RTC學習筆記（嵌入式）

一 RTC 概述
1.定義：
RTC的英文全稱是Real-Time Clock,翻譯過來是實時時鐘芯片。
RTC芯片是一種能提供日曆/時鐘（世紀、年、月、時、分、秒）及數據存儲等功能的專用集成電路。
2.應用
A．跟蹤日期和時間。
B．報警、鬧鐘、看門狗、高精度的校準寄存器。
C．在待機狀態下，作為邏輯電路的主時鐘。
D．信號時鐘源和參數設置存儲電路。
3.應用領域
A．適合於一切需要微功耗及準確計時的場合。
B．嵌入式領域：手機、數碼相機、MP3、MP4、電子詞典等
C．電器儀表：電視機、復費率電錶、高精度時鐘、可編程時間控制器等。
D．通信工程、電氣自動化、工業控制等自動化程度高的領域中的無人值守環境。 4.特點：計時準確、耗電低、體積小、價格便宜。
二 RTC 發展歷史
1.早期RTC產品
早期RTC產品實質是一個帶有計算機通訊口的分頻器。它通過對晶振所產生的振盪頻率分頻和累加，得到年、月、日、時、分、秒等時間信息並通過計算機通訊口送入處理器處理。
這一時期RTC的特徵如下：在控制口線上為並行口；功耗較大；採用普通CMOS工藝；封裝為雙列直插式；芯片普遍沒有現代RTC所具有的萬年曆及閏年月自動切換功能，也無法處理2000年問題。現在已經被淘汰。
2.中期RTC產品
在20世紀90年代中期出現了新一代RTC，它採用特殊CMOS工藝；功耗大為降低，典型值約0.5μA以下；供電電壓僅為1.4V以下；和計算機通訊口也變為串行方式，出現了諸如三線SIO/四線SPI，部分產品採用2線I2C總線；包封上採用SOP/SSOP封裝，體積大為縮小；
功能上：片內智能化程度大幅提高、具有萬年曆功能，輸出控制也變得靈活多樣。其中日本RICOH推出的RTC甚至已經出現時基軟件調校功能（TTF）及振盪器停振自動檢測功能而且芯片的價格極為低廉。目前，這些芯片已被客戶大量使用中。
3.最新一代RTC產品
最新一代RTC產品中，除了包含第二代產品所具有的全部功能，更加入了複合功能，如低電壓檢測，主備用電池切換功能，抗印製板漏電功能，且本身封裝更小（高度0.85mm，面積僅為2mm*2mm）。
三 RTC硬件結構（以當代RTC產品為例）
1、 晶振
A、 晶振簡介
晶振一般叫做晶體諧振器，是一種機電器件，晶振是石英振盪器的簡稱，英文名為Crystal
是用電損耗很小的石英晶體經精密切割磨削並鍍上電極焊上引線做成。
B、 晶振的作用：提供基準頻率。
C 、RTC的晶振
任何實時時鐘的核心都是晶振，晶振頻率為32768 Hz 。
它為分頻計數器提供精確的與低功耗的實基信號。它可以用於產生秒、分、時、日等信息。為了確保時鐘長期的準確性，晶振必須正常工作，不能夠收到干擾。
RTC的晶振又分為：外部晶振和內置晶振。
D、RTC的晶振頻率為什麼是32768Hz？
① RTC時間是以振盪頻率來計算的。故它不是一個時間器而是一個計數器。而一般的計數器都是16位的。又因為時間的準確性很重要，故震盪次數越低，時間的準確性越低。所以必定是個高次數。215 = 32768 。
② 32768 Hz = 215 即分頻15次後為1Hz，週期 = 1s。
③ 經過工程師的經驗總結 32768 Hz ，時鐘最準確。
④ 規範和統一。
E 、 RTC3276832.768KHz 實時時鐘的作用
一、是保持時間的準確性
二、是在待機狀態下，作為邏輯電路的主時鐘（目的是為了節電，基本處於休眠，邏輯電路主要由 32.768KHz 作為主時鐘）。
2、內置主備用電池自動切換電路：
時刻檢測主供電電壓，當主供電電壓低於設定電壓時，自動切換為備用電源供電且備電方式靈活；
3、停振自動檢測電路：
芯片內部有監測電路，一旦晶振停振（即使有再次正常起振起振運行）就在芯片內相應寄存器置位，可供系統判斷計時數據的有效性。
4、I2C總線方式：
