STM32 的 RTC（实时时钟）详解

news2024/11/15 6:49:37

目录

一、引言

二、RTC 概述

三、RTC 的工作原理

1.时钟源

2.计数器

3.闹钟功能

4.备份寄存器

四、RTC 寄存器

1.RTC_TR（Time Register，时间寄存器）

2.RTC_DR（Date Register，日期寄存器） 

3.RTC_SSR（Subsecond Register，亚秒寄存器） 

4.RTC_PRER（Prescaler Register，预分频器寄存器） 

5.RTC_CR（Control Register，控制寄存器） 

6.RTC_ISR（Interrupt Status Register，中断状态寄存器） 

7.RTC_BKPxR（Backup Register，备份寄存器）

五、实际应用

1.时间记录

2.定时任务

3.低功耗模式下的时间保持

六、代码实现 

七、总结 

一、引言

        在嵌入式系统中，准确的时间信息往往是至关重要的。STM32 系列微控制器内置的实时时钟（RTC）模块为系统提供了可靠的时间基准。本文将深入探讨 STM32 的 RTC 的功能、工作原理以及在实际应用中的使用方法

二、RTC 概述

RTC 是一种能够独立运行的时钟模块，即使在微控制器进入低功耗模式时也能保持时间的准确性。STM32 的 RTC 具有以下主要特点：

  1. 高精度计时：能够提供准确的时间信息，包括年、月、日、时、分、秒等。
  2. 低功耗运行：在电池供电的系统中，RTC 可以以极低的功耗运行，延长电池寿命。
  3. 闹钟功能：可以设置闹钟，在特定时间触发中断。
  4. 备份寄存器：用于存储关键数据，即使在系统电源关闭时也能保持数据不丢失。

三、RTC 的工作原理

1.时钟源

  • STM32 的 RTC 可以使用外部低速时钟源（LSE）或内部低速时钟源（LSI）。LSE 通常是一个 32.768kHz 的石英晶体振荡器，具有较高的精度。LSI 是一个内部的低功耗 RC 振荡器，精度相对较低，但在没有外部晶体的情况下可以作为备用时钟源。
  • 时钟源经过分频后为 RTC 提供计时脉冲。

2.计数器

  • RTC 包含一个可编程的预分频器和一个 32 位的计数器。预分频器用于将时钟源的频率分频到合适的频率，以满足不同的计时需求。计数器则根据预分频器输出的脉冲进行计数，从而实现时间的累加。
  • 通过读取计数器的值，可以获取当前的时间信息。

3.闹钟功能

  • RTC 可以设置多个闹钟，每个闹钟可以独立配置。闹钟可以基于特定的时间（如小时、分钟、秒）或日期（年、月、日）触发中断。
  • 当闹钟时间到达时，RTC 会产生一个中断信号，通知微控制器进行相应的处理。

4.备份寄存器

  • STM32 的 RTC 具有多个备份寄存器，可以用于存储关键数据。这些寄存器在系统电源关闭时由备用电源（如电池）供电，以确保数据不丢失。
  • 备份寄存器可以用于存储系统配置参数、校准数据等重要信息。

四、RTC 寄存器

1.RTC_TR（Time Register，时间寄存器）

  • 功能：用于存储当前的时间信息，包括小时、分钟、秒等。
  • 位定义：
    • pm：占 1 位，用于表示上午 / 下午（AM/PM）符号，0 表示 AM/24 小时制，1 表示 PM。
    • ht(1:0)：占 2 位，是小时的十位部分。
    • hu(3:0)：占 4 位，是小时的个位部分。
    • mnt(2:0)：占 3 位，为分钟的十位部分。
    • mnu(3:0)：占 4 位，是分钟的个位部分。
    • st(2:0)：占 3 位，代表秒的十位部分。
    • su(3:0)：占 4 位，是秒的个位部分。
  • 操作注意事项：数据是以 BCD 码格式存储的，读取之后需要进行转换才能得到常规的十进制时间数据。在初始化模式下，对该寄存器进行写操作可以设置时间。

