RTC学习笔记

一 RTC 概述

       1.定义：

              RTC的英文全称是Real-Time Clock,翻译过来是实时时钟芯片。

RTC芯片是一种能提供日历/时钟（世纪、年、月、时、分、秒）及数据存储等功能的专用集成电路。

2.应用

       A．跟踪日期和时间。

       B．报警、闹钟、看门狗、高精度的校准寄存器。

C．在待机状态下，作为逻辑电路的主时钟。

D．信号时钟源和参数设置存储电路。

       3.应用领域

              A．适合于一切需要微功耗及准确计时的场合。

              B．嵌入式领域：手机、数码相机、MP3、MP4、电子词典等

              C．电器仪表：电视机、复费率电表、高精度时钟、可编程时间控制器等。

              D．通信工程、电气自动化、工业控制等自动化程度高的领域中的无人值守环境。      4.特点：计时准确、耗电低、体积小、价格便宜。

二 RTC 发展历史

1.早期RTC产品

早期RTC产品实质是一个带有计算机通讯口的分频器。它通过对晶振所产生的振荡频率分频和累加，得到年、月、日、时、分、秒等时间信息并通过计算机通讯口送入处理器处理。

这一时期RTC的特征如下：在控制口线上为并行口；功耗较大；采用普通CMOS工艺；封装为双列直插式；芯片普遍没有现代RTC所具有的万年历及闰年月自动切换功能，也无法处理2000年问题。现在已经被淘汰。

2.中期RTC产品

在20世纪90年代中期出现了新一代RTC，它采用特殊CMOS工艺；功耗大为降低，典型值约0.5μA以下；供电电压仅为1.4V以下；和计算机通讯口也变为串行方式，出现了诸如三线SIO/四线SPI，部分产品采用2线I2C总线；包封上采用SOP/SSOP封装，体积大为缩小；

功能上：片内智能化程度大幅提高、具有万年历功能，输出控制也变得灵活多样。其中日本RICOH推出的RTC甚至已经出现时基软件调校功能（TTF）及振荡器停振自动检测功能而且芯片的价格极为低廉。目前，这些芯片已被客户大量使用中。

3.最新一代RTC产品

最新一代RTC产品中，除了包含第二代产品所具有的全部功能，更加入了复合功能，如低电压检测，主备用电池切换功能，抗印制板漏电功能，且本身封装更小（高度0.85mm，面积仅为2mm*2mm）。

 

三 RTC硬件结构（以当代RTC产品为例）

1、 晶振

A、 晶振简介

 

晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，晶振是石英振荡器的简称，英文名为Crystal

是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。

       B、 晶振的作用：提供基准频率。

       C 、RTC的晶振

任何实时时钟的核心都是晶振，晶振频率为32768 Hz 。

它为分频计数器提供精确的与低功耗的实基信号。它可以用于产生秒、分、时、日等信息。为了确保时钟长期的准确性，晶振必须正常工作，不能够收到干扰。

       RTC的晶振又分为：外部晶振和内置晶振。

       D、RTC的晶振频率为什么是32768Hz？

           ① RTC时间是以振荡频率来计算的。故它不是一个时间器而是一个计数器。而一般的计数器都是16位的。又因为时间的准确性很重要，故震荡次数越低，时间的准确性越低。所以必定是个高次数。2¹⁵ = 32768 。