通過SCL/SDA兩根線同CPU通訊，佔用口線少，通用性強；
5、可編程中斷
可由軟件設定為定時中斷輸出，或方波輸出（頻率可選），電平輸出；
6、內置具有延遲功能的電壓檢測電路：
可以用於提示用戶電量不足，保證產品的正常運行。
7、12/24小時制可選，滿足多種應用場合；
8、可自動識別閏年
9、TTF（時基軟件調校 Time Trimming Function ）
TTF是RTC發展史上具有里程碑意義的技術，從此以晶振為基準的電子鐘錶，也可以具備類似傳統鐘錶控制擺長以調節精度的功能。原來單純依賴晶振精度的RTC有了更方便、更高精度的實現方法。下面就這一突破性的技術及生產中的調節方法做些探討。
TTF是利用吞吐脈衝技術來補償晶體振盪器的固有偏差而實現高精度時鐘輸出。利用一套特殊的數字電路增加或減去相當於晶振振盪誤差的脈衝，而不改變晶振本身的振盪。在一定的調節時基中，如20S內，調節電路在最後一秒發生作用，校準整個時基。這一校正過程完全是數字化過程，故不會影響晶體負載電容匹配，不影響晶體振盪電阻。調節範圍為±189ppm的大調節範圍（當採用32.768KHz晶振時），調整後的精度可以達到小於±1.5ppm（1PPM=1百萬分之一）。在這一時基調節過程中，調整量的大小，是增還是減，均是通過對一個RTC內部指定寄存器賦值來實現的，也就是通過測算當前所用晶振的頻率與理論零誤差晶振的差值而得出此次補償字節的值。同時TTF是一個軟件控制的數字調節過程，這就帶來了對晶體溫度特性進行補償的可能性；即CPU只需通過感溫元件，如熱敏電阻經A/D讀出環境溫度就可算出晶體此時的溫度偏差，從而計算出補償值而寫入RICOH RTC中進行溫度補償，達到TCXO振盪器效果。
充分利用TTF功能做到每一個RTC系統的高精度，應完全補償生產中每一個RTC及晶振所構成系統的不同偏差，就必需對每一個RTC寫入針對性的補償值。但這在工廠進行大規模生產時，會產生效率過低的問題，對此我們設計了一套適合規模化生產的自動化系統：在生產中快速測量系統中RICOH RTC芯片的TTF值（精度調校值），並通過I2C總線，寫入非易失存儲器，而且可以利用RICOH RTC芯片輸出秒脈衝來檢驗RTC走時精度。
以RICOH 的TTF技術為代表的新一代RTC，已經採用全新的思維，特殊的技術以幾乎不增加成本的方式，將普通晶振的RTC計時精度提高到一個很高的水平。目前，這一新型的RTC已在國內許多行業中迅速應用起來。
四 RTC的軟件控制
RTC一般通過設置其特殊功能寄存器來實現相應的寄存器功能。
寄存器英文名稱 寄存器中文名稱 地址 32K 實時時鐘配置寄存器 P_CLK_32K_CONF 0x88210114 RTC 時鐘配置寄存器 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 時寄存器 P_RTC_TIME_HOUR 0x88166008 RTC 秒報警寄存器 P_RTC_ALM_SEC 0x8816600C RTC 分報警寄存器 P_RTC_ALM_MIN 0x88166010 RTC 時報警寄存器 P_RTC_ALM_HOUR 0x88166014 RTC 控制寄存器 P_RTC_MODE_CTRL 0x88166018 RTC 中斷狀態寄存器 P_RTC_INT_STATUS 0x8816601C
基本操作：
當需要使用RTC 模塊時，需要按照下面流程初始化，如圖 4.18 所示：首先需要配置RTC 模塊，然後使能32768Hz 實時時鐘，當需要採用計時系統時，初始化時間；當需要定時時，初始化定時；當只需要半秒、秒等中斷時，不用初始化時間，默認為0 時0 分0 秒，然後使能中斷及使能RTC 模塊，初始化流程結束。
五RTC的主要性能指標有:
1.控制方式:二線制,三線制,四線制.