2.RTC_DR（Date Register，日期寄存器） 

  • 功能：保存当前的日期信息，包含年、月、日、星期等。
  • 位定义：
    • yt(1:0)：占 2 位，是年份的十位部分。
    • yu(3:0)：占 4 位，为年份的个位部分。
    • wdu(2:0)：占 3 位，表示星期几的个位，000 表示禁止，001 表示星期一，以此类推，111 表示星期日。
    • mt：占 1 位，是月份的十位部分。
    • mu：占 4 位，为月份的个位部分。
    • dt(1:0)：占 2 位，代表日期的十位部分。
    • du(3:0)：占 4 位，是日期的个位部分。
  • 操作要点：同样以 BCD 码格式存储数据，写操作可设置日期。

3.RTC_SSR（Subsecond Register，亚秒寄存器） 

  • 功能：用于记录亚秒值，能够提供更高精度的时间信息，通常用于精确到毫秒或更短时间单位的时间记录。
  • 计算亚秒值：亚秒值的计算需要结合同步预分频器的值。公式为亚秒值 = (prediv_s – ss(15:0)) / (prediv_s + 1)，其中 ss(15:0) 是同步预分频器计数器的值，prediv_s 是同步预分频器的值。

4.RTC_PRER（Prescaler Register，预分频器寄存器） 

  • 组成：由 7 位的异步预分频器 apre 和 15 位的同步预分频器 spre 组成。
  • 功能：对输入的时钟源进行分频，以得到合适的时钟频率用于 RTC 的时间和日期更新。异步预分频器时钟 ck_apre 用于为二进制 RTC_SSR 亚秒递减计数器提供时钟，同步预分频器时钟 ck_spre 用于更新日历。
  • 时钟频率计算：异步预分频器时钟 fck_apre = frtc_clk / (prediv_a + 1)，同步预分频器时钟 fck_spre = frtc_clk / (prediv_s + 1)。为了最大程度降低功耗，一般将异步预分频器配置为较高的值。

5.RTC_CR（Control Register，控制寄存器） 

  • 功能：用于控制 RTC 的各种功能，如开启或关闭 RTC、设置闹钟使能、选择时钟源等。
  • 具体位的作用：不同的位具有不同的功能，例如可能有位用于使能闹钟输出、配置闹钟输出的极性、设置时间戳功能等。

6.RTC_ISR（Interrupt Status Register，中断状态寄存器） 

  • 功能：反映 RTC 的各种中断状态，例如闹钟中断标志位、时间戳中断标志位等。当相应的事件发生时，对应的标志位会被置位，通过读取该寄存器可以判断中断是否发生以及发生的是哪种中断。

7.RTC_BKPxR（Backup Register，备份寄存器）

  • 功能：STM32 的 RTC 有备份寄存器，包括 20 个 32 位寄存器，用于存储用户应用数据。这些寄存器在备份域中实现，可在 VDD 电源关闭时通过 VBAT 保持上电状态。备份寄存器不会在系统复位或电源复位时复位，也不会在器件从待机模式唤醒时复位。它可用于在掉电等情况下保存一些关键数据。

五、实际应用

1.时间记录

  • 在数据采集系统中，RTC 可以用于记录数据的采集时间，以便后续分析和处理。
  • 在日志记录系统中，RTC 可以为每条日志记录添加时间戳，方便查看和分析系统的运行情况。

2.定时任务

  • 可以使用 RTC 的闹钟功能来实现定时任务，如在特定时间执行特定的操作。例如，在智能家居系统中，可以设置在特定时间打开或关闭电器设备。
  • 在工业自动化系统中，RTC 可以用于定时控制生产过程中的各个环节。

3.低功耗模式下的时间保持

在低功耗应用中，当微控制器进入低功耗模式时，RTC 可以继续运行，保持时间的准确性。当系统从低功耗模式唤醒时，可以通过 RTC 获取当前的时间信息，无需重新初始化时间。

六、代码实现 

以下是一个使用 STM32F429 的 RTC（实时时钟）的代码示例：

#include "stm32f4xx.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"

void RTC_Init(void)
{
    // 使能电源时钟和备份区域时钟
    __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_BKPSRAM_CLK_ENABLE();

    // 允许访问备份寄存器
    HAL_PWR_EnableBkUpAccess();