        ② 32768 Hz = 2¹⁵  即分频15次后为1Hz，周期 = 1s。

       ③ 经过工程师的经验总结32768 Hz，时钟最准确。

        ④ 规范和统一。

        E、RTC3276832.768KHz实时时钟的作用

               一、是保持时间的准确性

二、是在待机状态下，作为逻辑电路的主时钟（目的是为了节电，基本处于休眠，逻辑电路主要由32.768KHz作为主时钟）。

  2、内置主备用电池自动切换电路：

时刻检测主供电电压，当主供电电压低于设定电压时，自动切换为备用电源供电且备电方式灵活；

  3、停振自动检测电路：

芯片内部有监测电路，一旦晶振停振（即使有再次正常起振起振运行）就在芯片内相应寄存器置位，可供系统判断计时数据的有效性。

4、I2C总线方式：

通过SCL/SDA两根线同CPU通讯，占用口线少，通用性强；

  5、可编程中断

      可由软件设定为定时中断输出，或方波输出（频率可选），电平输出；

  6、内置具有延迟功能的电压检测电路：

      可以用于提示用户电量不足，保证产品的正常运行。

  7、12/24小时制可选，满足多种应用场合；

  8、可自动识别闰年

  9、TTF（时基软件调校 Time Trimming Function ）

 TTF是RTC发展史上具有里程碑意义的技术，从此以晶振为基准的电子钟表，也可以具备类似传统钟表控制摆长以调节精度的功能。原来单纯依赖晶振精度的RTC有了更方便、更高精度的实现方法。下面就这一突破性的技术及生产中的调节方法做些探讨。

TTF是利用吞吐脉冲技术来补偿晶体振荡器的固有偏差而实现高精度时钟输出。利用一套特殊的数字电路增加或减去相当于晶振振荡误差的脉冲，而不改变晶振本身的振荡。在一定的调节时基中，如20S内，调节电路在最后一秒发生作用，校准整个时基。这一校正过程完全是数字化过程，故不会影响晶体负载电容匹配，不影响晶体振荡电阻。调节范围为±189ppm的大调节范围（当采用32.768KHz晶振时），调整后的精度可以达到小于±1.5ppm（1PPM=1百万分之一）。在这一时基调节过程中，调整量的大小，是增还是减，均是通过对一个RTC内部指定寄存器赋值来实现的，也就是通过测算当前所用晶振的频率与理论零误差晶振的差值而得出此次补偿字节的值。同时TTF是一个软件控制的数字调节过程，这就带来了对晶体温度特性进行补偿的可能性；即CPU只需通过感温元件，如热敏电阻经A/D读出环境温度就可算出晶体此时的温度偏差，从而计算出补偿值而写入RICOH RTC中进行温度补偿，达到TCXO振荡器效果。

充分利用TTF功能做到每一个RTC系统的高精度，应完全补偿生产中每一个RTC及晶振所构成系统的不同偏差，就必需对每一个RTC写入针对性的补偿值。但这在工厂进行大规模生产时，会产生效率过低的问题，对此我们设计了一套适合规模化生产的自动化系统：在生产中快速测量系统中RICOH RTC芯片的TTF值（精度调校值），并通过I2C总线，写入非易失存储器，而且可以利用RICOH RTC芯片输出秒脉冲来检验RTC走时精度。

 以RICOH 的TTF技术为代表的新一代RTC，已经采用全新的思维，特殊的技术以几乎不增加成本的方式，将普通晶振的RTC计时精度提高到一个很高的水平。目前，这一新型的RTC已在国内许多行业中迅速应用起来。

 

四 RTC的软件控制

RTC一般通过设置其特殊功能寄存器来实现相应的寄存器功能。

    

寄存器英文名称	寄存器中文名称	地址
32K 实时时钟配置寄存器	P_CLK_32K_CONF	0x88210114
RTC 时钟配置寄存器	P_RTC_CLK_CONF	0x88210088
RTC 秒寄存器	P_RTC_TIME_SEC	0x88166000
RTC 分寄存器	P_RTC_TIME_MIN	0x88166004
RTC 时寄存器	P_RTC_TIME_HOUR	0x88166008
RTC 秒报警寄存器	P_RTC_ALM_SEC	0x8816600C
RTC 分报警寄存器	P_RTC_ALM_MIN	0x88166010
RTC 时报警寄存器	P_RTC_ALM_HOUR	0x88166014
RTC 控制寄存器	P_RTC_MODE_CTRL	0x88166018
RTC 中断状态寄存器	P_RTC_INT_STATUS	0x8816601C

 

 基本操作：

当需要使用RTC 模块时，需要按照下面流程初始化，如图 4.18 所示：首先需要配置RTC 模块，然后使能32768Hz 实时时钟，当需要采用计时系统时，初始化时间；当需要定时时，初始化定时；当只需要半秒、秒等中断时，不用初始化时间，默认为0 时0 分0 秒，然后使能中断及使能RTC 模块，初始化流程结束。

 

 

 

 

 

五RTC的主要性能指标有:

　　1.控制方式:二线制,三线制,四线制.