2.晶振:分內置晶振和外置晶振.
3.耗流,時間微調範圍,時間精度以及是否有TTF功能.
4.幾個中斷輸出
5.是否支持12/24小時制可選。
6.抗干擾性能。
7.主備用電池自動切換和低電壓檢測功能。
實例：高精度實時時鐘IC(RTC)
一:實時時鐘模塊
1. 內置晶振.電池.兩線式串行接口.定時中斷輸出.高精度.免調校SD2400A系列
2. 內置晶振、電池、串行NVSRAM/E2PROM、I2C總線接口、中斷輸出 、數字精度補償
二.實時時鐘芯片 SD2068A
特性
低功耗： 1.0μA 典型值(VBAT =3.0V，Ta=25℃）。
工作電壓：1.8～5.5V，工作溫度：-40℃～+85℃。
標準IIC 總線接口方式,最高速度400KHZ(4.5V～5.5V)。
年、月、日、星期、時、分、秒的BCD 碼輸入/輸出,並可通過獨立的地址訪問各時間寄存器。
閏年自動調整功能(從2000 年～2099 年)。可選擇12/24 小時制式.
內置年、月、日、星期、時、分、秒共7 字節的報警數據寄存器及1 字節的報警允許寄存器。
內置12 字節通用SRAM 寄存器可用於存儲用戶的一般數據。
三種中斷均可選擇從INT 腳輸出,並具有兩個中斷標誌位.
可設定並自動重置的單路報警中斷功能（時間範圍最長設至100 年）,年、月、日、星期、時、
分、秒報警共有96 種組合方式，並有單事件報警和週期性報警兩種中斷輸出模式.
週期性頻率中斷輸出:從64Hz～1/16Hz??1 秒共十二種方波脈衝.
自動重置的8 位倒計時定時器,可選的3 種時鐘源（64HZ、1HZ、1/60HZ）。
內置時鐘精度數字調整功能，可通過程序來調整走時的快慢。用戶採用外置的溫度傳感器，設
定適應溫度變化的調整值，可實現在寬溫範圍內高精度的計時功能。
具有一個後備電池輸入腳VBAT ，芯片依據不同的電壓自動從VDD 切換到VBAT 或從VBAT 切換到VDD。
在VBAT 模式下，芯片具有中斷輸出允許或禁止的功能,可滿足在備用電池供電時輸出中斷的需要。
內置IIC 總線0.5 秒自動復位功能(從Start 命令開始計時),保證時鐘數據的有效性及可靠性,
避免IIC 總線掛死問題。
內置三個時鐘數據寫保護位, 避免對數據的誤寫操作，可更好地保護時鐘數據。
內置VBAT 模式IIC 總線通信禁止功能，從而避免在電池供電時CPU 對時鐘操作所消耗的電池電量，
也可避免在主電源上、下電的過程中因CPU 的I/O 端口所輸出的不受控的雜波信號對時鐘芯片
的誤寫操作，進一步提高時鐘芯片的可靠性。
內置上電覆位電路及指示位。 內置電源穩壓,內部計時電壓可低至1.5V。 芯片管腳抗靜電(ESD)>4KV。
芯片在興威帆的評估板上可通過4KV 的群脈衝(EFT)干擾。 CMOS 工藝
封裝形式:SOP8。
（3）功能強大 如下：
a． 獨有的強大定時中斷功能，可設定並自動重置的單路報警中斷功能（時間範圍最長設至100 年）,
年、月、日、星期、時、分、秒報警共有96 種組合方式，並有單事件報警和週期性報警兩種中
斷輸出模式。
b． 獨有的在數字調整之下仍有秒輸出的功能
c． 倒計時中斷（3530、35390、1307、1208、5372、1302、1380、 M41T81 均沒有）
d． 頻率中斷（1302、1380 均沒有）
e． 電池輸入腳（8563、5372、3530、35390、1380 均沒有）
f． 12 字節用戶通用RAM(8563、5372、3530、35390、1380、 M41T81 均沒有)
g． 內置時鐘精度數字調整功能（8563、3530、1208、1302、1307、1380、 M41T81 均沒有）