STM32学习笔记（十二）丨RTC实时时钟

​  本次课程采用单片机型号为STM32F103C8T6。
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  往期笔记链接：
  STM32学习笔记（一）丨建立工程丨GPIO 通用输入输出
  STM32学习笔记（二）丨STM32程序调试丨OLED的使用
  STM32学习笔记（三）丨中断系统丨EXTI外部中断
  STM32学习笔记（四）丨TIM定时器及其应用（定时中断、内外时钟源选择）
  STM32学习笔记（五）丨TIM定时器及其应用（输出比较丨PWM驱动呼吸灯、舵机、直流电机）
  STM32学习笔记（六）丨TIM定时器及其应用（输入捕获丨测量PWM波形的频率和占空比）
  STM32学习笔记（七）丨TIM定时器及其应用（编码器接口丨用定时器实现编码器测速）
  STM32学习笔记（八）丨ADC模数转换器（ADC单、双通道转换）
  STM32学习笔记（九）丨DMA直接存储器存取（DMA数据转运、DMA+AD多通道转换）
  STM32学习笔记（十）丨I2C通信（使用I2C实现MPU6050和STM32之间通信）
  STM32学习笔记（十一）丨SPI通信（W25Q64芯片简介，使用SPI读写W25Q64存储器芯片）

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一、计算机底层计时系统——时间戳

1.1 时间戳简介

  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。

• 时间戳存储在一个秒计数器中，秒计数器为32位/64位的整型变量。

  2038年危机：由于之前的Unix系统采用一个32位的有符号数来计时，这个计时系统最大的计时时间会在2038年的1月19日溢出，这可能会让一部分不健全的计算机程序崩溃。STM32的32位秒计数器是一个无符号的计数器，在2106年才会溢出。

• 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。

  可以看到，用时间戳来计时的方法是很简单粗暴的一种计时方法，但是计算机底层通过时间戳来计时，有以下几点好处：

1. 硬件电路设计简单：设计RTC时，只需要一个很大的秒计数器即可，不需要年月日、大月小月、平年闰年等寄存器来记录。
2. 计算时间间隔时很方便。
3. 存储方便，只需要一个变量。

  当然，使用时间戳计数器来计时也有一定的缺陷，例如在将秒数转化为我们熟知的时间格式的时候，需要进行复杂的计算，比较占用软件资源。

1.2 GMT/UTC

• GMT（Greenwich Mean Time）格林尼治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。但是由于地球自转一周的时间实际上是不固定的，它是越来越慢的，所以这种计时系统已经不再适用于现代科学和社会的发展。

• 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。Unix时间戳不考虑闰秒，所以每产生一个闰秒，国家授时中心的标准时间和时间戳的标准时间就会产生一秒的偏差。

1.3 C语言和time.h库

​  在一系列函数中，最复杂的函数是struct tm* localtime(const time*);和time_t mktime(struct tm*);，这两个函数也是STM32的RTC编程中需要掌握的函数，所以需要重点掌握，其他的了解即可。
​  struct tm* localtime(const time_t*)函数的参数是一个静态的指针变量，如果不特殊指定为32位计时系统，就默认为64位的计时系统，所以可以认为time_t就是一个64位的int类型的变量。这个函数的返回值是一个结构体指针，在这个结构体中存放一些时间信息，可以供用户方便的查看。time_t mktime(struct tm*)函数也是同理。

二、STM32的BKP和RTC时钟

2.1 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

• TAMPER引脚产生的侵入事件将所有备份寄存器内容清除
• RTC引脚输出RTC校准时钟（外部设备测量这个输出时钟，可以对内部RTC微小的误差进行校准）、RTC闹钟脉冲或者秒脉冲（可以输出，为别的设备提供时钟）
• 存储RTC时钟校准寄存器
• 用户数据存储容量：20字节（中容量和小容量）/ 84字节（大容量和互联型）

​  下图展示了BKP的基本结构，橙色部分为后备区域。BKP是后备区域中的一部分电路，后备区域中还有RTC的相关电路。STM32F103C8T6的VBAT，TAMPER，RTC三个功能复用在了同一个引脚上，所以这三个功能在同一时间只能使用一个。

2.2 RTC（Real Time Clock）实时时钟

2.2.1 RTC简介

• 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（分频系数可以为1到$2^{20}$），可适配不同频率的输入时钟
• 可选择三种RTC时钟源：
  • HSE（高速外部时钟）时钟除以128（通常为8MHz/128）
  • LSE（低速外部时钟）振荡器时钟（通常为32.768KHz），只有这一路的时钟可以由VBAT供电，所以如果要实现掉电自动走时的功能，必须使用这一路时钟
  • LSI（低速内部时钟）振荡器时钟（40KHz）

时钟信号选择32.768kHz的原因：

1. 32.768kHz对于晶振或振荡器的，在硬件设计或者工业生产时可能会有一些便利，使这一频率的晶振或振荡器稳定性高，益于生产；
2. 32768恰好为2的15次方，如果要产生一个1Hz的信号供RTC计时，可以简单地设计一个15位的计数器，让其不断计时，它的自然溢出频率就是1Hz，不用额外设计计数器的目标值存储寄存器，也不用把计数值和目标值不断作比较，对于芯片内部的电路设计非常友好。

2.2.2 RTC的内部结构及工作原理

​  上图展示了RTC的内部框图和工作原理。灰色的部分为后备区域，在主电源断电时可以由VBAT供电继续工作。RTC_DIV余数寄存器是一个自减计数器。自建到0后，在下一个上升沿到来时产生溢出信号，并江RTC_PRL中的值装载进来继续自减。
​  RTC电路可以产生三个中断信号：

• RTC_Second秒中断：每秒产生一个中断信号。
• RTC_Overflow溢出中断：这个中断会在2106年触发一次。
• RTC_Alarm闹钟中断：该中断可以让STM32从待机模式中唤醒，并且执行一个中断服务函数。这可以实现让STM32在一些环境恶劣的地方工作，在节约电量的前提下自动执行定时采集数据的功能。
  
  ​  实际设计的硬件电路及推荐电路如下图所示：
  

2.2.3 RTC操作及注意事项

• 依次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（需要同时开启PWR和BKP的时钟，RTC才能正常使用，RTC并没有单独开启时钟的函数）
  • 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（RTC等待同步）：由于PCLK1的时钟频率36MHz远大于RTCCLK，有可能在上电开启时，RTC的寄存器还没有更新到APB1总线上，这时将发生读取错误（读取到的值为0）。实际使用时调用一个RTC等待同步的库函数即可。
• 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（库函数中已经包含）
• 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（调用一个等待的库 函数即可）

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