键配置参数包括：

• RTC_AlarmTime：闹钟时间（时/分/秒）
• RTC_AlarmDateWeekDay：闹钟日期或星期（若设置为星期，则每周触发）
• RTC_AlarmMask：屏蔽不需要匹配的字段（如屏蔽年/月/日，仅匹配时/分/秒）

4.3 闹钟中断与低功耗唤醒

（1）闹钟中断配置

1. 配置闹钟时间和匹配条件
2. 使能RTC闹钟中断（通过NVIC配置）
3. 在中断服务程序中处理闹钟事件

（2）低功耗唤醒

当系统进入停机模式（Stop Mode）时，RTC闹钟可将其唤醒：

1. 配置闹钟为唤醒源
2. 进入停机模式前使能RTC唤醒功能
3. 闹钟触发时，系统从停机模式唤醒，执行中断服务程序后继续运行

4.4 闹钟配置示例代码

// 配置闹钟A：每天12:30:05触发
void RTC_AlarmConfig(void)
{
  RTC_AlarmTypeDef sAlarm = {0};

  // 禁用闹钟A（配置前需先禁用）
  HAL_RTC_DeactivateAlarm(&hrtc, RTC_ALARM_A);

  // 配置闹钟时间
  sAlarm.AlarmTime.Hours = 12;
  sAlarm.AlarmTime.Minutes = 30;
  sAlarm.AlarmTime.Seconds = 5;
  sAlarm.AlarmTime.TimeFormat = RTC_HOURFORMAT12_AM;

  // 配置日期/星期匹配（此处屏蔽日期，即每天触发）
  sAlarm.AlarmDateWeekDaySel = RTC_ALARMDATEWEEKDAYSEL_DATE;
  sAlarm.AlarmDateWeekDay = 1; // 日期（因屏蔽，实际无效）
  sAlarm.AlarmMask = RTC_ALARMMASK_DATEWEEKDAY; // 屏蔽日期匹配

  // 使能闹钟A
  if (HAL_RTC_SetAlarm_IT(&hrtc, &sAlarm, RTC_FORMAT_BIN) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  // 配置NVIC中断
  HAL_NVIC_SetPriority(RTC_Alarm_IRQn, 0, 0);
  HAL_NVIC_EnableIRQ(RTC_Alarm_IRQn);
}

// 闹钟中断服务程序
void RTC_Alarm_IRQHandler(void)
{
  HAL_RTC_AlarmIRQHandler(&hrtc);
}

// 闹钟回调函数
void HAL_RTC_AlarmAEventCallback(RTC_HandleTypeDef *hrtc)
{
  // 闹钟触发，执行任务（如翻转LED）
  HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
  printf("Alarm triggered!\r\n");
}

关键参数说明 ：RTC_AlarmMask的取值决定匹配精度：

• RTC_ALARMMASK_NONE：完全匹配（年/月/日/时/分/秒）
• RTC_ALARMMASK_DATEWEEKDAY：屏蔽日期，每天同一时间触发
• RTC_ALARMMASK_HOURS：屏蔽日期和小时，每天每分钟匹配秒时触发

五、备份寄存器（BKP）：掉电不丢失的数据存储

RTC模块附带的备份寄存器（BKP）用于存储用户数据，由VBAT供电，主电源掉电后数据不丢失，常见用途包括：

• 存储RTC的基准时间（如最后一次同步的NTP时间）
• 记录设备运行状态（如开机次数、故障码）
• 保存用户配置参数（如闹钟设置）

5.1 BKP的基本特性

• 数量：STM32F103有10个16位寄存器（BKP_DR1~BKP_DR10）
• 访问权限：需先解锁备份域（同RTC）
• 写保护：可通过软件设置写保护，防止误修改

5.2 BKP读写示例

// 写入BKP数据（DR1）
void BKP_WriteData(uint16_t data)
{
  // 解锁备份域（已在RTC初始化时完成）
  // HAL_PWR_EnableBkUpAccess();

  BKP->DR1 = data; // 写入数据到DR1
}

// 读取BKP数据（DR1）
uint16_t BKP_ReadData(void)
{
  return BKP->DR1; // 从DR1读取数据
}

// 应用示例：记录开机次数
void RecordBootCount(void)
{
  uint16_t bootCount = BKP_ReadData();
  bootCount++; // 次数+1
  BKP_WriteData(bootCount); // 保存
  printf("Boot count: %d\r\n", bootCount);
}

