基于STM32的RTC实时时钟实验

RTC是什么？

STM32的RTC外设,实质是一个掉电后还继续运行的定时器,从定时器的角度来看,相对于通用定时器TIM外设,它的功能十分简单,只有计时功能(也可以触发中断).但是从掉电还能继续运行来看,它是STM32中唯一一个具有这个功能的外设(RTC外设的复杂之处不在于它的定时,而在于它掉电还可以继续运行的特性)。

所谓掉电,是指电源VDD断开的情况下,为了RTC外设掉电可以继续运行,必须给STM32芯片通过VBAT引脚街上锂电池.当主电源VDD有效时,由VDD给RTC外设供电.当VDD掉电后,由VBAT给RTC外设供电.无论由什么电源供电,RTC中的数据始终都保存在属于RTC的备份域中,如果主电源和VBA都掉电,那么备份域中保存的所有数据都将丢失(备份域除了RTC模块的寄存器,还有42个16位的寄存器可以在VDD掉电的情况下保存用户程序的数序,系统复位或电源复位时,这些数据也不会被复位)。

STM32系统时钟源简介

系统时钟包括了：

1. HSE高速外部时钟（常用8MHz无源晶振）；

2. PLL时钟源（来源有HSE和HSI/2，一般选HSE作为时钟来源）；

3. PLL时钟PLLCLK（通过设置PLL的倍频因子，一般8Mx9=72MHz，72MHz是官方推荐稳定运行时钟，最高128MHz）;

4. 系统时钟SYSCLK（一般SYSCLK=PLLCLK=72MHz）；

5. AHB总线时钟HCLK（是系统时钟SYSCLK经过AHB分频器分频后得到的时钟，也就是APB总线时钟，一般设置1分频，HCLK=SYSSCLK=72MHz）；

6. APB2总线时钟HCLK2（APB2总线时钟PCLK2由 HCLK经过高速APB2预分频余数器得到，分频因子可以是:[1，2，4，8，16]，具体由时钟配置寄存器CFGR的位13-11：PPRE2[2:0]决定，一般设置为 1 分频，即 PCLK2 = HCLK =72M）;

7. APB1总线时钟HCLK1（APB1 总线时钟 PCLK1 由 HCLK 经过低速 APB 预分频余数器得到，HCLK1 属于低速的总线时钟，最高为 36M，这里只需粗线条的设置好 APB1 的时钟即可。

RTC的时钟系统

RTC的时钟来源有三个：

① 外部有源晶体震荡时钟源(32.768KHz)；

② 内置RC无源震荡源(约为40KHz)；

③ 外部无源高速震荡时钟(约62.5KHz)。

RTC的晶振

任何实时时钟的核心都是晶振，晶振频率为32768Hz(LSE时钟)。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。

RTC内部设备工作原理

RTC核心部分

RTC核心设备包括“预分频余数模块”与“计数器模块”。说白了，RTC核心设备的独立工作功能就是“自己按照设定的预分频余数因子，一个周期计数一次，计数值存在32位的计数器中”。

APB1接口部分

RTC核心设备虽然可以根据设定的参数自己独立运行，但是RTC的中断和标志位是由APB1接口部分来操作的。

APB1接口设备包括“CR控制寄存器”，这个寄存器是32位的，也就是说CR寄存器分为两个16位寄存器CRL与CRH寄存器，，这两个寄存器的功能为“控制RTC的中断”与“置位RTC的状态标志位”。

RTC寄存器简介

CR控制寄存器

CR寄存器是由CRL与CRH两个16位寄存器组成的，由APB1总线控制，因此当RTC独立运行时，也就是开发板的电源断电时，CR寄存器是无法发挥其作用的。

“允许中断标志位”可以进行写操作。

这些位的相应信息如下：

注：

① 我们一般使用APB1总线对RTC操作之前，先将RSF复位以清除原来的残余信息，然后等待置位，一旦置位就说明APB1与RTC时钟已同步我们可以进行写操作；

② 读操作之前一定要等待RSF时钟同步标志位置1，才可以进行读出正确的数据。

PRL重装载寄存器

重加载寄存器中的值在预分频余数计数器的值递减至0后，重新装载进入预分频余数寄存器。

DIV预分频余数寄存器

RTC预分频余数寄存器的作用就是获取更加精准的时间，工作原理如下：

我们看到：预加载余数寄存器每1s被自动重装载一次，即每1s减至0。

假如：我们此时读取的DIV预加载余数寄存器的值为0x3FFF，说明此时自上次重装载已经过去了0.5s，我们得到了比1s精确度更高的时间，这就是DIV预加载余数寄存器的作用。除此之外，DIV预加载余数寄存器还可以获得0.01s,0.001s这样更加精确的时间。

