Real-time Clock (RTC)
Introduction
Real-Time Clock(RTC)是負責記錄時間的元件,出現在需要長期使用時鐘的電子設備中。例如學校定時關閉冷氣的裝置,以及手機上的鬧鈴功能。
System Overview
基本上RTC(Real-time clock)本身就是一個真正的時鐘,利用原本STM本身所內建的振盪器再利用Prescaler降成1Hz讓RTC使用。利用硬體達成的binary-coded decimal (BCD) format,可以把下列與時間有關的資訊儲存,而且不需要任何軟體轉換,因為硬體就已經把資料轉成一般的日期格式。
- sub-seconds
- seconds
- minutes
- hours in 12-hour or 24-hour format
- day of the week (day)
- day of the month (date)
- month
- year
可用的功能
- Alarm A & Alarm B
- Auto wakeup
- Timestamp
- Tamper detection
Block Diagram
[#]_
.. [#] Block Diagram p.780
Functional Description
Clock Source
STM32的 Clock 有分成「SYSCLK」和「Secondary Clock」:
SYSCLK為系統的clock有三種來源:
- HSI (High-Speed Internal) :16MHz,RC電路
- HSE (High-Speed External):4-26MHz (一般選用8MHz),石英震盪
- Main PLL clock
Secondary Clock:
- LSI (Low-Speed Internal) :40kHz,RC電路震盪
- LSE (Low-Speed External):32.768kHz,石英震盪
—-> RTC 主要是使用 HSE , LSI , LSE 三種來源 [#]_
.. [#] Clock Source p.150
比較 「HSE」, 「LSI」 , 「LSE」三種輸入來源:
- HSE - 較為耗能, 可以處理像是USB或TV訊號的clock,需要和另一個clock穩定同步。
- LSI - 是一個低功耗的clock,可以在停機或待機模式下保持運行,用在auto-wakeup(簡稱AWU)與 watchdog看門狗(簡稱IWDG)。
- LSE - 它是一個低功耗且精準的clock,適合用在時間的精確計算。
Prescaler
RTC prescaler.png
ck_spre
一般而言要降為1Hz的頻率,因為省電的因素STM設計了兩個Prescaler。7 bit非同步prescaler(PREDIV_A
)和15 bit同步的prescaler(PREDIV_S
)。這兩個prescaler要在RTC_PRER的暫存器設定。ST在Reference有說明當兩個Prescaler都使用時,建議讓非同步的Prescaler讓他有較大的值,以讓系統更省電
所以ck_spre
與兩個prescaler的關係為:
例如:
LSE: 32.768kHz / (127+1) / (255+1) = 1Hz
LSI: 32kHz / (127+1) /(249+1) =1Hz
[#]_
.. [#] prescaler p.781
Calibration
RTC裡面有兩個校正功能,一個是coarse calibration另一個是smooth calibration。[#]_
.. [#] Calibration p.787
這兩個校正不能同時被使用,而前者只能固定修正,後者則可以動態的校正。後者也可以較大範圍及更精準的校正。
1、RTC coarse calibration :
被使用在補償石英震盪器的校正。
在非同步分頻器(ck_apre)的輸出,藉由增加或減少時間的週期達到校正,最大範圍的校正為63ppm~126ppm。
只能在初始化Calendar時候修改,是一個開迴路控制(opened loop control)(又稱非回授控制系統)。
可以利用AFO_CALIB去計算clock deviation。不能以圖中512Hz的訊號去確認coarse calibration的輸出結果,只能使用ck_spre確認校正的結果。
reference clock calibration 和 coarse calibration 不能同時使用。
cal.png
2、RTC smooth calibration:
可以補償石英震盪器的偏差,此偏差可能是晶體老化或者溫度所造成。
利用每個RTCCLK pulse為單位做出小幅調整,來修正RTC的clock頻率。
最大範圍的校正為-487.1ppm~+488.5ppm。
與coarse calibration不同,是屬於閉迴路控制(closed loop control)(又稱回授控制系統)。
可以使用AFO_CALIB來計算時間偏差,而且可直接檢查512Hz和1Hz的校正輸出。
cal.png
3、RTC reference clock detection:
- 利用外部時鐘校正,其時鐘源必須要比LSE的時鐘還精準。[#]_
.. [#] RTC reference clock p.786
RTC Calendar
讀取Calendar:
當在讀取Calendar時其實並不是真正直接讀取calendar register,其實是在讀shadow register,如果想要直接讀取calendar必須
