嵌入式进阶——RTC时钟

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RTC时钟

RTC时钟是一种实时时钟芯片，通常与微控制器或计算机等设备配合使用，提供高精度的时间和日期信息，以便于设备进行时间相关的操作，如记录数据、定时执行任务、闹钟提醒等。
RTC时钟的应用场景非常广泛，例如计算机主板、智能家居、物联网设备、工业自动化等领域。在这些应用中，RTC时钟可以提供高精度的时间戳、定时任务、日历功能等，从而为系统提供更加可靠的时间基准。
除了时间和日期信息，一些RTC时钟芯片还集成了温度传感器、电池备份等功能，以提供更加全面的服务。例如，在断电情况下，RTC时钟的备用电池可以维持时钟的运行，以保证时间和日期信息的准确性。
以下是几种常见的RTC时钟芯片及其特点和应用场景：

  1. DS1302：DS1302是一款低功耗时钟模块，集成了时钟、日历和时钟报警功能，能够以BCD格式存储时间和日期信息。它具有低功耗、简单易用、成本低等特点，适用于需要长时间运行且功耗要求较低的应用场景。
  2. DS3231：DS3231是一款高精度的I2C RTC时钟芯片，能够以二进制格式存储时间和日期信息，并具有时钟报警、温度补偿等功能。它具有高精度、低功耗、高可靠性等特点，适用于对时钟精度要求较高的应用场景，如电子钟、精密计时器等。
  3. PCF8563：PCF8563是一款低功耗的I2C RTC时钟芯片，能够以BCD格式存储时间和日期信息，并具有时钟报警、时钟输出等功能。它具有低功耗、集成度高、工作稳定等特点，适用于需要长时间运行且功耗要求较低的应用场景。
  4. RV-4162-C7：RV-4162-C7是一款高精度的I2C RTC时钟芯片，能够以二进制格式存储时间和日期信息，并具有时钟输出、时钟同步、时钟校准等功能。它具有高精度、低功耗、抗干扰能力强等特点，适用于对时钟精度要求较高的应用场景，如高精度计时器、高精度工控系统等。
  5. MCP7940N：MCP7940N是一款低功耗的I2C RTC时钟芯片，能够以BCD格式存储时间和日期信息，并具有时钟输出、时钟同步、时钟报警等功能。它具有低功耗、成本低等特点，适用于需要长时间运行且功耗要求较低的应用场景，如电子钟、自动售货机等。
    我们开发板中采用的是PCF8563

原理图

在这里插入图片描述

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原理图外围设计：

  1. 外部电池: 确保断电后能正常工作
  2. 晶振：确保震荡频率准确。
  3. 肖特基二极管：防止电流倒灌。
    引脚说明：
  4. INT： 中断引脚。当触发到定时任务时，会触发引脚高低电平变化。
  5. SCL和SDA：为I2C通讯的两个引脚。用来保证MCU和RTC时钟芯片间进行通讯的。

PCF8563寄存器

在这里插入图片描述

控制与状态寄存器

用来配置控制和状态切换的寄存器。
在这里插入图片描述
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设备地址

// 设备地址
#define		PCF8563_ADDR  0x51 << 1
// 存储地址：时间的存储地址开始位置
#define		PCF8563_REG_TD   0x02

I2C环境初始化

#include "Config.h"
#include "GPIO.h"
#include "Delay.h"

#include "I2C.h"
#include "UART.h"
#include "NVIC.h"
#include "Switch.h"
/***

1. 初始化IO口,将P32,P33初始化开漏OD模式
2. 初始化I2C协议 \ UART
		EAXSFR();
		EA = 1

3. 通过I2C读取RTC时钟芯片数据
4. 通过I2C给RTC时钟芯片写数据
***/

void GPIO_config() {
    P3_MODE_OUT_OD(GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3);
}