CNT计数器寄存器

ARL闹钟寄存器

如何对RTC进行写操作？

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。

另外，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。

寄存器配置步骤如下：

① 等待上次对RTC的操作结束 等待RTOFF位置1；

② 取消写保护/进行配置模式 将CNF标志位置1；

③ 对一个或多个RTC寄存器进行写操作；

④ 写保护/取消配置模式 将CNF标志位复位(仅当CNF标志位被清除时，写操作才能进行，这个过程至少需要3个RTC时钟周期)；

⑤ 查询RTOFF，直至RTOFF位变为’1’以确认写操作已经完成。

如何进行RTC数据的读操作？

APB1总线时钟复位的几种情况：

APB1复位就说明“APB1总线时钟与RTC时钟不再同步”。

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的复位操作

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。

在系统复位后，会自动禁止访问后备寄存器和RTC，以防止对后备区域(BKP)的意外写操作。所以在要设置时间之前， 先要取消备份区域（BKP）写保护。

当VDD电源被切断，后备区域与RTC核心部分仍然由VBAT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。

关于RTC的疑难问题解析

为什么要等待APB1与RTC内部时钟同步后，我们对RTC中寄存器写操作才有效？

因为RTC时钟源和APB1接口的时钟源不同，一个来自32.768K晶振，一个来自8M晶振，他们的时钟一般会有一个差异的，所以才需要等待同步。

为什么RTC的时钟最准确(RTC时钟为何是准确的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，即2^15=32768；

② 32768Hz=2^15即分频2^15次后为1Hz，周期=1s；

③ 经过工程师的经验总结32768Hz，时钟最准确；

④ 规范和统一。

为什么RTC和APB1有一些关联，他俩不是完全独立的吗？

不是的，我们的代码调试代码下载只能下载到STM32核心芯片中我们要通过STM32芯片来控制RTC设备就必须让RTC与APB1之间有接口。

为什么叫“秒标志位”？

因为RTC采用的是32.768KHz的晶振，PLR重装载寄存器(20位)的取值可以为32767，也就是说RTC可以没经过1s来置位一次“秒标志位”。我们通常的日历是以秒为最小的时间单位，因此RTC也可以提供我们日历的功能，但是这些事件是“xxxx秒”的形式出现的，需要我们根据“时秒分”的关系去进行换算。

注：其实PLR重装载寄存器的值可以是[0,2^20-1]之间所有的数值，因此我们也可以设定更小的计数单位进行计数。

为什么读数据/命令时需要等待RSF(时钟同步标志位)置1，而写命令/数据时则不用？

RTC内核完全独立于APB1接口，软件通过APB1接口对RTC相关寄存器访问。但是相关寄存器只在RTC APB1时钟进行重新同步的RTC时钟的上升沿被更新。所以软件必须先等待寄存器同步标志位（RTC_CRL的RSF位）被硬件置1才读。

我们要读取数据就读取寄存器当前值，因此我们必须等待RTC时钟的上升沿在将数据读取到APB1总线中去，而写操作不同，我们不需要读取任何RTC寄存器的信息，因此写操作没必要等待时钟同步。

APB1总线时钟与RTC时钟同步是什么意思？

由于时钟源不同，因此APB1总线时钟不可能与RTC时钟完全重合，我们读取的原理如下：

我们只需要在下一个RTC时钟上升沿到来之前将RTC寄存器中的数据读取到APB1总线上即可以实现“数据同步读取”。

RTC如何实现日历功能？

要实现日历功能首先需要具备两个条件：间隔相同的计数单位(计数器+1所需时间)+初始计数时间(计数器的初始值)。

例如：我要从计数器=10000时开始计数并且我们计数器+1的时间为1s，如果我们一年之后计数器的值=36000，我们可以得知RTC实时时钟连续计数了26000*1s=26000s。

