STM32 BKP备份寄存器&RTC实时时钟

STM32 BKP备份寄存器&RTC实时时钟

BKP简介

PC13-TAMPER-RTC，PC13，TAMPER，RTC3个功能共用一个引脚。所以这3个功能同一时间，只能使用一个。

• BKP（Backup Registers）备份寄存器，BKP就是一些存储器，可以存储自定义的数据。

• BKP可用于存储用户应用程序数据。当VDD（系统的主电源 2.0~3.6V）电源被切断，他们仍然由VBAT(V Battery 备用电池供电引脚)（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。

  • 如果要使用STM32内部的BKP和RTC，这个VBAT引脚就必须接备用电池，用来维持BKP和RTC，在VDD主电源掉电后的供电。这里备用电池只有一根正极的供电引脚，接电池时，电池正极接到VBAT，电池负极和主电源的负极接在一起，共地，就行了。
  • VBAT的作用就是，当VDD断电时，BKP会切换到VBAT供电，这样可以继续维持BKP里面的数据，如果VDD断电，VBAT也没电，那BKP里的数据就会清零，因为BKP本质上是RAM存储器，没有掉电不丢失的能力。

• TAMPER引脚产生的侵入事件将所有备份寄存器内容清除。

  • TAMPER引脚，是一个安全保障设计，比如如果做一个安全系数非常高的设备，设备需要有防拆功能，然后BKP里也存储了一些敏感数据，这些数据不能被别人窃取或者篡改，就可以使用TAMPER引脚的侵入检测功能，设计电路时，TAMPER引脚可以先加一个默认的上拉或者下拉电阻，然后引一根线，到设备外壳的防拆开关或触点，别人一拆开你的设备，触发开关，就会在TAMPER引脚产生上升沿或者下降沿，这样STM32就检测到侵入事件了，这时BKP的数据会自动清零，并且申请中断。在中断中，可以继续保护设备，比如清除其他存储器数据，然后设备锁死，来保障设备的安全。
  • 主电源断电后，侵入检测仍然有效。即使设备关机也能防拆。

• RTC引脚输出RTC校准时钟、RTC闹钟脉冲或者秒脉冲

  • 外部用设备测量RTC校准时钟，可以对内部RTC微小的误差进行校准。
  • 闹钟脉冲或者秒脉冲，可以输出出来，为别的设备提供这些信号。

• 存储RTC时钟校准寄存器，可以配合校准时钟输出的功能，结合一些测量方法，对RTC进行校准。

• 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）
  • BKP的容量其实非常小，一般只能用来存储少量参数。

BKP基本结构

• BKP处于后备区域，但后备区域还有RTC的相关电路。STM32的后备区域，当VDD主电源掉电时，后备区域仍然可以由VBAT的备用电池供电，当VDD主电源上电时，后备区域供电会由VBAT切换到VDD，也就是主电源有电时，VBAT不会用到，这样可以节省电池电量。
• BKP里主要有数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器和RTC时钟校准寄存器这些东西。其中数据寄存器是主要部分，用来存储数据。每个寄存器都是16位的，也就是一个数据寄存器可以存2个字节。
  • 对于中容量和小容量的设备，里面有DR1，DR2一直到DR10，总共10个数据寄存器，一个寄存器存两个字节，所以容量是20个字节。
  • 对于大容量和互联型设备，里面除了DR1到DR10，还有DR11、DR12一直到DR42，总共42个数据寄存器，容量是84个字节。
• BKP的一些功能
  • 侵入检测，可以从PC13位置的TAMPER引脚引入一个检测信号，当TAMPER产生上升沿或者下降沿时，清除BKP所有的内容，以保证安全。
  • 时钟输出，可以把RTC的相关时钟，从PC13位置的RTC引脚输出出去，供外部使用。其中输出校准时钟时，再配合这个校准寄存器，可以对RTC的误差进行校准。