　　2.晶振:分内置晶振和外置晶振.

　　3.耗流,时间微调范围,时间精度以及是否有TTF功能.

4.几个中断输出

5.是否支持12/24小时制可选。

6.抗干扰性能。

7.主备用电池自动切换和低电压检测功能。

 

 

   

 

实例：高精度实时时钟IC(RTC)

一:实时时钟模块
1. 内置晶振.电池.两线式串行接口.定时中断输出.高精度.免调校SD2400A系列
2. 内置晶振、电池、串行NVSRAM/E2PROM、I2C总线接口、中断输出 、数字精度补偿
二.实时时钟芯片 SD2068A

特性

低功耗： 1.0μA 典型值(VBAT =3.0V，Ta=25℃）。

工作电压：1.8～5.5V，工作温度：-40℃～+85℃。
标准IIC 总线接口方式,最高速度400KHZ(4.5V～5.5V)。
年、月、日、星期、时、分、秒的BCD 码输入/输出,并可通过独立的地址访问各时间寄存器。
闰年自动调整功能(从2000 年～2099 年)。可选择12/24 小时制式.
内置年、月、日、星期、时、分、秒共7 字节的报警数据寄存器及1 字节的报警允许寄存器。
内置12 字节通用SRAM 寄存器可用于存储用户的一般数据。
三种中断均可选择从INT 脚输出,并具有两个中断标志位.
可设定并自动重置的单路报警中断功能（时间范围最长设至100 年）,年、月、日、星期、时、
分、秒报警共有96 种组合方式，并有单事件报警和周期性报警两种中断输出模式.
周期性频率中断输出:从64Hz～1/16Hz??1 秒共十二种方波脉冲.
自动重置的8 位倒计时定时器,可选的3 种时钟源（64HZ、1HZ、1/60HZ）。
内置时钟精度数字调整功能，可通过程序来调整走时的快慢。用户采用外置的温度传感器，设
定适应温度变化的调整值，可实现在宽温范围内高精度的计时功能。
具有一个后备电池输入脚VBAT ，芯片依据不同的电压自动从VDD 切换到VBAT 或从VBAT 切换到VDD。
在VBAT 模式下，芯片具有中断输出允许或禁止的功能,可满足在备用电池供电时输出中断的需要。
内置IIC 总线0.5 秒自动复位功能(从Start 命令开始计时),保证时钟数据的有效性及可靠性,
避免IIC 总线挂死问题。
内置三个时钟数据写保护位, 避免对数据的误写操作，可更好地保护时钟数据。
内置VBAT 模式IIC 总线通信禁止功能，从而避免在电池供电时CPU 对时钟操作所消耗的电池电量，
也可避免在主电源上、下电的过程中因CPU 的I/O 端口所输出的不受控的杂波信号对时钟芯片
的误写操作，进一步提高时钟芯片的可靠性。
内置上电复位电路及指示位。 内置电源稳压,内部计时电压可低至1.5V。 芯片管脚抗静电(ESD)>4KV。
芯片在兴威帆的评估板上可通过4KV 的群脉冲(EFT)干扰。 CMOS 工艺
封装形式:SOP8。
（3）功能强大  如下：
a． 独有的强大定时中断功能，可设定并自动重置的单路报警中断功能（时间范围最长设至100 年）,
年、月、日、星期、时、分、秒报警共有96 种组合方式，并有单事件报警和周期性报警两种中
断输出模式。
b． 独有的在数字调整之下仍有秒输出的功能
c． 倒计时中断（3530、35390、1307、1208、5372、1302、1380、 M41T81 均没有）
d． 频率中断（1302、1380 均没有）
e． 电池输入脚（8563、5372、3530、35390、1380 均没有）
f． 12 字节用户通用RAM(8563、5372、3530、35390、1380、 M41T81 均没有)
g． 内置时钟精度数字调整功能（8563、3530、1208、1302、1307、1380、 M41T81 均没有）