LSE时钟被旁路是什么意思？

所谓旁路模式，是指无需上面提到的使用外部晶体时所需的芯片内部时钟驱动组件，直接从外界导入时钟信号，犹如芯片内部的驱动组件被旁路了。

”晶振/时钟被旁路“ 是指将芯片内部的用于外部晶体起振和功率驱动等的部分电路和XTAL_OUT引脚断开，这时使用的外部时钟是有源时钟或者其他STM32提供的CCO输出等时钟信号，直接单线从XTAL_IN输入，这样即使外部有晶体也震荡不起来了。

RTC固件库库函数解析

RTC时钟源配置函数

RTC备份区域(BKP)操作函数

BKP备份寄存器

备份寄存器是 42 个 16 位的寄存器（战舰开发板就是大容量的），可用来存储 84 个字节的 用户应用程序数据。他们处在备份域里，当 VDD 电源被切断，他们仍然由 VBAT 维持供电。 即使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。

备份区域(BKP_CR)控制寄存器

注释的意思是“当我们需要失能入侵事件时，我们只需使得TPE=0即可“。

备份区域状态寄存器

备份数据(BKP_DR)寄存器

备份控制/状态寄存器(BKP_CSR)

备份控制寄存器(BKP_CR)

注释的意思是说“当我们想要关闭侵入检测引脚时，我们只将TPE位置0就OK了”。

图片大意如下：

① TPAL=0时，低电平和下降沿脉冲都可以充当入侵信号的事件；

② TPAL=1时，高电平和上升沿脉冲都可以充当入侵信号的事件。

RTC时钟校准寄存器(BKP_RTCCR) 

RTC校准有两种方式，分别在“用ppm值校准”和“定时器校准”，这两种方式分别在AN2604.pdf，AN2821.pdf被提及。

按照AN2604.pdf描述的原理，RTC 的校准值应在0-127之间，可实现的校准误差对应为0-121ppm，相当于每30天跑快的秒数为0-314s。

Ppm值计算公式：ppm误差=偏差/基准值*10^6。

备份数据寄存器x(BKP_DRx) (x = 1 … 10)

注意：这里的复位方式“是通过PC13(TAMPER)引脚进行后备区域BKP复位的”。

侵入事件检测引脚

注：此引脚高电平不得超过3.3V。

RTC复位后，如何对后备区域进行操作？

复位后，对备份寄存器和RTC的访问被禁止，并且备份域被保护以防止可能存在的意外的写操作。执行以下操作可以使能对备份寄存器和RTC的访问：

① 通过设置寄存器RCC_APB1ENR的PWREN和BKPEN位来打开电源和后备接口的时钟；

② 电源控制寄存器(PWR_CR)的DBP位来使能对后备寄存器和RTC的访问。

关于BKP备份寄存器的疑难问题解析？

STM32的入侵检测是干什么用的？

你的数据是保存在RAM里的;但是一掉电RAM里的数据就没了;有一块地方,后备电池相关的一块RAM的数据却放不掉(除非电池没电了);还有一个方法可以自动清掉这一部分RAM(寄存器组)这就是入侵事件。

后备存储区BKP有什么用？

你的系统上电后你输入一个密码;这个密码就保存在后备寄存器组中;只要电池有电,这个密码一直保存完好;你的系统每次开机后检测这个密码是否正确，如果不正确说明有两种可能发生的事情：“电池没电了”或者“后备存储区坏掉了“。

事件标志位与中断标志位的区别？

在STM32中“中断标志位“置位的条件是“事件标志位置位+中断允许标志位置位“。我们要知道，当符合中断的条件全部具备，中断触发后，我们一定要清除“中断标志位与事件标志位”这两个位，与单纯的清除事件标志位不同。

#define ADC_IT_EOC                                 ((uint16_t)0x0220)  

#define ADC_IT_AWD                                 ((uint16_t)0x0140)  

#define ADC_IT_JEOC                                ((uint16_t)0x0480)  

这是定义的中断位，可以产生中断：

#define ADC_FLAG_AWD                               ((uint8_t)0x01)  

#define ADC_FLAG_EOC                               ((uint8_t)0x02)  

#define ADC_FLAG_JEOC                              ((uint8_t)0x04)  