注意：BKP寄存器复位后仍保留数据，只有VBAT掉电才会重置，因此适合存储需要长期保存的数据。

六、RTC低功耗设计：延长备用电源寿命

RTC的低功耗特性是其核心优势之一，合理设计可显著延长备用电池寿命（如CR2032电池可支持数年）。

6.1 影响功耗的因素

• 时钟源：LSE（1μA）比LSI（10μA）更省电
• 工作模式：RTC在停机模式下功耗最低
• 外围电路：VBAT引脚的限流电阻和滤波电容会增加漏电，需选择低漏电器件

6.2 低功耗配置技巧

1. 选择LSE时钟源：相比LSI，功耗降低90%
2. 关闭不必要的功能：如未使用闹钟，禁用闹钟模块
3. 优化VBAT电路 ：
   • 限流电阻选择10kΩ（太小增加功耗，太大影响充电）
   • 滤波电容选择0.1μF陶瓷电容（低漏电）
   • 备用电池选择CR2032（容量220mAh，适合长期供电）
4. 进入停机模式：系统空闲时进入停机模式，仅RTC运行

6.3 停机模式与RTC唤醒示例

// 进入停机模式，等待RTC闹钟唤醒
void EnterStopMode(void)
{
  // 配置RTC闹钟为唤醒源（已在闹钟配置中完成）
  
  // 关闭所有不必要的外设时钟
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_DISABLE();
  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_DISABLE();
  // ...（其他外设）

  // 进入停机模式
  HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);

  // 唤醒后重新配置系统时钟（停机模式会关闭主时钟）
  SystemClock_Config();
}

// 主循环中调用
while (1)
{
  // 执行任务...
  
  // 任务完成后进入停机模式，等待闹钟唤醒
  EnterStopMode();
}

唤醒后时钟配置 ：停机模式会关闭PLL和HSE，唤醒后需重新初始化系统时钟（调用SystemClock_Config）。

七、RTC常见问题与解决方案

7.1 时间不准（走时偏快/偏慢）

原因：

• LSE晶振精度不足（劣质晶振或未加负载电容）
• 温度变化导致晶振频率偏移
• 未进行RTC校准

解决方案：

1. 选用高精度32.768kHz晶振（如EPSON、Abracon品牌），并匹配12.5pF负载电容

2. 进行RTC校准：通过RTC的校准寄存器（RTC_CALIBR）微调频率

   // 校准示例：每32秒增加1个脉冲（补偿偏慢）
   RTC->CALIBR = RTC_CALIBR_PLUS | 0x1F;

3. 定期通过NTP或GPS同步时间（联网设备）

7.2 掉电后时间丢失

原因：

• VBAT引脚未接备用电池或电池电量耗尽
• 备份域未解锁，导致RTC配置未保存
• 硬件电路问题（如VBAT引脚短路）

解决方案：

1. 检查VBAT电路：用万用表测量VBAT引脚电压（应为3V左右）
2. 确认初始化时已调用HAL_PWR_EnableBkUpAccess()解锁备份域
3. 检查BKP寄存器数据：若BKP数据也丢失，说明VBAT供电中断

7.3 闹钟不触发

原因：

• 闹钟时间设置错误（如设置为过去的时间）
• 闹钟中断未使能（NVIC配置错误）
• 闹钟掩码设置不当（匹配条件未满足）

解决方案：

1. 读取当前RTC时间，确认闹钟时间在未来
2. 检查NVIC配置：HAL_NVIC_EnableIRQ(RTC_Alarm_IRQn)是否调用
3. 简化闹钟掩码：先测试RTC_ALARMMASK_NONE（完全匹配），再逐步调整

7.4 初始化失败（HAL_RTC_Init返回错误）

原因：

• 备份域未解锁
• LSE启动失败（晶振未接或损坏）
• 时钟源配置错误

解决方案：

1. 确保HAL_PWR_EnableBkUpAccess()在RTC初始化前调用

2. 检查LSE晶振焊接：用示波器测量晶振引脚是否有正弦波（幅度约0.5V峰峰值）

3. 若LSE无法启动，临时改用LSI时钟源排查问题：

   PeriphClkInit.RTCClockSelection = RCC_RTCCLKSOURCE_LSI;

八、RTC实战项目：多功能时钟系统

下面结合前面的知识，实现一个包含日历显示、闹钟提醒和低功耗功能的时钟系统。

8.1 硬件设计

• 主控制器：STM32F103C8T6
• 显示模块：OLED12864（I2C接口）
• 输入模块：4个按键（设置时间、设置闹钟、加、减）
• 电源：USB供电（5V）+ CR2032备用电池（VBAT引脚）
• 指示：LED指示灯（闹钟触发时闪烁）

8.2 软件设计框架

// main.c
int main(void)
{
  // 初始化
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_I2C1_Init(); // OLED初始化
  MX_USART1_UART_Init(); // 调试串口
  MX_RTC_Init(); // RTC初始化
  BKP_Init(); // 备份寄存器初始化

