STM32实战总结:HAL之RTC

RTC基础知识参考:

51单片机内部外设:实时时钟(SPI)_路溪非溪的博客-CSDN博客

STM32中的RTC

51单片机通常是外置的RTC芯片如DS1302,那么STM32的RTC是什么情况呢?

STM32芯片自带RTC,因此不须像其他MCU需外接RTC模块。

先读一读单片机的数据手册。

实时时钟是一个独立的定时器。RTC模块拥有一组连续计数的计数器,在相应软件配置下,可提供时钟日历的功能。修改计数器的值可以重新设置系统当前的时间和日期。

RTC模块和时钟配置系统(RCC_BDCR寄存器)处于后备区域,即在系统复位或从待机模式唤醒后,RTC的设置和时间维持不变。 系统复位后,对后备寄存器和RTC的访问被禁止,这是为了防止对后备区域(BKP)的意外写操 作。执行以下操作将使能对后备寄存器和RTC的访问:

● 设置寄存器RCC_APB1ENR的PWREN和BKPEN位,使能电源和后备接口时钟

● 设置寄存器PWR_CR的DBP位,使能对后备寄存器和RTC的访问。

主要特性:

● 可编程的预分频系数:分频系数高为220。
● 32位的可编程计数器,可用于较长时间段的测量。
● 2个分离的时钟:用于APB1接口的PCLK1和RTC时钟(RTC时钟的频率必须小于PCLK1时钟 频率的四分之一以上)。
● 可以选择以下三种RTC的时钟源:
     ● HSE时钟除以128;
     ● LSE振荡器时钟;
     ● LSI振荡器时钟

● 2个独立的复位类型:
     ● APB1接口由系统复位;
     ● RTC核心(预分频器、闹钟、计数器和分频器)只能由后备域复位

● 3个专门的可屏蔽中断:
     ● 1.闹钟中断,用来产生一个软件可编程的闹钟中断。

     ● 2.秒中断,用来产生一个可编程的周期性中断信号(长可达1秒)。

     ● 3.溢出中断,指示内部可编程计数器溢出并回转为0的状态。

RTC时钟源:
三种不同的时钟源可被用来驱动系统时钟(SYSCLK):

● HSI振荡器时钟
● HSE振荡器时钟
● PLL时钟

这些设备有以下2种二级时钟源:

● 40kHz低速内部RC,可以用于驱动独立看门狗和通过程序选择驱动RTC。 RTC用于从停机/待机模式下自动唤醒系统。
● 32.768kHz低速外部晶体也可用来通过程序选择驱动RTC(RTCCLK)。

RTC原理框图

STM32实战总结:HAL之RTC_第1张图片

灰色区域为待机时维持供电区域。

APB1 接口:用来和 APB1 总线相连。

此单元还包含一组 16 位寄存器,可通过 APB1 总线对其进行读写操作。APB1 接口由 APB1 总线时钟驱动,用来与 APB1 总线连接。通过APB1接口可以访问RTC的相关寄存器(预分频值,计数器值,闹钟值)。

RTC 核心接口:由一组可编程计数器组成,分成两个主要模块 。

第一个模块是个RTC预分频器。

在这里插入图片描述

第二个模块是一个 32 位的可编程计数器 (RTC_CNT)可被初始化为当前的系统时间。

STM32实战总结:HAL之RTC_第2张图片

一个 32 位的时钟计数器,按秒钟计算,可以记录4294967296秒,约合136年左右,作为一般应用,这已经是足够了的。

RTC具体流程:
RTCCLK经过RTC_DIV预分频,RTC_PRL设置预分频系数,然后得到TR_CLK时钟信号,我们一般设置其周期为1s,RTC_CNT计数器计数,假如1970设置为时间起点为0s,通过当前时间的秒数计算得到当前的时间。RTC_ALR是设置闹钟时间,RTC_CNT计数到RTC_ALR就会产生计数中断。

RTC_Second为秒中断,用于刷新时间。
RTC_Overflow是溢出中断。
RTC Alarm 控制开关机。

断电后这三个中断不起作用。


RTC时钟选择
使用HSE分频时钟或者LSI的时候,在主电源VDD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。所以RTC一般都时钟低速外部时钟LSE,频率为实时时钟模块中常用的32.768KHz。

为什么其晶振频率是 32.768Khz 呢?因为2的15次方就是32768。在分频15次后就是1Hz,周期为1s。同时这个参数也是工程师总结的,时钟最为准确。

(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)