要設BYPSHAD控制位元為1(在RTC_C Rregister)才能繞過shadow register而直接讀取calender register。
Shadow Register:
通常初始化和讀取的動作採用Shadow Register。
每兩個RTCCLK時間週期,RTC的calendar register (RTC_SSR, RTC_TR, and RTC_DR)的值會被自動更新到Shadow Register。
[#]_
.. [#] Calendar p.780
Alternate Function Outputs & Inputs
Alternate function 可以將RTC某些功能對應到輸出的接腳(GPIO Pin),這些輸出可以被選擇成tamp event 或 time stamp event,
甚至RTC Calibration 的訊號都可以藉由這個功能輸出。 [#]_
可以選擇兩個輸出:
輸出接腳 RTC_AF1(PC13) :
RTC_ALARM output: 1. RTC Alarm A 2. RTC Alarm B 3. RTC Wakeup
RTC_CALIB output
RTC_TAMP1
RTC_TS
輸出接腳 RTC_AF2 (PI8) :
RTC_TAMP1
RTC_TAMP2
RTC_TS
.. [#] Alternate Function Outputs & Inputs p.227
PI8接腳參考: datasheet p.10
Low Power Modes
RTC 設計為最小的耗能,在休眠模式下,RTC將繼續動作。 [#]_
當clock 的來源是LSE 或 LSI,在停止模式與待機模式下,RTC仍然活躍的動作。
在低功率( low power mode)模式下,Alarm, tamper event, time stamp event, and wakeup 依然會被中斷所啟動。
比較三種低功耗
睡眠模式(sleep mode):CPU停止工作,週邊設備繼續工作。
停機模式(stop mode):CPU停止工作,HSI、HSE進入關閉模式,STM32工作狀態仍然保留。(RTC正常運行)
待機模式(standby mode):STM32所有SRAM與暫存器內容,全部遺失(RTC正常運行)從待機模式喚醒相當於重新復歸。
電流消耗
一般運行模式 : 8.5mA
低功耗模式
睡眠模式 : 0.5mA
停機模式 :24uA
待機模式:2uA
.. [#] Low Power Modes p.126
Interrupt Application
Alarm
有兩個時鐘Alarm A及Alarm B,可以當作鬧鐘使用。而且相關的register也都會有兩組。[#]_
可利用Mask達成不同時間的鬧鈴效果。
- 以設定來說,生效的時候會透過EXTI_Line17的外部中斷RTC Alarm,讓ALRAF(ALRBF)的bit設成1 (Reference Manual p.380)
.. [#] Alarm p.781
利用MSKx bits設定遮罩改變Alarm的行為: [#]_
As an example, to configure the alarm time to 23:15:07 on Monday (預設MSK是0000)
.. [#] Alarm application note p.11
Periodic Wakeup Unit
周期性的喚醒(wakeup)可以達成類似一個定時倒數的timer,一個downcounting且會auto-reload 的timer。當它的counter數到0的時候,在打開中斷的情況下會定時觸發中斷。
與Alarm不同,Wakeup是定時觸發中斷,Alarm則是在特定時間才會觸發。
會有兩個因素影響wakeup unit的中斷觸發週期,一個是timer儲存數字的大小,一個是clock source。
設定wakeup period [#]_
有三種組態:
Configuration 1:short wakeup periods
Configuration 2:medium wakeup periods
Configuration 3: long wakeup periods
Configuration 1:
Prescalers connected to the timebase/wakeup unit
在這個設定中,wakeup unit,會接受由RTCCLK再經過Prescaler的clock。RTC_WUTR(RTC Wakeup Timer Register)為一個
auto-reload的down counting timer,這表示當使用者在初始化時設了一個值x,會在x數到0的時候觸發wakeup flag。
EX:當RTCCLK= 32768 Hz,代表著最小的timebase resolution為61.035μs(數一次的時間),最大則是488.28 μs。
所以這代表著最小可觸發wakeup flag時間為(0x0001 + 1) x 61.035 μs = 122.07 μs
最大可觸發wakeup flag時間為 (0xFFFF+ 1) x 488.28 μs = 2 s
註:STM32禁止timer初始值設為0
Prescalers connected to the wakeup unit for configurations 2 and 3
2和3的clock source相同,都是用來計算calendar的ck_spre。
Configuration 2:
The minimum timebase/wakeup period is (0x0000 + 1) x 61.035 µs = 122.07 µs.