void UART_config(void) {
    // >>> 记得添加 NVIC.c, UART.c, UART_Isr.c <<<
    COMx_InitDefine		COMx_InitStructure;					//结构定义
    COMx_InitStructure.UART_Mode      = UART_8bit_BRTx;	//模式, UART_ShiftRight,UART_8bit_BRTx,UART_9bit,UART_9bit_BRTx
    COMx_InitStructure.UART_BRT_Use   = BRT_Timer1;			//选择波特率发生器, BRT_Timer1, BRT_Timer2 (注意: 串口2固定使用BRT_Timer2)
    COMx_InitStructure.UART_BaudRate  = 115200ul;			//波特率, 一般 110 ~ 115200
    COMx_InitStructure.UART_RxEnable  = ENABLE;				//接收允许,   ENABLE或DISABLE
    COMx_InitStructure.BaudRateDouble = DISABLE;			//波特率加倍, ENABLE或DISABLE
    UART_Configuration(UART1, &COMx_InitStructure);		//初始化串口1 UART1,UART2,UART3,UART4

    NVIC_UART1_Init(ENABLE,Priority_1);		//中断使能, ENABLE/DISABLE; 优先级(低到高) Priority_0,Priority_1,Priority_2,Priority_3
    UART1_SW(UART1_SW_P30_P31);		// 引脚选择, UART1_SW_P30_P31,UART1_SW_P36_P37,UART1_SW_P16_P17,UART1_SW_P43_P44
}
/****************  I2C初始化函数 *****************/
void	I2C_config(void)
{
    I2C_InitTypeDef		I2C_InitStructure;

    I2C_InitStructure.I2C_Mode      = I2C_Mode_Master;	//主从选择   I2C_Mode_Master, I2C_Mode_Slave
    I2C_InitStructure.I2C_Enable    = ENABLE;						//I2C功能使能,   ENABLE, DISABLE
    I2C_InitStructure.I2C_MS_WDTA   = DISABLE;					//主机使能自动发送,  ENABLE, DISABLE
    I2C_InitStructure.I2C_Speed     = 13;								//总线速度=Fosc/2/(Speed*2+4),      0~63
    // 400K = 24M / 2 / (Speed * 2 + 4):
    // 400  = 12000 / (Speed * 2 + 4)
    // Speed * 2   = 26
    I2C_Init(&I2C_InitStructure);
    NVIC_I2C_Init(I2C_Mode_Master,DISABLE,Priority_0);	//主从模式, I2C_Mode_Master, I2C_Mode_Slave; 中断使能, ENABLE/DISABLE; 优先级(低到高) Priority_0,Priority_1,Priority_2,Priority_3

    I2C_SW(I2C_P33_P32);					//I2C_P14_P15,I2C_P24_P25,I2C_P33_P32
}

#define NUMBER	7

void main() {
    // 设备地址 read A3h and write A2h
    u8 dev_addr = 0x51 << 1; 	// (设备地址 << 1) | 0 = 写地址. 
    // 存储地址
    u8 mem_addr = 0x02;
    // 用于接收从机传来的数据
    u8 p[NUMBER];
	// 保存时间信息
    u8 second, minute, hour, day, week, month;
    u16 year;

    // 开启扩展寄存器使能
    EAXSFR();

    GPIO_config();
    UART_config();
    I2C_config();

    EA = 1;

//		4. 通过I2C给RTC时钟芯片写数据
//	void I2C_WriteNbyte(u8 dev_addr, u8 mem_addr, u8 *p, u8 number);

    printf("--------------------------------read\n");
    while(1) {

		//		3. 通过I2C读取RTC时钟芯片数据
        I2C_ReadNbyte(dev_addr, mem_addr, &p, NUMBER);
    
        printf("%d:%d:%d \n", (int)hour, (int)minute, (int)second);
    
        delay_ms(250);
        delay_ms(250);
        delay_ms(250);
        delay_ms(250);
    }
}

RTC寄存器数据读取

I2C_ReadNbyte(PCF8563_ADDR, 0x02, dat, 7);
second = (dat[0] & 0x0F) + ((dat[0] >> 4) & 0x07) * 10;
minute = (dat[1] & 0x0F) + ((dat[1] >> 4) & 0x07) * 10;
hour = (dat[2] & 0x0F) + ((dat[2] >> 4) & 0x03) * 10;
day = (dat[3] & 0x0F) + ((dat[3] >> 4) & 0x03) * 10;
weekday = dat[4] & 0x07;
month = (dat[5] & 0x0F) + ((dat[5] >> 4) & 0x01) * 10;
year = ((dat[6] >> 4) & 0x0F) * 10 + (dat[6] & 0x0F);
year += ((dat[5] >> 7) & 0x01) * 100 + 1900;

