單片機(jī)定時(shí)器中的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)注意事項(xiàng)

實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）是專(zhuān)用于維持一秒時(shí)基的計(jì)時(shí)器。此外，RTC通常用于在軟件或硬件中跟蹤時(shí)鐘時(shí)間和日歷日期。RTC的許多功能是非常專(zhuān)業(yè)的，是維持高精度和非?？煽康牟僮魉匦璧?。單片機(jī)外部有RTC設(shè)備，可與I2C或SPI總線接口。

一、實(shí)時(shí)時(shí)鐘概述

實(shí)時(shí)時(shí)鐘的基本功能是產(chǎn)生一秒的間隔并保持連續(xù)計(jì)數(shù)。如下圖所示，該時(shí)序圖描述了RTC的基本功能。

還顯示了程序功能A，該功能讀取秒計(jì)數(shù)器并安排事件B在未來(lái)三秒發(fā)生。此操作稱(chēng)為警報(bào)。請(qǐng)注意，秒計(jì)數(shù)器連續(xù)運(yùn)行，并且不會(huì)停止和啟動(dòng)。對(duì)于RTC有兩個(gè)主要要求，分別是準(zhǔn)確性和連續(xù)運(yùn)行。下圖為RTC的常見(jiàn)硬件功能：

RTC通常具有自己的內(nèi)部振蕩器和外部晶體，并可以選擇使用外部頻率基準(zhǔn)。所有時(shí)鐘源均以32768Hz運(yùn)行。外部時(shí)鐘源允許使用非常精確和穩(wěn)定的設(shè)備，例如TCXO（溫度補(bǔ)償晶體振蕩器）。

使用多路復(fù)用器選擇時(shí)鐘源，并將其輸入到預(yù)分頻器中，該預(yù)分頻器將時(shí)鐘分頻為32768（215），以產(chǎn)生一秒的時(shí)鐘。

基本上RTC都具有秒計(jì)數(shù)器，通常為32位或更多。一些RTC具有專(zhuān)門(mén)的計(jì)數(shù)器來(lái)跟蹤一天中的時(shí)間和日歷日期。

沒(méi)有時(shí)間和日期計(jì)數(shù)器的基本RTC為此目的使用軟件。常見(jiàn)的選擇是來(lái)自輸出引腳的1Hz方波。RTC將具有多個(gè)可能的事件來(lái)生成處理器中斷。

RTC通常具有專(zhuān)用的電源引腳，以允許在單片機(jī)的其余部分掉電時(shí)進(jìn)行操作。該電源引腳通常連接到電池或單獨(dú)的電源。

二、RTC精度和頻率補(bǔ)償

RTC的精度取決于32，768Hz時(shí)鐘源。在設(shè)計(jì)良好的晶體振蕩器中，誤差的主要來(lái)源是晶體。外部TCXO可用于高度精確的定時(shí)，或者特殊的頻率補(bǔ)償技術(shù)可用于較便宜的晶體和內(nèi)部振蕩器。晶體誤差的三個(gè)主要來(lái)源：

1.初始電路和晶體容差。

2.晶體隨溫度漂移。

3.晶體老化。

下圖為一些與RTC精度有關(guān)的概念：

該圖上的深藍(lán)色跡線顯示了典型的初始公差以及隨溫度的變化。粉色軌跡僅顯示溫度誤差。補(bǔ)償溫度的關(guān)鍵在于，晶體的行為是眾所周知的，并可以通過(guò)二次方程式進(jìn)行預(yù)測(cè)。如果在制造電路板并且已知溫度之后測(cè)量初始誤差，則可以補(bǔ)償最大的誤差源。

經(jīng)過(guò)仔細(xì)補(bǔ)償后，黃色面積是準(zhǔn)確度的合理目標(biāo)。請(qǐng)記住，一年中1 ppm大約需要30秒。晶體老化難以彌補(bǔ)。幸運(yùn)的是，老化通常每年只有幾ppm。