RTC简介

• RTC（Real Time Clock）实时时钟

• RTC是一个独立的定时器，可为系统提供时钟和日历的功能，一般指提供年月日时分秒这种日期时间信息的计时装置。

• 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

  • 在读取时间时，我们先得到这个秒数，然后使用time.h模块里的localtime函数，就能立刻知道年月日时分秒的信息了。
  • 在写入时间时，我们先填充年月日时分秒信息到struct tm结构体，然后用mktime函数，得到秒数，再写入到这个32位计数器即可。

• 20位的可编程预分频器，可适配不同频率的输入时钟

  • 32位的秒计数器，显然要1秒自增一次，所以驱动计数器的时钟，需要是一个1HZ的信号，但是实际提供给RTC模块的时钟，也就是RTCCLK，一般频率都比较高，所以显然，需要在输入时钟和秒计数器之间加一个分频器，给RTCCLK降频，保证分频器输出给计数器的频率为1HZ。
  • 为了适配各种频率的RTCCLK，这里就加了一个20位的分频器，可以选择对输入时钟进行1~2²⁰这么大范围的分频，这样就可以适配不同频率的输入时钟。

• 可选择三种RTC时钟源：高速时钟一般供内部程序运行和主要外设使用；低速时钟，一般供RTC、看门狗这些东西使用。

  • HSE时钟除以128（通常为8MHz/128）高速外部时钟信号
    • 外部高速晶振，一般都用的8MHZ，8MHZ进来，通过128分频，可以产生RTCCLK信号。由于8MHZ的主晶振太快了，如果不提前分频，直接给RTCCLK，后续即使再通过RTC的20位分频器，也分不到1HZ这么低的频率。所以8MHZ,提前进行128分频，后续20位的分频器，再进行一个适当的分频，就可以输出1HZ的信号给计数器了。
  • LSE振荡器时钟（通常为32.768KHz）最常用 低速外部时钟信号 RTC电路中，基本都是清一色的32.768KHZ的晶振。
    • 外部低速晶振，这个晶振产生的时钟，可以直接提供给RTCCLK，这个OSC32的晶振，是内部RTC的专用时钟，通常跟RTC有关的晶振，频率就是32.768KHZ。32768正好是2¹⁵，所以32.768KHZ，经过一个15位分频器的自然溢出，就能很方便的得到1HZ的频率。自然溢出的意思就是设计一个15位的计数器，这个计数器不用设置一个计数目标，直接从0计到最大值，就是计到32767，计满后自然溢出，这个溢出信号就是1HZ。自然溢出的好处就是不用再额外设计一个计数目标了，也不用比较，计数器是否达到目标值，可以简化电路设计。
  • LSI振荡器时钟（40KHz）低速内部时钟信号
    • 内部低速RC振荡器，固定是40KHZ，后续再经过40K的分频，就能得到1HZ的计数时钟了。内部的RC振荡器，一般精度没有外部晶振高。

一般都是使用LSE振荡器时钟，外部32.768KHZ的晶振，提供RTCCLK的时钟。

• 32.768KHZ的晶振，本身就是专供RTC使用的。
  • 其他两个时钟都有各自的任务，HSE时钟主要作为系统主时钟；LSI振荡器时钟，主要作为看门狗时钟。它们只是顺带可以备选当作RTC的时钟。
  • 只有LSE振荡器时钟，可以通过VBAT备用电池供电，HSE时钟和LSI振荡器时钟在主电源断电后是停止运行的，所以要想实现RTC主电源掉电继续走时的功能，必须得选择LSE振荡器时钟（RTC的专用时钟）。如果选择的是HSE时钟或者LSI振荡器时钟，主电源断电后，时钟就暂停了。这显然会导致走时出错。

