2024-09-24 10:45阅读: 75评论: 0推荐: 0

第26章 RTC-实时时钟

第二十六章 RTC-实时时钟

1. RTC实时时钟简介

STM32的RTC外设（Real Time Clock），实质是一个掉电后还继续运行的定时器。从定时器的角度来说，相对于通用定时器TIM外设，它十分简单，只有很纯粹的计时和触发中断的功能；但从掉电还继续运行的角度来说，它却是STM32中唯一一个具有如此强大功能的外设。所以RTC外设的复杂之处并不在于它的定时功能，而在于它掉电还继续运行的特性。

以上所说的掉电，是指主电源V_{DD断开的情况，为了RTC外设掉电继续运行，必须接上锂电池给STM32的RTC、备份发卡通过V_{BAT引脚供电。当主电源V_{DD有效时，由V_{DD给RTC外设供电；而当V_{DD掉电后，由V_{BAT给RTC外设供电。但无论由什么电源供电，RTC中的数据都保存在属于RTC的备份域中，若主电源V_{DD和V_{BAT都掉电，那么备份域中保存的所有数据将丢失。备份域除了RTC模块的寄存器，还有42个16位的寄存器可以在V_{DD掉电的情况下保存用户程序的数据，系统复位或电源复位时，这些数据也不会被复位。}}}}}}}}}

从RTC的定时器特性来说，它是一个32位的计数器，只能向上计数。它使用的时钟源有三种，分别为高速外部时钟的128分频（HSE/128）、低速内部时钟LSI以及低速外部时钟LSE；使HSE分频时钟或LSI的话，在主电源V_{DD掉电的情况下，这两个时钟来源都会受到影响，因此没法保证RTC正常工作。因此RTC一般使用低速外部时钟LSE，在设计中，频率通常为实时时钟模块中常用的32.768KHz，这是因为32768 = 2的15次方，分频容易实现，所以它被广泛应用到RTC模块。在主电源VDD有效的情况下(待机)， RTC还可以配置闹钟事件使STM32退出待机模式。}

2. RTC外设框图剖析

框图中浅灰色的部分都是属于备份域的，在V_{DD掉电时可在V_{BAT的驱动下继续运行。这部分仅包括RTC的分频器，计数器，和闹钟控制器。若V_{DD电源有效，RTC可以触发RTC_Second(秒中断)、 RTC_Overflow(溢出事件)和RTC_Alarm(闹钟中断)。从结构图可以分析到，其中的定时器溢出事件无法被配置为中断。若STM32原本处于待机状态，可由闹钟事件或WKUP事件(外部唤醒事件，属于EXTI模块，不属于RTC)使它退出待机模式。闹钟事件是在计数器RTC_CNT的值等于闹钟寄存器RTC_ALR的值时触发的。}}}

在备份域中所有寄存器都是16位的， RTC控制相关的寄存器也不例外。它的计数器RTC_CNT的32位由RTC_CNTL和RTC_CNTH两个寄存器组成，分别保存定时计数值的低16位和高16位。在配置RTC模块的时钟时，通常把输入的32768Hz的RTCCLK进行32768分频得到实际驱动计数器的时钟 TR_CLK =RTCCLK/32768= 1 Hz，计时周期为1秒，计时器在TR_CLK的驱动下计数，即每秒计数器RTC_CNT的值加1。

由于备份域的存在，使得RTC核具有了完全独立于APB1接口的特性，也因此对RTC寄存器的访问要遵守一定的规则。

系统复位后，默认禁止访问后备寄存器和RTC，防止对后备区域(BKP)的意外写操作。执行以下操作使能对后备寄存器和RTC的访问：

(1) 设置RCC_APB1ENR寄存器的PWREN和BKPEN位来使能电源和后备接口时钟。

(2) 设置PWR_CR寄存器的DBP位使能对后备寄存器和RTC的访问。

设置后备寄存器为可访问后，在第一次通过APB1接口访问RTC时，因为时钟频率的差异，所以必须等待APB1与RTC外设同步，确保被读取出来的RTC寄存器值是正确的。若在同步之后，一直没有关闭APB1的RTC外设接口，就不需要再次同步了。

如果内核要对RTC寄存器进行任何的写操作，在内核发出写指令后，RTC模块在3个RTCCLK时钟之后，才开始正式的写RTC寄存器操作。由于RTCCLK的频率比内核主频低得多，所以每次操作后必须要检查RTC关闭操作标志位RTOFF，当这个标志被置1时，写操作才正式完成。