RTC寄存器数据写入

year = 2023;
month = 12;
day = 31;
weekday = 0;
hour = 23;
minute = 59;
second = 50;
if(year >= 2100) {
    c = 1;
}
tmp[0] = ((second / 10) << 4) + (second % 10);
tmp[1] = ((minute / 10) << 4) + (minute % 10);
tmp[2] = ((hour / 10) << 4) + (hour % 10);
tmp[3] = ((day / 10) << 4) + (day % 10);
tmp[4] = weekday % 7;
tmp[5] = (c << 7) + ((month / 10) << 4) + (month % 10);
tmp[6] = (u8)(((year % 1000) / 10) << 4) + (u8)((year % 1000) % 10);
I2C_WriteNbyte(PCF8563_ADDR, 0x02, tmp, 7);

RTC闹钟设置

通过配置寄存器来配置闹钟

u8 config;
// 先读配置
I2C_ReadNbyte(PCF8563_ADDR, 0x01, &config, 1);
// 再去设置, 设置的时候别动别人的配置
config |= 0x02;
config &= ~0x08;//clear clock标记
I2C_WriteNbyte(PCF8563_ADDR, 0x01, &config, 1);

void ext_int3_call(void) {
	u8 tmp[7];
	u16 year;
	u8 month, day, weekday, hour, minute, second, c = 0;
	u8 config[1] = {0};
	printf("alarm \r\n");
	
	// 读取状态
	I2C_ReadNbyte(PCF8563_ADDR, 0x01, config, 1);
	printf("config: %d\r\n", (int)config[0]);
	
	// 判断闹钟是否被激活
	if((config[0] >> 3) & 0x01 == 1) {
		//清除 alarm 标记
		config[0] &= ~0x08;
		I2C_WriteNbyte(RTC_ADDR, 0x01, config, 1);
		
		I2C_ReadNbyte(RTC_ADDR, 0x01, config, 1);
		printf("config: %d\r\n", (int)config[0]);
	}
}

RTC定时器设置

通过配置寄存器来配置定时器。
在这里插入图片描述
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u8 config;
// 先读配置
I2C_ReadNbyte(PCF8563_ADDR, 0x01, &config, 1);
// 再去设置, 设置的时候别动别人的配置
config |= 0x01;
config &= ~0x04;//clear timer标记
I2C_WriteNbyte(PCF8563_ADDR, 0x01, &config, 1);

u8 config[1] = {0};
	
I2C_ReadNbyte(PCF8563_ADDR, 0x01, config, 1);
printf("config: %d\r\n", (int)config[0]);
if((config[0] >> 2) & 0x01 == 1) {
    printf("timer \r\n");
	config[0] &= ~0x04;
	I2C_WriteNbyte(PCF8563_ADDR, 0x01, config, 1);
}

驱动封装

头文件封装

#ifndef __PCF8563_H__
#define __PCF8563_H__

#include "config.h"
#include "I2C.h"

#define PCF8563_SCL			P32
#define PCF8563_SDA			P33
#define PCF8563_INT			P37
#define PCF8563_ADDR		0x51 << 1
#define PCF8563_ADDR_W		0xA2
#define PCF8563_ADDR_R		0xA3

#define PCF8563_SCL_INIT()	{P3M1 |= 0x04, P3M0 |= 0x04;}
#define PCF8563_SDA_INIT()	{P3M1 |= 0x08, P3M0 |= 0x08;}
#define PCF8563_INT_INIT()	{P3M1 &= ~0x80, P3M0 &= ~0x80;}

//u16 year;
//u8 month, day, weekday, hour, minute, second
// 定义clock
typedef struct {
	u16 year;
	u8 month;
	u8 day;
	u8 weekday;
	u8 hour;
	u8 minute;
	u8 second;
} Clock_t;

//定义alarm
typedef struct {
	u8 hour;
	u8 enableHour;
	u8 minute;
	u8 enableMinute;
	u8 day;
	u8 enableDay;
	u8 weekday;
	u8 enableWeekday;
} Alarm_t;