RTC框图

• 图中有灰色填充的部分，都处于后备区域，这些电路在主电源掉电之后，可以使用备用电池维持工作。
• 分频和计数计时部分，输入时钟是RTCCLK，RTCCLK的来源需要在RCC里进行配置，可以选择HSE时钟除以128、LSE振荡器时钟、LSI振荡器时钟作为时钟源。RTCCLK首先经过RTC预分频器进行分频，这个预分频器由两个寄存器组成：重装载寄存器RTC_PRL和余数寄存器RTC_DIV。但实际上这两个寄存器和之前定时器时基单元中的计数器CNT和重装载ARR是同样的作用。
  • 分频器其实就是一个计数器，记几个数溢出一次，就是几分频。所以对于可编程的分频器来说，需要有两个寄存器，一个寄存器用来不断地计数，另一个寄存器，我们写入一个计数目标值，用来配置是几分频。
    • PRL就是计数目标，写入6，就是7分频，写入9，就是10分频，因为计数值包含了0，所以重装值写入几，就是几+1分频。
    • DIV就是每来一个时钟计一个数的用途了，这个DIV计数器其实是一个自减计数器，每来一个输入时钟，DIV的值就自减一次，自减到0时，再来一个输入时钟，DIV输出一个脉冲，产生溢出信号，同时DIV从PRL获取重装值，回到重装值继续自减。

举个例子，比如RTCCLK，输入时钟是32.768KHZ，即32768HZ，为了分频之后得到1HZ，PRL就要给32767，这个数值始终不变，DIV可以保持初始值为0。在第一个输入时钟到来时，DIV就立刻溢出，产生溢出信号给后续电路，同时，DIV变为重装值32767，然后第二个输入时钟，DIV自减为32766，第三个时钟变为32765，之后，来一个输入时钟自减一次，直到变为0。然后再来一个输入时钟，就会产生一个溢出信号，同时DIV回到32767。依次往复循环。这样，就是每来32768个输入脉冲，计数器溢出一次，产生一个输出脉冲，这就是32768分频，分频后输出的时钟频率是1HZ，提供给后续的秒计数器。

• 32位可编程计数器RTC_CNT,就是计时最核心的部分，可以把这个计数器看作是Unix时间戳的秒计数器，再借助time.h的函数，就可以很方便地得到年月日时分秒了。
• 闹钟寄存器RTC_ALR，32位寄存器，我们可以在ALR写一个秒数，设定闹钟，当CNT的值跟ALR设定的闹钟值一样时，闹钟响应，产生RTC_Alarm闹钟信号，通往中断系统，在中断函数中，再执行相应操作。同时，闹钟信号还可以让STM32退出待机模式。

比如设计一个数据采集设备，需要在环境非常恶劣的地方工作，像海底、高原、深井这些地方，要求每天中午12点采集一次环境数据，其他时间，为了节省电量，避免频繁换电池，芯片都必须处于待机模式。这样，我们就可以用RTC自带的闹钟功能，定一个中午12点的闹钟，闹钟一响，芯片唤醒，采集数据，完成后，继续待机。另外，这个闹钟值是一个定值，只能响一次，如果想实现周期性的闹钟，那在每次闹钟响之后，都需要再重新设置一下下一个闹钟的时间。

• 中断，有3个信号可以触发中断。最后三个信号通过一个或门，汇聚到NVIC中断控制器。
  • RTC_Second 秒中断，它的来源，就是CNT的输入时钟，如果开启这个中断，那么程序每秒就会进一次RTC中断。
  • RTC_Overflow 溢出中断，它的来源，是CNT的右边，意思就是CNT的32位计数器记满溢出了，会触发一次中断，所以这个中断一般不会触发。（这个CNT定义是无符号数，到2106年才会溢出）
  • RTC_Alarm 闹钟中断，当计数器和闹钟值相等时，触发中断，同时，闹钟信号可以把设备从待机模式唤醒。
• APB1总线和APB1接口，就是程序读写寄存器的地方了，读写寄存器，可以通过APB1总线来完成。
• WKUP(Weak Up)引脚，可以唤醒设备。