3. UNIX时间戳

在使用RTC外设前，还需要引入UNIX时间戳的概念。

如果从现在起，把计数器RTC_CNT的计数值置0，然后每秒加1， RTC_CNT什么时候会溢出呢？由于RTC_CNT是32位寄存器，可存储的最大值为(2^32-1)，即这样计时的话，在232秒后溢出，即它将在今后的136年时溢出：

N = 2^32/365/24/60/60 ≈136年

假如某个时刻读取到计数器的数值为X = 60x60x24x2，即两天时间的秒数，而假设又知道计数器是在2011年1月1日的0时0分0秒置0的，那么就可以根据计数器的这个相对时间数值，计算得这个X时刻是2011年1月3日的0时0分0秒了。而计数器则会在(2011+136)年左右溢出，也就是说到了（2011+136）年时，如果我们还在使用这个计数器提供时间的话就会出现问题。在这个例子中，定时器被置0的这个时间被称为计时元年，相对计时元年经过的秒数称为时间戳，也就是计数器中的值。

大多数操作系统都是利用时间戳和计时元年来计算当前时间的，而这个时间戳和计时元年大家都取了同一个标准——UNIX时间戳和UNIX计时元年。 UNIX计时元年被设置为格林威治时间1970年1月1日0时0分0秒，大概是为了纪念UNIX的诞生的时代吧，而UNIX时间戳即为当前时间相对于UNIX计时元年经过的秒数。因为unix时间戳主要用来表示当前时间或者和电脑有关的日志时间（如文件创立时间，log发生时间等），考虑到所有电脑文件不可能在1970年前创立，所以用unix时间戳很少用来表示1970前的时间。

在这个计时系统中，使用的是有符号的32位整型变量来保存UNIX时间戳的，即实际可用计数位数比我们上面例子中的少了一位，少了这一位，UNIX计时元年也相对提前了，这个计时方法在2038年1月19日03时14分07秒将会发生溢出，这个时间离我们并不远。由于UNIX时间戳被广泛应用到各种系统中，溢出可能会导致系统发生严重错误，届时，很可能会重演一次“千年虫”的问题，所以在设计预期寿命较长的设备需要注意。

4. 与RTC控制相关的库函数

4.1 等待时钟同步和操作完成

RTC区域的时钟比APB时钟慢，访问前需要进行时钟同步，只要调用库函数RTC_WaitForSynchro即可，而如果修改了RTC的寄存器，又需要调用RTC_WaitForLastTask函数确保数据已写入

// 等待RTC寄存器与APB时钟同步 (RTC_CNT, RTC_ALR and RTC_PRL)
// 在APB时钟复位或停止后，在对RTC寄存器的任何操作前，必须调用本函数
void RTC_WaitForSynchro(void)
{
    // 清除 RSF 寄存器位 
    RTC->CRL &= (uint16_t)~RTC_FLAG_RSF;
    // 等待至 RSF 寄存器位为SET 
    while ((RTC->CRL & RTC_FLAG_RSF) == (uint16_t)RESET) {
    }
}
//  等待上一次对 RTC寄存器的操作完成
// 修改RTC寄存器后，必须调用本函数
void RTC_WaitForLastTask(void)
{
    // 等待至 RTOFF 寄存器位为SET
    while ((RTC->CRL & RTC_FLAG_RTOFF) == (uint16_t)RESET) {
    }
}

这两个库函数主要通过while循环检测RTC控制寄存器的RSF和RTOFF位实现等待功能。

4.2 使能备份域及RTC配置

默认情况下，RTC所属的备份域禁止访问，可使用库函数PWR_BackupAccessCmd使能访问

// 使能对 RTC 和 backup 寄存器的访问.
void PWR_BackupAccessCmd(FunctionalState NewState)
{
    *(__IO uint32_t *) CR_DBP_BB = (uint32_t)NewState;
}

该函数通过PWR_CR寄存器的DBP位使能访问，使能后才可以访问RTC相关的寄存器，然而若希望修改RTC的寄存器，还需要进一步使能RTC控制寄存器的CNF位使能寄存器配置

// 进入 RTC 配置模式
void RTC_EnterConfigMode(void)
{
    // 设置 CNF 位进入配置模式 
    RTC->CRL |= RTC_CRL_CNF;
}
// 退出 RTC 配置模式 .
void RTC_ExitConfigMode(void)
{
    /* 清空  CNF 位退出配置模式 */
    RTC->CRL &= (uint16_t)~((uint16_t)RTC_CRL_CNF);
}