#define ADC_FLAG_JSTRT                             ((uint8_t)0x08)  

#define ADC_FLAG_STRT                              ((uint8_t)0x10)  

这是定义的标志位，二者对比可以发现有的标志位不能产生中断，此外，中断标志位置位包括“事件标志位置位+中断标志位置位”。

RTC输出时钟校准原理？

计算ppm误差，ppm代表比例误差，ppm是百万分之一的意思。

例如，当距离为1公里的时候，比例误差为5mm。 对于一台测距精度为(5+5ppm*D)mm的全站仪或者测距仪，当被测量距离为1公里时，仪器的测距精度为5mm+5ppm*1(公里）＝10mm。

为方便测量，RTC时钟可以经64分频输出到侵入检测引脚TAMPER上。通过设置RTC校验寄存 器(BKP_RTCCR)的CCO位来开启这一功能。RTC时钟经过64分频输出到PC13(TAMPER)引脚上的时钟为32767Hz/64=511.968Hz(RTC时钟源为32768Hz)，但是如果实测TAMPER引脚输出的频率为511.982Hz，那么RTC对输出时钟进行如下修正：

（511.982Hz-511.968Hz）/ 511.968Hz *10^6 = 27.35ppm，则误差为27.35ppm，我们可以查询AN2604.pdf，可以得知此时我们选择28ppm；

2^20个时钟延误1个时钟所造成的ppm值计算

AN2604.pdf中说，若校准值为1，则RTC 校准时，每2的20次方个时钟周期扣除1个时钟脉冲。这相当于0.954ppm(1/2^20*10^6 = 0.954)。而校准值最大为127，所以最大可以减慢121ppm(0.954ppm*127 = 121)。所以这个校准表就是由简单的乘除运算得来的，当然要使用浮点运算才可以得到准确结果。

由此，我们可以计算出28ppm对应的2^20个周期中延误周期的数量为

BKP后备区域的功能预览

① 20字节数据后备寄存器(中容量和小容量产品)，或84字节数据后备寄存器(大容量和互联型产品) ；

② 用来管理防侵入检测并具有中断功能的状态/控制寄存器；

③ 用来存储RTC校验值的校验寄存器；

④ 在PC13引脚(当该引脚不用于侵入检测时)上输出RTC校准时钟，RTC闹钟脉冲或者秒脉冲。

BKP固件库函数解析

BKP_DeInit复位函数的作用

外设时钟使能，复位外设的总线时钟，再清除复位外设的总线时钟，可以继续配置（读写）外设，就如同如下所述：

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE); // 外设时钟使能

RCC_APB2PeriphResetCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);  // 复位外设的总线时钟

RCC_APB2PeriphResetCmd(RCC_APB2Periph_USART1, DISABLE); // 清除复位外设的总线时钟

USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); // 重新初始化

RTC完整代码展示

Rtc.c

#include "rtc.h"  

#include "usart.h"  

#include "delay.h"  

#include "stm32f10x.h"  

_calendar_obj calendar;//时钟结构体   

u8 RTC_initConfig()  

{  

    u8 temp = 0;  

    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;  

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_BKP|RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE); // 使能APB1总线上的BKP与PWR的时钟  

    PWR_BackupAccessCmd(ENABLE); // 取消后备区域写保护  

    delay_init(); // delay函数初始化  

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = RTC_IRQn;  

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;  

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;  

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;  

    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); // 配置RTC的NVIC中断通道  

    if(BKP_ReadBackupRegister(BKP_DR1) == 0x5050) // 首次执行程序段  

    {  

        BKP_DeInit(); // BKP外设时钟复位  

        RCC_LSEConfig(RCC_LSE_ON); // LSE低速时钟使能  

        while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_LSERDY) == RESET && temp < 250)  

        {  

            temp++;  

            delay_ms(10);  

        }  

        if(temp>=250) return 1;  

        RCC_RTCCLKConfig(RCC_RTCCLKSource_LSE);  

        RCC_RTCCLKCmd(ENABLE);  

        RTC_WaitForLastTask(); // 等待RTC操作完成  

        RTC_WaitForSynchro(); // 等待APB1与RTC时钟同步  

        RTC_EnterConfigMode(); // 进入RTC配置模式