// 国产芯片的HZ1有问题，不要使用，建议使用HZ64
enum TimerFreq{ HZ4096 = 0, HZ64 = 1, HZ1 = 2, HZ1_60 = 3};

extern void PCF8563_on_alarm(void); 
extern void PCF8563_on_timer(void); 
	
void PCF8563_init(void);
void PCF8563_get_clock(Clock_t *c);
void PCF8563_set_clock(Clock_t c);

void PCF8563_enable_alarm();
void PCF8563_set_alarm(Alarm_t a);
void PCF8563_disable_alarm();

void PCF8563_enable_timer();
void PCF8563_set_timer(enum TimerFreq freq, u8 period);
void PCF8563_disable_timer();

#endif

● 定义结构体Clock_t表示时间数据，通过这个结构体承载数据，方便读取和设置。
● 定义结构体Alarm_t表示闹钟数据，通过这个结构体承载数据，方便读取和设置。
● 定义枚举TimerFreq限定计时器设置的范围。

#include "PCF8563.h"
#include <stdio.h>


void PCF8563_init(void) {
	PCF8563_SCL_INIT();
	PCF8563_SDA_INIT();
	PCF8563_INT_INIT();
}

void PCF8563_get_clock(Clock_t *c) {
	u8 dat[7];
	I2C_ReadNbyte(PCF8563_ADDR, 0x02, dat, 7);
	c->second  = (dat[0] & 0x0F) + ((dat[0] >> 4) & 0x07) * 10;
	c->minute  = (dat[1] & 0x0F) + ((dat[1] >> 4) & 0x07) * 10;
	c->hour    = (dat[2] & 0x0F) + ((dat[2] >> 4) & 0x03) * 10;
	c->day 	   = (dat[3] & 0x0F) + ((dat[3] >> 4) & 0x03) * 10;
	c->weekday =  dat[4] & 0x07;
	c->month   = (dat[5] & 0x0F) + ((dat[5] >> 4) & 0x01) * 10;
	c->year    = ((dat[6] >> 4) & 0x0F) * 10 + (dat[6] & 0x0F);
	c->year   += ((dat[5] >> 7) & 0x01) * 100 + 1900;
}

void PCF8563_set_clock(Clock_t clk) {
	u8 tmp[7];
	u8 c = 0;
	if(clk.year >= 2000) {
		c = 1;
	}
	tmp[0] = ((clk.second / 10) << 4) + (clk.second % 10);
	tmp[1] = ((clk.minute / 10) << 4) + (clk.minute % 10);
	tmp[2] = ((clk.hour   / 10) << 4) + (clk.hour   % 10);
	tmp[3] = ((clk.day    / 10) << 4) + (clk.day    % 10);
	tmp[4] = clk.weekday % 7;
	tmp[5] = (c << 7) + ((clk.month / 10) << 4) + (clk.month % 10);
	tmp[6] = (u8)(((clk.year % 1000) / 10) << 4) + (u8)((clk.year % 1000) % 10);
	I2C_WriteNbyte(PCF8563_ADDR, 0x02, tmp, 7);
}

void PCF8563_enable_alarm() {
	u8 config;
	// 先读配置
	I2C_ReadNbyte(PCF8563_ADDR, 0x01, &config, 1);
	// 再去设置, 设置的时候别动别人的配置
	config |= 0x02;
	config &= ~0x08;//clear clock标记
	I2C_WriteNbyte(PCF8563_ADDR, 0x01, &config, 1);
}

void PCF8563_set_alarm(Alarm_t a) {
	u8 tmp[4];
	tmp[0] = ((a.minute / 10) << 4) + (a.minute % 10);
	if(a.enableMinute == 0) {
		tmp[0] += (1 << 7);
	}
	tmp[1] = ((a.hour / 10) << 4) + (a.hour % 10);
	if(a.enableHour == 0) {
		tmp[1] += (1 << 7);
	}
	tmp[2] = ((a.day / 10) << 4) + (a.day % 10);
	if(a.enableDay == 0) {
		tmp[2] += (1 << 7);
	}
	tmp[3] = a.weekday % 7;
	if(a.enableWeekday == 0) {
		tmp[3] += (1 << 7);
	}
	I2C_WriteNbyte(PCF8563_ADDR, 0x09, tmp, 4);
}