RTC设备因为其独特的运行方式(即掉电依旧运行)使用HSE分频时钟或者LSI的时候,在主电源VDD掉电的情况下,这两个时钟来源都会受到影响,资源消耗太大,小小的纽扣电池根本吃不消。没法保证RTC正常工作.所以RTC一般都时钟低速外部时钟LSE。

RTC复位过程
除了RTC_PRL、RTC_ALR、RTC_CNT和RTC_DIV寄存器外,所有的系统寄存器都由系统复位或电源复位进行异步复位。
RTC_PRL、RTC_ALR、RTC_CNT和RTC_DIV寄存器仅能通过备份域复位信号复位。系统复位后,禁止访问后备寄存器和RCT,防止对后卫区域(BKP)的意外写操作。

RTC中断
秒中断:
这里时钟自带一个秒中断,每当计数加一的时候就会触发一次秒中断。注意,这里所说的秒中断并非一定是一秒的时间,它是由RTC时钟源和分频值决定的“秒”的时间,当然也是可以做到1秒钟中断一次。我们通过往秒中断里写更新时间的函数来达到时间同步的效果。

闹钟中断:
闹钟中断就是设置一个预设定的值,计数每自加多少次触发一次闹钟中断。

另外要注意的是,RTC的后备区域是没有日期寄存器的。所以,在断电重启后,日期不会更新,只有时间是最新的。那么,怎么能获取到最新的日期呢?

第一种办法是使用更高级的单片机,比如F4系列,就自带了日期寄存器。

STM32实战总结:HAL之RTC_第3张图片

另外一种办法就是通过计数器来硬算。计算量很大。

实际中可根据情况来选择最适合的方式。

硬件电路

RTC时钟:

STM32实战总结:HAL之RTC_第4张图片

后备电池模块

STM32实战总结:HAL之RTC_第5张图片

MX配置

开启RTC

STM32实战总结:HAL之RTC_第6张图片

开启LSE

STM32实战总结:HAL之RTC_第7张图片

STM32实战总结:HAL之RTC_第8张图片

生成代码即可。

这里不需要中断,包括秒中断、溢出中断、闹钟中断。

其他场景根据需要自行选择。

关于日期无法更新的问题

F1的RTC中,日期是无法在断电时保持更新的,因为没有日期寄存器。

那么,日期是咋来的?

而且,我在RTC框图中就看到了计数器,那么,年月日时分秒到底是咋来的?

难道要获取计数值后自己硬算吗?

通过查找资料,关于F1的RTC时间实现,进行如下记录。

首先,了解时间戳的概念。

其他领域不太清楚,在计算机领域,时间戳是指格林威治时间1970年01月01日00时00分00秒(北京时间1970年01月01日08时00分00秒)起至现在的总秒数。貌似还有其他的标准起始点,但不管是哪种标准起始点,只要有个标准起始点即可。

通常,计算特定的时间就是根据时间戳来转换的,比如,当时间戳是7200,表示自格林威治时间1970年01月01日00时00分00秒(北京时间1970年01月01日08时00分00秒)起至现在已经过了7200秒,那么此时的时间就是北京时间1970年01月01日10时00分00秒。其他更多的时间戳换算同理。如果需要格式化则处理对应的格式即可。

在STM32中,只有一个32位的计数器,又因为预分频后的周期通常都是1秒,所以计数器里的数,实际上就是一种时间戳。

不像更高级的STM32单片机,比如STM32F4就有专用的时间寄存器和日期寄存器。

STM32实战总结:HAL之RTC_第9张图片

而F1系列只有一个计数器。

按照我的理解,通过时间戳直接计算出年月日和时分秒应该是可以的,不过应该是过程非常复杂,里面涉及到各种闰月闰年,日期28/29等,所以,HAL库中(不知道标准库是不是)是将日历和时间分开来实现的。

首先要知道,计数器里存的是时间戳。在HAL库中,只将时间部分的时间戳存在了计数器寄存器中,而日历部分的时间处理是存在了一个结构体中。

STM32CubeMX生成的HAL库中RTC函数中,HAL_RTC_SetDate 日期设置函数只是将日期保存至hrtc结构体变量中,HAL_RTC_GetDate 日期获取函数也是直接从hrt结构体变量中获取日期数据。这种情况下,系统重启后数据丢失,日期会被重置。

STM32CubeMX生成的HAL库中RTC函数中,HAL_RTC_SetTime 时间设置函数是将时间转换为时间戳保存到计数器中,HAL_RTC_GetTime 时间获取函数则是将计数器的数值转换为时间。计数器在断电后能够依靠外部电池供电继续计时,所以掉电后,时间依然能够正常走时。但是,在时间戳与时间的换算处理中,会自动将时间戳转换为24H内的时间,所以并不能记录所走时长的天数。比如当时间计数值超过了一天,软件处理中会将继续增长的计数值换算成从0开始的时间。

那么,怎么实现日期的更新呢?