    // 检查是否已经配置过 RTC
    if ((RCC->BDCR & RCC_BDCR_RTCEN)!= 0)
    {
        // RTC 已经配置过，无需再次初始化
        return;
    }

    // 选择 LSE 作为 RTC 时钟源
    __HAL_RCC_LSEDRIVE_CONFIG(RCC_LSEDRIVE_LOW);
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_LSE;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_NONE;
    if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct)!= HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    // 使能 RTC 时钟
    RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInitStruct = {0};
    PeriphClkInitStruct.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_RTC;
    PeriphClkInitStruct.RTCClockSelection = RCC_RTCCLKSOURCE_LSE;
    if (HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&PeriphClkInitStruct)!= HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    // 初始化 RTC
    RTC_HandleTypeDef hrtc;
    hrtc.Instance = RTC;
    hrtc.Init.HourFormat = RTC_HOURFORMAT_24;
    hrtc.Init.AsynchPrediv = 0x7F;
    hrtc.Init.SynchPrediv = 0xFF;
    hrtc.Init.OutPut = RTC_OUTPUT_DISABLE;
    hrtc.Init.OutPutPolarity = RTC_OUTPUT_POLARITY_HIGH;
    hrtc.Init.OutPutType = RTC_OUTPUT_TYPE_OPENDRAIN;
    if (HAL_RTC_Init(&hrtc)!= HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

void RTC_SetTime(uint8_t hour, uint8_t minute, uint8_t second)
{
    RTC_TimeTypeDef sTime = {0};
    sTime.Hours = hour;
    sTime.Minutes = minute;
    sTime.Seconds = second;
    sTime.DayLightSaving = RTC_DAYLIGHTSAVING_NONE;
    sTime.StoreOperation = RTC_STOREOPERATION_RESET;
    if (HAL_RTC_SetTime(&hrtc, &sTime, RTC_FORMAT_BIN)!= HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

void RTC_SetDate(uint8_t year, uint8_t month, uint8_t day)
{
    RTC_DateTypeDef sDate = {0};
    sDate.Year = year;
    sDate.Month = month;
    sDate.Date = day;
    sDate.WeekDay = RTC_WEEKDAY_MONDAY;
    if (HAL_RTC_SetDate(&hrtc, &sDate, RTC_FORMAT_BIN)!= HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

void RTC_GetTime(uint8_t *hour, uint8_t *minute, uint8_t *second)
{
    RTC_TimeTypeDef sTime;
    if (HAL_RTC_GetTime(&hrtc, &sTime, RTC_FORMAT_BIN)!= HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
    *hour = sTime.Hours;
    *minute = sTime.Minutes;
    *second = sTime.Seconds;
}

void RTC_GetDate(uint8_t *year, uint8_t *month, uint8_t *day)
{
    RTC_DateTypeDef sDate;
    if (HAL_RTC_GetDate(&hrtc, &sDate, RTC_FORMAT_BIN)!= HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
    *year = sDate.Year;
    *month = sDate.Month;
    *day = sDate.Date;
}

void Error_Handler(void)
{
    // 处理错误
    while (1)
    {
    }
}

在主函数中，可以这样调用：

int main(void)
{
    HAL_Init();

    RTC_Init();

    // 设置时间为 12:30:00
    RTC_SetTime(12, 30, 0);

    // 设置日期为 2023 年 9 月 14 日
    RTC_SetDate(23, 9, 14);

    uint8_t hour, minute, second;
    uint8_t year, month, day;

    // 获取时间和日期并打印
    RTC_GetTime(&hour, &minute, &second);
    RTC_GetDate(&year, &month, &day);

    while (1)
    {
    }
}

七、总结 

        STM32 的 RTC 模块为嵌入式系统提供了可靠的时间基准。通过了解 RTC 的工作原理、配置方法和应用场景，开发者可以充分利用 RTC 的功能，为系统添加时间记录、定时任务等功能，提高系统的实用性和可靠性。在使用 RTC 时，需要注意时钟源的选择、时间的初始化和校准以及备份寄存器的使用等问题，以确保 RTC 的正常运行和数据的安全性。

希望本文对大家在使用 STM32 的 RTC 模块时有所帮助。

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