void PCF8563_disable_alarm() {
	u8 config[1];
	// 先读配置
	I2C_ReadNbyte(PCF8563_ADDR, 0x01, config, 1);
	// 再去设置, 设置的时候别动别人的配置
	config[0] &= ~0x02;
	config[0] &= ~0x08;//clear clock标记
	I2C_WriteNbyte(PCF8563_ADDR, 0x01, config, 1);
}

void PCF8563_enable_timer() {
	u8 config;
	// 先读配置
	I2C_ReadNbyte(PCF8563_ADDR, 0x01, &config, 1);
	// 再去设置, 设置的时候别动别人的配置
	config |= 0x01;
	config &= ~0x04;//clear timer标记
	I2C_WriteNbyte(PCF8563_ADDR, 0x01, &config, 1);
}

void PCF8563_set_timer(enum TimerFreq freq, u8 period) {
	u8 config;
	config = freq + (1 << 7);//计数频率 + timer enable
	I2C_WriteNbyte(PCF8563_ADDR, 0x0E, &config, 1);
	
	config = period; // config, period
	I2C_WriteNbyte(PCF8563_ADDR, 0x0F, &config, 1);
}

void PCF8563_disable_timer() {
	u8 config[1];
	// 先读配置
	I2C_ReadNbyte(PCF8563_ADDR, 0x01, config, 1);
	// 再去设置, 设置的时候别动别人的配置
	config[0] &= ~0x01;
	config[0] &= ~0x04;//clear timer标记
	I2C_WriteNbyte(PCF8563_ADDR, 0x01, config, 1);
}

void Ext_INT3 (void) interrupt INT3_VECTOR
{
	u8 config[1];
	// 先读配置
	I2C_ReadNbyte(PCF8563_ADDR, 0x01, &config, 1);
 
	// 判断闹钟是否被激活 Alarm Flag && AIE
	if((config[0] & 0x08) && (config[0] & 0x02)) {
		//清除 alarm 标记
		config[0] &= ~0x08;
		I2C_WriteNbyte(PCF8563_ADDR, 0x01, config, 1);
		
		PCF8563_on_alarm();
	}
	// 判断计时器是否被激活 Timer Flag && TIE
	if((config[0] & 0x04) && (config[0] & 0x01)) {
		//清除 timer 标记
		config[0] &= ~0x04;
		I2C_WriteNbyte(PCF8563_ADDR, 0x01, config, 1);
		
		PCF8563_on_timer();
	}
}

● Ext_INT3中断函数为当前STC8H平台可用的。如果切换平台需要进行对应的移植操作。

BCD（Binary-Coded Decimal）

BCD（Binary-Coded Decimal）是一种用二进制编码表示十进制数字的格式。
在BCD格式中，每个十进制数位用4个二进制位来表示。BCD的目的是使得数字的编码与显示更加直观和容易处理。在BCD格式中，每个十进制数位的取值范围是0到9。
例如，数字5用BCD表示为0101，数字9用BCD表示为1001。这种表示方法使得每个十进制数位都独立地编码，方便在数字处理和显示设备上进行操作。
10进制数转BCD数：

// 十位取出左移4位 + 个位 (得到BCD数)
#define WRITE_BCD(val) 	((val / 10) << 4) + (val % 10)

// 将高4位乘以10 + 低四位 (得到10进制数)
#define READ_BCD(val) 	(val >> 4) * 10 + (val & 0x0F)

一些状态分析

PCF8563的规则：

  1. 通电后，就开始工作，内部可配置寄存器(时间，闹钟，定时器)
  2. 如果已经有电池，但是单片机断电了，单片机重新通电后，单片机应该遵守PCF8563中已经配置的规则(时间，闹钟，定时器)

有源晶振和无源晶振

晶振可分为有源晶振与无源晶振。一般我们说的“晶振”指的是有源晶振，而无源晶振通常叫“晶体”，或者叫“谐振器”。两者最大的区别是：
● 有源晶振自身即可起振
● 无源晶振则需要外加专门的时钟电路才能起振
总体来看，有源晶振的精度、稳定度等方面均要好于无源晶振，尤其是在精密测量领域，大部分用的都是高档的有源晶振，以方便把各种补偿技术集成在一起，减少设计复杂性。
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