对于实现RTC掉电复位后更新日期现在使用比较广的是如下两种方式。

第一种:

使用备份寄存器,把日期信息存储在备份寄存器中,因为RTC模块属于后备区域,所以备份寄存器中的信息在复位后也是维持不变的。在下次上电后读取寄存器数据就可以知道日期了。但这个方式也有一种缺陷,日期虽然写在了备份寄存器中,但是这个部分没有计数,寄存器内的日期也无法进行更新。

第二种:

就是将日期和时间一起换算为时间戳保存在计数器中。

此时,需要自己写函数来实现日期和时间的设置以及读取,无法再使用HAL库自带的函数。实现过程较为复杂。此处不赘述,需要可自行查阅相关资料。

有些集成的时间芯片,可以直接通过接口读年月日时分秒,那是因为芯片内部已经把计数器的计数值进行了处理。并将年月日的值分别存放在了特定的存储单元,这时直接读取就可以了。 就比如开头链接中讲的DS1302,通过SPI接口去读芯片中的相应寄存器,直接得到年月日时分秒。

相关函数

/* RTC Time and Date functions ************************************************/
/** @addtogroup RTC_Exported_Functions_Group2
  * @{
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_RTC_SetTime(RTC_HandleTypeDef *hrtc, RTC_TimeTypeDef *sTime, uint32_t Format);
HAL_StatusTypeDef HAL_RTC_GetTime(RTC_HandleTypeDef *hrtc, RTC_TimeTypeDef *sTime, uint32_t Format);
HAL_StatusTypeDef HAL_RTC_SetDate(RTC_HandleTypeDef *hrtc, RTC_DateTypeDef *sDate, uint32_t Format);
HAL_StatusTypeDef HAL_RTC_GetDate(RTC_HandleTypeDef *hrtc, RTC_DateTypeDef *sDate, uint32_t Format);
/**
  * @}
  */

/* RTC Alarm functions ********************************************************/
/** @addtogroup RTC_Exported_Functions_Group3
  * @{
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_RTC_SetAlarm(RTC_HandleTypeDef *hrtc, RTC_AlarmTypeDef *sAlarm, uint32_t Format);
HAL_StatusTypeDef HAL_RTC_SetAlarm_IT(RTC_HandleTypeDef *hrtc, RTC_AlarmTypeDef *sAlarm, uint32_t Format);
HAL_StatusTypeDef HAL_RTC_DeactivateAlarm(RTC_HandleTypeDef *hrtc, uint32_t Alarm);
HAL_StatusTypeDef HAL_RTC_GetAlarm(RTC_HandleTypeDef *hrtc, RTC_AlarmTypeDef *sAlarm, uint32_t Alarm, uint32_t Format);
void              HAL_RTC_AlarmIRQHandler(RTC_HandleTypeDef *hrtc);
HAL_StatusTypeDef HAL_RTC_PollForAlarmAEvent(RTC_HandleTypeDef *hrtc, uint32_t Timeout);
void              HAL_RTC_AlarmAEventCallback(RTC_HandleTypeDef *hrtc);
/**
  * @}
  */

数据格式通常有BCD码和二进制码格式,可根据需要选择。

另外,还有可能用到备份区域的读写函数,因为备份区域断电后数据依然保存,所以可以将某些关键信息(比如日历)存入。

/** @addtogroup RTCEx_Exported_Functions_Group3
  * @{
  */
void              HAL_RTCEx_BKUPWrite(RTC_HandleTypeDef *hrtc, uint32_t BackupRegister, uint32_t Data);
uint32_t          HAL_RTCEx_BKUPRead(RTC_HandleTypeDef *hrtc, uint32_t BackupRegister);

里面的参数啥意思?

第二个参数:

第三个参数:要存入的数据

关键代码

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "MyApplication.h"

/* Private define-------------------------------------------------------------*/

/* Private variables----------------------------------------------------------*/
RTC_TimeTypeDef RTC_TimeStruct_CurrentValue; //RTC当前时间
RTC_DateTypeDef RTC_DateStruct_CurrentValue; //RTC当前日期

uint8_t *Week_Str[7] = 
{
	(uint8_t*)"日",
	(uint8_t*)"一", 
	(uint8_t*)"二", 
	(uint8_t*)"三", 
	(uint8_t*)"四", 
	(uint8_t*)"五", 
	(uint8_t*)"六"
};
	