三、如何更改RTC時(shí)間

目前，有兩種方法可以更改RTC的時(shí)序，作為系統(tǒng)的一部分以補(bǔ)償錯(cuò)誤。如前面所講的，在秒計(jì)數(shù)器的每個(gè)周期內(nèi)，可得到預(yù)分頻器所計(jì)數(shù)的振蕩器周期數(shù)。

前兩秒是通常的32768個(gè)周期。該軟件使用溫度讀數(shù)和初始誤差來(lái)確定振蕩器正在快速運(yùn)行，并且32768個(gè)周期實(shí)際上為0.99990秒。為了補(bǔ)償這個(gè)小誤差，該軟件會(huì)告訴RTC每四秒鐘將預(yù)分頻器的模數(shù)更改為32781，以增加一些時(shí)間。 下圖為預(yù)分頻器計(jì)數(shù)的振蕩器周期：

此技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，從第二秒到第二秒的時(shí)間間隔變化很小。但是，該技術(shù)需要一個(gè)可調(diào)節(jié)的預(yù)分頻器和其他寄存器來(lái)保存特殊的預(yù)分頻計(jì)數(shù)和特殊計(jì)數(shù)應(yīng)用之間的秒數(shù)。

如果RTC沒(méi)有特殊的預(yù)分頻器來(lái)調(diào)整時(shí)序怎么辦？下圖為另一種方法，該方法沒(méi)有預(yù)分頻器：

在這種情況下，框中的數(shù)字是秒計(jì)數(shù)器。顯示的計(jì)數(shù)是100251，后跟100252。軟件一直在連續(xù)計(jì)算調(diào)整并跟蹤RTC秒計(jì)數(shù)。當(dāng)錯(cuò)誤累積到精確的一秒時(shí)，軟件會(huì)增加或減少一秒以調(diào)整累積的錯(cuò)誤。

該技術(shù)的缺點(diǎn)是，在進(jìn)行調(diào)整時(shí)，從秒到秒的變化很大。該技術(shù)具有與任何RTC兼容的優(yōu)勢(shì)。

四、 實(shí)時(shí)時(shí)鐘的安全性

安全性是一個(gè)有趣的要求。在某些應(yīng)用程序中，時(shí)間用于為客戶(hù)計(jì)費(fèi)以使用服務(wù)或消耗資源。關(guān)于防止或檢測(cè)RTC的黑客攻擊，有廣泛的實(shí)踐體系。技術(shù)的范圍從外殼的入侵檢測(cè)到單片機(jī)的特殊功能。

如果單片機(jī)上的RTC具有特殊的寄存器，可以允許軟件永久鎖定關(guān)鍵寄存器。一旦鎖定，就無(wú)法更改它們，并且可以防止它們被黑客入侵或失控。需要注意的是，更改時(shí)間需要完全復(fù)位單片機(jī)。

五、時(shí)間和日期

一些RTC具有硬件計(jì)數(shù)器，可以維護(hù)一天中的時(shí)間和日歷日期。這需要分鐘、小時(shí)、天、月、年的計(jì)數(shù)器，并考慮潤(rùn)年。時(shí)間和日歷日期也可以通過(guò)軟件保存。

一個(gè)突出的例子是time.h文件中C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的函數(shù)。對(duì)于微控制器，該系統(tǒng)可以基于RTC的秒計(jì)數(shù)器。必須編寫(xiě)四個(gè)小的自定義函數(shù)以完全支持time.h庫(kù)。

此處感興趣的一個(gè)函數(shù)由庫(kù)中的time（）函數(shù)調(diào)用，該函數(shù)以從稱(chēng)為“紀(jì)元”的起點(diǎn)開(kāi)始的秒數(shù)返回時(shí)間，通常是1970年1月1日。通常，要讀取的自定義函數(shù)硬件計(jì)時(shí)器名為get_time（）或類(lèi)似的變體。get_time（）所做的所有操作都會(huì)讀取秒計(jì)數(shù)器并返回該值。圖書(shū)館會(huì)做剩下的事情，以秒為單位將此時(shí)間轉(zhuǎn)換為當(dāng)前日期和日期。

以上就是單片機(jī)開(kāi)發(fā)工程師分享的單片機(jī)定時(shí)器中的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）。