这两个库函数分别提供了进入和退出RTC寄存器的配置模式，一般情况下它们由库函数调用。

4.3 设置RTC时钟分频

使用RCC相关的库函数选择RTC使用的时钟后，可以使用库RTC_SetPrescaler进行分频，一般会把RTC时钟分频得到1Hz的时钟

// 设置RTC分频配置
void RTC_SetPrescaler(uint32_t PrescalerValue) // 函数参数：分频值
{
    RTC_EnterConfigMode();
    // 设置 RTC 分频值的 MSB
    RTC->PRLH = (PrescalerValue & PRLH_MSB_MASK) >> 16;
    // 设置 RTC 分频值的 LSB 
    RTC->PRLL = (PrescalerValue & RTC_LSB_MASK);
    RTC_ExitConfigMode();
}

在函数中，使用RTC_EnterConfigMode和RTC_ExitConfigMode进入和退出RTC寄存器配置模式，配置时把函数参数PrescalerValue写入到RTC的PRLH和PRLL寄存器中。

4.4 设置、获取RTC计数器及闹钟

RTC外设中最重要的就是计数器以及闹钟寄存器了，它们可以使用RTC_SetCounter、 RTC_GetCounter以及RTC_SetAlarm库函数操作

// 设置 RTC 计数器的值 .
void RTC_SetCounter(uint32_t CounterValue) // 函数参数：要设置的RTC计数器值
{
    RTC_EnterConfigMode();
    // 设置 RTC 计数器的 MSB  
    RTC->CNTH = CounterValue >> 16;
    // 设置 RTC 计数器的 LSB  
    RTC->CNTL = (CounterValue & RTC_LSB_MASK);
    RTC_ExitConfigMode();
}
// 获取 RTC 计数器的值 .
uint32_t RTC_GetCounter(void)
{
    uint16_t tmp = 0;
    tmp = RTC->CNTL;
    return (((uint32_t)RTC->CNTH << 16 ) | tmp) ;
}
// 设置 RTC 闹钟的值 
void RTC_SetAlarm(uint32_t AlarmValue) // 函数参数：要设置的RTC闹钟值
{
    RTC_EnterConfigMode();
    // 设置 RTC 闹钟的 MSB  
    RTC->ALRH = AlarmValue >> 16;
    // 设置 RTC 闹钟的 LSB  
    RTC->ALRL = (AlarmValue & RTC_LSB_MASK);
    RTC_ExitConfigMode();
}

利用RTC_SetCounter可以向RTC的计数器写入新数值，通常这些数值被设置为时间戳以更新时间。

RTC_GetCounter函数则用于在RTC正常运行时获取当前计数器的值以获取当前时间。

RTC_SetAlarm函数用于配置闹钟时间，当计数器的值与闹钟寄存器的值相等时，可产生闹钟事件或中断，该事件可以把睡眠、停止和待机模式的STM32芯片唤醒。

5. 简单运用

1. 硬件准备

STM32开发板：确保你有一块带RTC模块的STM32开发板。
电源：RTC通常需要一个外部电池（如CR2032），以便在MCU断电时保持时间。

2. 环境搭建

开发工具：使用STM32CubeIDE或Keil等集成开发环境。
库：确保你已经安装了STM32的标准外设库或HAL库。

3. 配置工程

创建新工程

打开STM32CubeIDE或Keil，创建一个新的STM32项目。
选择你的STM32微控制器型号。

配置时钟

在CubeMX中，打开“Clock Configuration”选项，确保LSE（低速外部晶振）已启用。如果使用内部RC振荡器，也要进行相应配置。

启用RTC

在“Peripherals”列表中找到“RTC”，并将其启用。
配置RTC模式为“Calendar”模式。

4. 编写代码

接下来，我们将编写代码来配置RTC并操作时间和日期。以下是详细的代码分解及其解释。

#include "stm32f10x.h"  // 根据你的具体系列选择相应的头文件

void RCC_Config(void);
void RTC_Config(void);
void RTC_SetTime(uint8_t hours, uint8_t minutes, uint8_t seconds);
void RTC_SetDate(uint8_t day, uint8_t month, uint8_t year);
void RTC_GetTime(uint8_t* hours, uint8_t* minutes, uint8_t* seconds);
void RTC_GetDate(uint8_t* day, uint8_t* month, uint8_t* year);

int main(void) {
    // 初始化时钟和RTC
    RCC_Config();
    RTC_Config();

    // 设置时间和日期
    RTC_SetTime(10, 0, 0);   // 设置时间为10:00:00
    RTC_SetDate(24, 9, 23);  // 设置日期为2023年9月24日

    while (1) {
        uint8_t hours, minutes, seconds;
        uint8_t day, month, year;