/* Private function prototypes------------------------------------------------*/  
static void Calendar_Set(void);  //设置日历
static void Calendar_Get(void);  //获取日历
static void Calendar_Show(void); //显示日历

static uint8_t Input_RTC_SetValue(uint8_t); //输入RTC设置值
static void    RTC_Time_Set(void);          //RTC时间设置
static void    RTC_Date_Set(void);          //RTC日期设置

/* Public variables-----------------------------------------------------------*/
MyRTC_t MyRTC = 
{
	TRUE,
	
	&RTC_TimeStruct_CurrentValue,
	&RTC_DateStruct_CurrentValue,
	
	Calendar_Set,
	Calendar_Get,
	Calendar_Show
};

/*
	* @name   Calendar_Set
	* @brief  设置日历
	* @param  None
	* @retval None      
*/
static void Calendar_Set()
{	
	//上电复位时,读取RTC备份寄存器1的数据,如果为0x1688,则不需要通过串口重新设置日期与时间
	if(HAL_RTCEx_BKUPRead(&hrtc,RTC_BKP_DR1) != 0x1688)
	{
		printf("^_^^_^开始设置RTC的日期与时间^_^^_^\r\n\r\n");
		
		RTC_Date_Set(); //设置日期
		RTC_Time_Set(); //设置时间
		
		HAL_RTCEx_BKUPWrite(&hrtc,RTC_BKP_DR1,0x1688);	
	}
	else
	{
		printf("^_^^_^RTC的日期与时间已设置!^_^^_^\r\n\r\n");
		printf("重新设置的方法如下:\r\n");
		printf("方法一:长按触摸按键2s以上;\r\n");
		printf("方法二:系统断电,同时拔掉RTC电池。\r\n\r\n");
	}
}

/*
	* @name   Calendar_Get
	* @brief  显示日历
	* @param  None
	* @retval None      
*/
static void Calendar_Get()
{
	//获取当前时间
	HAL_RTC_GetTime(&hrtc,MyRTC.pRTC_TimeStruct,RTC_FORMAT_BIN);
	//获取当前日期
	HAL_RTC_GetDate(&hrtc,MyRTC.pRTC_DateStruct,RTC_FORMAT_BIN);
}

/*
	* @name   Calendar_Show
	* @brief  显示日历
	* @param  None
	* @retval None      
*/
static void Calendar_Show()
{
	//串口打印日期
	printf("当前时间为: %02u年%02d月%02d日(星期%s)  ", 2000+MyRTC.pRTC_DateStruct->Year,MyRTC.pRTC_DateStruct->Month,MyRTC.pRTC_DateStruct->Date,Week_Str[MyRTC.pRTC_DateStruct->WeekDay]);
	//串口打印时间
	printf("%02u:%02u:%02u\r\n",MyRTC.pRTC_TimeStruct->Hours,MyRTC.pRTC_TimeStruct->Minutes,MyRTC.pRTC_TimeStruct->Seconds);
	
	//数码管显示时间
	Display.Disp_HEX(Disp_NUM_6,MyRTC.pRTC_TimeStruct->Hours/10,Disp_DP_OFF);
	Display.Disp_HEX(Disp_NUM_5,MyRTC.pRTC_TimeStruct->Hours%10,Disp_DP_ON);
	
	Display.Disp_HEX(Disp_NUM_4,MyRTC.pRTC_TimeStruct->Minutes/10,Disp_DP_OFF);
	Display.Disp_HEX(Disp_NUM_3,MyRTC.pRTC_TimeStruct->Minutes%10,Disp_DP_ON);
	
	Display.Disp_HEX(Disp_NUM_2,MyRTC.pRTC_TimeStruct->Seconds/10,Disp_DP_OFF);
	Display.Disp_HEX(Disp_NUM_1,MyRTC.pRTC_TimeStruct->Seconds%10,Disp_DP_OFF);
}

/*
	* @name   Input_RTC_SetValue
	* @brief  输入RTC设置值
	* @param  MAX_Value -> 输入最大值
	* @retval SetValue  -> 返回输入字符对应的数值     
*/
static uint8_t Input_RTC_SetValue(uint8_t MAX_Value)
{
	uint8_t SetValue = 0;  //返回值
	uint8_t Value_Arr[2] = {0};
	uint8_t Index = 0;
	
	//以等待方式从串口接收2个有效字符
	while(Index < 2)
	{
		//等待接收串口数据
		Value_Arr[Index++] = getchar();
		//校验字符有效性
		if((Value_Arr[Index -1] < '0') || (Value_Arr[Index -1] > '9'))
		{
			printf("请输入 0 到 9 之间的数字 -->:\n");
			Index--;
		}
	}
	