  // 检查是否首次上电（BKP_DR1为0则是首次）
  if (BKP_ReadData() == 0)
  {
    // 首次上电，设置初始时间（2023-10-01 00:00:00）
    RTC_SetTime(0, 0, 0);
    RTC_SetDate(23, 10, 1, RTC_WEEKDAY_SUNDAY);
    BKP_WriteData(1); // 标记为已设置
  }

  // 配置闹钟（每天8:00:00）
  RTC_AlarmConfig(8, 0, 0);

  // 主循环
  while (1)
  {
    // 读取当前时间
    RTC_DateTypeDef date;
    RTC_TimeTypeDef time;
    HAL_RTC_GetTime(&hrtc, &time, RTC_FORMAT_BIN);
    HAL_RTC_GetDate(&hrtc, &date, RTC_FORMAT_BIN);

    // 在OLED上显示
    OLED_DisplayTime(date, time);

    // 按键处理（设置时间/闹钟）
    Key_Process();

    // 无操作时进入低功耗
    if (Key_IdleTime() > 5000) // 5秒无操作
    {
      EnterStopMode();
    }

    HAL_Delay(100);
  }
}

8.3 关键功能模块

（1）OLED显示时间

void OLED_DisplayTime(RTC_DateTypeDef date, RTC_TimeTypeDef time)
{
  char buf[32];
  // 显示日期：2023-10-01 Sun
  sprintf(buf, "20%02d-%02d-%02d ", date.Year, date.Month, date.Date);
  OLED_ShowString(0, 0, buf);
  
  // 显示星期
  const char* weekday[] = {"Mon", "Tue", "Wed", "Thu", "Fri", "Sat", "Sun"};
  OLED_ShowString(80, 0, (char*)weekday[date.WeekDay-1]);
  
  // 显示时间：12:30:05
  sprintf(buf, "%02d:%02d:%02d", time.Hours, time.Minutes, time.Seconds);
  OLED_ShowString(0, 2, buf);
}

（2）按键处理（设置时间）

void Key_Process(void)
{
  if (Key_Pressed(KEY_SET)) // 设置键按下
  {
    // 进入时间设置模式，通过加减键调整
    RTC_EnterSetMode();
  }
}

void RTC_EnterSetMode(void)
{
  // 禁用闹钟，防止设置时触发
  HAL_RTC_DeactivateAlarm(&hrtc, RTC_ALARM_A);
  
  // 循环调整时间（省略具体逻辑，通过按键增减时分秒）
  // ...
  
  // 退出时保存设置
  HAL_RTC_SetTime(&hrtc, &newTime, RTC_FORMAT_BIN);
  HAL_RTC_SetDate(&hrtc, &newDate, RTC_FORMAT_BIN);
  
  // 重新使能闹钟
  RTC_AlarmConfig();
}

九、总结与扩展

RTC作为STM32的核心外设，其独立供电、日历记录和低功耗唤醒功能使其在嵌入式系统中不可或缺。本文从原理到实战，详细讲解了：

• RTC的独立供电机制与硬件设计
• 日历时间的设置与读取（秒计数器与日历转换）
• 闹钟功能的配置与中断处理
• 备份寄存器的掉电数据存储
• 低功耗模式下的RTC唤醒应用

扩展学习：

• RTC校准：深入研究RTC_CALIBR寄存器，实现高精度时间同步
• 多闹钟管理：在支持双闹钟的型号上实现多任务定时（如ALRMA用于每日任务，ALRMB用于每周任务）
• 与NTP服务器同步：通过网络获取标准时间，自动校准RTC（适用于物联网设备）

掌握RTC的使用，不仅能实现基础的时间记录，更能为低功耗系统设计和定时任务调度提供核心支撑，是嵌入式工程师必备技能。

附录：RTC相关寄存器速查表

寄存器	功能	关键位/字段
RTC_CRH	控制寄存器高位	ALRAE（闹钟A使能）、CNF（配置模式）
RTC_CRL	控制寄存器低位	RTOFF（寄存器同步标志）、ALRAF（闹钟A标志）
RTC_PRLH/PRLL	预分频装载寄存器	16位预分频值
RTC_CNT	计数器寄存器	32位秒计数
RTC_ALRH/ALRL	闹钟寄存器	闹钟时间值
BKP_DRx	备份数据寄存器	16位用户数据
RCC_CSR	控制/状态寄存器	LSERDY（LSE就绪标志）
PWR_CR	电源控制寄存器	DBP（备份域访问使能）

（注：具体寄存器定义请参考对应型号的《参考手册》）