RTC基本结构

• RTCCLK时钟来源，需要在RCC里配置，3个时钟选择一个作为RTCCLK的时钟源。
  • HSE/128 外部高速时钟
  • LSE 外部低速时钟
  • LSI 内部低速时钟
• RTCCLK先通过预分频器对时钟进行分频，分频之后得到1HZ的秒计数信号，通向32位计数器，1秒自增1次。
  • 余数寄存器是一个自减计数器，存储当前的计数值
  • 重装计数器是计数目标，决定分频值
• 32位闹钟值，可以设定闹钟。
• 有3个信号可以触发中断，3个信号先通过中断输出控制，进行中断使能，使能的中断才能通向NVIC，然后向CPU申请中断
  • 秒信号
  • 计数器溢出信号
  • 闹钟信号

在程序中

• 配置数据选择器，可以选择时钟来源
• 配置重装寄存器，可以选择分频系数
• 配置32位计数器，可以进行日期时间的读写
• 配置32位闹钟值，可以配置闹钟
• 需要中断的话，先允许中断，再配置NVIC，最后写对应的中断函数

硬件电路

• 备用电池供电部分
  • 简单连接，使用一个3V的电池，负极和系统共地，正极直接引到STM32的VBAT引脚。
    • STM32内部有一个供电开关，当VDD有电时，开关拨到下面，后备电路由VDD供电；当VDD没电时，开关拨到上面，后备电路由VBAT供电。VBAT供电的后备电路有32KHZ振荡器、RTC唤醒电路、后备寄存器。
  • 推荐连接，电池通过二极管D1，向VBAT供电，另外主电源的3.3V，也通过二极管D2，向VBAT供电，最后VBAT再加一个0.1uF的电源滤波电容。
    • 电池和主电源都加一个二极管，防止电流倒灌。如果没有备用电池，就是3V3的主电源供电，如果接了备用电池，3V3没电时，就是备用电池供电。
• 外部低速晶振，两端分别接在OSC32这两个引脚上，然后晶振两端，再分别接一个起振电容到GND。

RTC操作注意事项

• 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
  • 设置PWR_CR的DBP，使能对BKP和RTC的访问

正常的外设，第一步开启时钟就可以使用，但是BKP和RTC这两个外设，首先要设置RCC_APB1ENR，这个实际上就是开启APB1外设的时钟，要同时开启PWR和BKP的时钟，对于RTC来说，并没有单独开启时钟的选项。然后，还要设置PWR_CR的DBP位，来使能对BKP和RTC的访问，这个调用PWR的函数，开启一下即可。

总结一下就是，如果你要使用BKP或者RTC，都要先执行这两步：

• 第一步，开启PWR和BKP的时钟
• 第二步，使用PWR，使能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
  • 这一步对应代码中的一个库函数，就是RTC等待同步，一般在刚上电的时候调用一下这个函数就可以。
    • 由于PCLK1在主电源掉电时会停止，所以为了保证RTC主电源掉电正常工作，RTC里的寄存器都是在RTCCLK的同步下变更的，当我们用PCLK1驱动总线，去读取RTCCLK驱动的寄存器时，就会有一个时钟不同步的问题，RTC寄存器，只有在RTCCLK的上升沿更新，但是PCLK1的频率为36MHZ，远大于RTCCLK的频率32.768KHZ，如果我们在APB1刚开启时，就立刻读取RTC寄存器，有可能RTC寄存器还没有更新到APB1总线上，这样我们读到的值就是错误的。所以这就要求我们在APB1总线刚开启时，要等一下RTCCLK，只要RTCCLK来一个上升沿，RTC把它的寄存器的值同步到APB1总线上，这样之后读取的值就没问题了。
• 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
  • 就是RTC会有一个进入配置模式的标志位，把这一位置1，才能设置时间，其实在库函数中，每个写寄存器的函数，都自动帮我们加上了这个操作，所以我们就不用单独调用代码，进入配置模式了。
• 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
  • 其实还是因为，PCLK1和RTCCLK时钟频率不一样，用PCLK1的频率写入之后，这个值还不能立刻更新到RTC的寄存器里，因为RTC寄存器是由RTCCLK驱动的，所以PCLK1写完之后，得等待一下RTCCLK的时钟，RTCCLK来一个上升沿，值更新到RTC寄存器里，整个写入过程才算结束