	//接收到的2个字符转化为数值
	SetValue = (Value_Arr[0] - '0')*10 + (Value_Arr[1] - '0');
	
	//校验数值有效行
	if(SetValue > MAX_Value)
	{
		printf("请输入 0 到 %d 之间的数字\n", MAX_Value);
		SetValue = 0xFF; //SetValue设置为无效数据
	}
	
	//返回数据
	return SetValue;
}

/*
	* @name   RTC_Date_Set
	* @brief  RTC日期设置
	* @param  None
	* @retval None  
*/
static void RTC_Date_Set()
{
  RTC_DateTypeDef RTC_DateStruct_SetValue;
	uint8_t SetValue;
	
	printf("=========================日期设置==================\n");
	printf("请输入年份(00-99): 20\n");
	SetValue = 0xFF;
	while (SetValue == 0xFF)
	{
		SetValue = Input_RTC_SetValue(99);
	}
	printf("年份被设置为:  20%02u\n", SetValue);
	RTC_DateStruct_SetValue.Year = SetValue;
	
	printf("请输入月份(01-12):  \n");
	SetValue = 0xFF;
	while (SetValue == 0xFF)
	{
		SetValue = Input_RTC_SetValue(12);
		
		if(SetValue == 0x00)
		{
			printf("月份不能设置为0,请重新输入月份:\r\n");
			SetValue = 0xFF;
		}
	}
	printf("月份被设置为:  %02u\n", SetValue);
	RTC_DateStruct_SetValue.Month = SetValue;
	
	printf("请输入日期(01-31):  \n");
	SetValue = 0xFF;
	while (SetValue == 0xFF)
	{
		SetValue = Input_RTC_SetValue(31);
		
		if(SetValue == 0x00)
		{
			printf("日期不能设置为0,请重新输入日期:\r\n");	
			SetValue = 0xFF;
		}
	}
	printf("日期被设置为:  %02u\r\n", SetValue);
	RTC_DateStruct_SetValue.Date = SetValue;
	//设置日期
	HAL_RTC_SetDate(&hrtc,&RTC_DateStruct_SetValue,RTC_FORMAT_BIN);
}

/*
	* @name   RTC_Time_Set
	* @brief  RTC时间设置
	* @param  None
	* @retval None  
*/
static void RTC_Time_Set()
{
	RTC_TimeTypeDef RTC_TimeStruct_SetValue;
	uint8_t SetValue;
	
	printf("=========================时间设置==================\n");
	printf("请输入时钟(00-23):  \n");
	SetValue = 0xFF;
	while (SetValue == 0xFF)
	{
		SetValue = Input_RTC_SetValue(23);
	}
	printf("时钟被设置为:  %02u\n", SetValue);
	RTC_TimeStruct_SetValue.Hours = SetValue;
	
	printf("请输入分钟(00-59):  \n");
	SetValue = 0xFF;
	while (SetValue == 0xFF)
	{
		SetValue = Input_RTC_SetValue(59);
	}
	printf("分钟被设置为:  %02u\n", SetValue);
	RTC_TimeStruct_SetValue.Minutes = SetValue;
	
	printf("请输入秒钟(00-59):  \n");
	SetValue = 0xFF;
	while (SetValue == 0xFF)
	{
		SetValue = Input_RTC_SetValue(59);
	}
	printf("秒钟被设置为:  %02u\n", SetValue);
	RTC_TimeStruct_SetValue.Seconds = SetValue;
	//设置时间
	HAL_RTC_SetTime(&hrtc,&RTC_TimeStruct_SetValue,RTC_FORMAT_BIN);
}
/********************************************************
  End Of File
********************************************************/

更直观的代码

void User_Init(void)
{
    RTC_TimeTypeDef startTime = {0};
    startTime.Hours = 0x21U;
    startTime.Minutes = 0x0U;
    startTime.Seconds = 0x0U;
    HAL_RTC_SetTime(&hrtc, &startTime, RTC_FORMAT_BCD);   
}

void Co_Run(void)
{      
    
    RTC_TimeTypeDef realTime = {0};
    
    HAL_RTC_GetTime(&hrtc, &realTime, RTC_FORMAT_BCD);
    printf("%x:%x:%x",realTime.Hours, realTime.Minutes, realTime.Seconds);
    printf("\r\n");
    HAL_Delay(1000);
}

注意,如果输入是BCD码,就要直接输入BCD码;

输出的时候,直接以十六进制输出,得到的就是BCD码结果。

关于BCD码,具体见:

51单片机内部外设:实时时钟(SPI)_spi时钟_路溪非溪的博客-CSDN博客

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