        // 获取当前时间和日期
        RTC_GetTime(&hours, &minutes, &seconds);
        RTC_GetDate(&day, &month, &year);

        // 输出时间到串口（假设已经配置好USART）
        printf("%02d:%02d:%02d %02d/%02d/%02d\n", hours, minutes, seconds, day, month, year + 2000);

        // 延时1秒
        for (volatile int i = 0; i < 1000000; i++);
    }
}

void RCC_Config(void) {
    // 使能PWR和BKP时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR | RCC_APB1Periph_BKP, ENABLE);

    // 启动外部低速晶振（LSE）
    RCC_LSEConfig(RCC_LSE_ON);
    while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_LSERDY) == RESET);  // 等待LSE就绪

    // 选择RTC时钟源为LSE
    RCC_RTCCLKConfig(RCC_RTCCLKSource_LSE);  
    RCC_RTCCLKCmd(ENABLE);  // 使能RTC时钟
}

void RTC_Config(void) {
    // 使能备份区访问
    PWR_BackupAccessCmd(ENABLE);  

    // 等待RTC同步
    RTC_WaitForSynchro();          
    
    // RTC初始化
    RTC_InitTypeDef RTC_InitStructure;
    RTC_InitStructure.RTC_HourFormat = RTC_HourFormat_24;  // 设置24小时制
    RTC_InitStructure.RTC_AsynchPrediv = 127;  // 异步预分频
    RTC_InitStructure.RTC_SynchPrediv = 255;    // 同步预分频
    RTC_Init(&RTC_InitStructure);  // 初始化RTC
}

void RTC_SetTime(uint8_t hours, uint8_t minutes, uint8_t seconds) {
    RTC_TimeTypeDef RTC_TimeStructure;
    RTC_TimeStructure.RTC_Hours = hours;
    RTC_TimeStructure.RTC_Minutes = minutes;
    RTC_TimeStructure.RTC_Seconds = seconds;
    RTC_SetTime(RTC_Format_BCD, &RTC_TimeStructure);  // 设置时间
}

void RTC_SetDate(uint8_t day, uint8_t month, uint8_t year) {
    RTC_DateTypeDef RTC_DateStructure;
    RTC_DateStructure.RTC_Day = day;
    RTC_DateStructure.RTC_Month = month;
    RTC_DateStructure.RTC_Year = year;
    RTC_SetDate(RTC_Format_BCD, &RTC_DateStructure);  // 设置日期
}

void RTC_GetTime(uint8_t* hours, uint8_t* minutes, uint8_t* seconds) {
    RTC_TimeTypeDef RTC_TimeStructure;
    RTC_GetTime(RTC_Format_BCD, &RTC_TimeStructure);  // 获取当前时间
    *hours = RTC_TimeStructure.RTC_Hours;
    *minutes = RTC_TimeStructure.RTC_Minutes;
    *seconds = RTC_TimeStructure.RTC_Seconds;
}

void RTC_GetDate(uint8_t* day, uint8_t* month, uint8_t* year) {
    RTC_DateTypeDef RTC_DateStructure;
    RTC_GetDate(RTC_Format_BCD, &RTC_DateStructure);  // 获取当前日期
    *day = RTC_DateStructure.RTC_Day;
    *month = RTC_DateStructure.RTC_Month;
    *year = RTC_DateStructure.RTC_Year;
}

代码详解

头文件引入：

#include "stm32f10x.h"：根据你的具体STM32系列，包含相应的头文件。

函数声明：

声明了多个函数，用于配置时钟、RTC以及设置和获取时间和日期。

主函数：

main()函数中首先调用RCC_Config()和RTC_Config()初始化时钟和RTC。
然后设置时间为10:00:00，日期为2023年9月24日。
进入无限循环，通过调用RTC_GetTime()和RTC_GetDate()获取当前时间和日期并打印。

RCC_Config()：

使能PWR和BKP时钟，配置RTC使用LSE作为时钟源。

RTC_Config()：

使能备份区访问，并初始化RTC。

时间和日期设置函数：

RTC_SetTime()和RTC_SetDate()用于设置RTC的时间和日期。

时间和日期获取函数：

RTC_GetTime()和RTC_GetDate()用于获取当前的时间和日期。

2024.9.24 第一次修订，后期不再维护

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本文作者：hazy1k

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第26章 RTC-实时时钟

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1. RTC实时时钟简介

2. RTC外设框图剖析

3. UNIX时间戳

4. 与RTC控制相关的库函数

4.1 等待时钟同步和操作完成

4.2 使能备份域及RTC配置

4.3 设置RTC时钟分频

4.4 设置、获取RTC计数器及闹钟

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