The maximum timebase/wakeup period is(0xFFFF+ 1) x 32 s = 131072 s (more than 36 hours).
Configuration 3:
其Clock Source與 Configuration 2 一樣,差在2最大可以從0xFFFF倒數至0x0000,3則是0x1FFFF至0x00000
The minimum timebase/wakeup period is: (0x10000 + 1) x 61.035 µs = 250.06 ms
The maximum timebase/wakeup period is: (0x1FFFF+ 1) x 32 s = 4194304 s (more than 48 days).
Min. and max. timebase/wakeup period when RTCCLK= 32768Hz
.. [#] Periodic Wakeup Unit p.782
Time-stamp Function
實體世界裡有「郵戳為憑」來證明信件的時間,在網路世界裡如何來證明電子文件或交易的時間?
利用Time-stamp function 可以為任何電子文件或電子交易提供準確的時間證明,並且驗證其內容自蓋上時戳後是否曾被人修改過。[#]_
Time-stamp function 提供自動幫你儲存日曆的功能
RTC_TSDR register : 會去讀取RTC_DR 裡面的年、月、日、周的資料並儲存
RTC_TSTR register : 會去讀取RTC_TR 裡面的秒、時、分的資料並儲存
RTC_TSSR register : 會去讀取RTC_SSR 裡面的Sub-second 的資料並儲存
.. [#] Time-stamp Function p.790
Tamper Detection Function
Tamper Detection是一個可以檢測系統是否有被竄改的功能。在Tamper發生時,RTC Backup Register會全部自動reset,
達到保護系統的作用。而也可以在Tamper發生時,讓Timestamp發生。 [#]_
Backup registers
在主電源 VDD(1.8~3.6V) 關掉以後,這個backup registers會動作在 VBAT (1.65~3.6V)的低功率電源( low power mode),
所以它不會被system reset重設,它只會被tamper detection重設。或者因為backup domain reset。
如先前提到的,RTC_AF1和RTC_AF2可以被對映成不同接腳的輸入(alternate function )以偵測Tamper Event。
TAMPER1 可以被對映到: RTC_AF1(PC13) 或RTC_AF2 (PI8).
TAMPER 2可以被對映到: RTC_TAMP2 pin(PI8).
.. [#] Tamper Detection Function p.792
補充 : 何謂 Backup Domain ? [#]_
Backup Domain 有下列幾個主要裝置:
The RTC
The LSE oscillator
The backup SRAM when the low power backup regulator is enabled
PC13 to PC15 I/Os, plus PI8 I/O (when available)
當VDD停止供應電源時,Backup Domain會切到standby mode的電壓,換電池供電。在reset後,RTC registers, RTC backup register and backup SRAM會被保護以避免寫入。
SRAM:靜態隨機存取存儲器(Static Random-Access Memory, SRAM)是隨機存取儲存器的一種。所謂的「靜態」,是指這種存儲器只要保持通電,裡面儲存的數據就可以恆常保。
.. [#] Tamper Detection Function p.115
Example of Code
下面的範例為先初始化RTC的Calendar再去設定Alarm A。一開始開機時時間為8:29:55,LED3,4,5會在開機五秒前輪流閃爍。但是在第五秒後也就是8:30:00,Alarm A觸發中斷將所有LED燈都關掉。LED6 為auto-wakeup 每秒閃爍直到alarm觸發中止。
[ YouTube連結--實現RTC ] <https://www.youtube.com/watch?v=SbWUkchJd-8>
_
Initialize RTC
.. code-block:: prettyprint
RTC_InitTypeDef RTC_InitStructure;
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE); /* Enable the PWR clock */
PWR_BackupAccessCmd(ENABLE); /* Allow access to RTC */
RCC_LSICmd(ENABLE); /* Enable the LSI OSC */
while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_LSIRDY) == RESET); /* Wait till LSI is ready */
RCC_RTCCLKConfig(RCC_RTCCLKSource_LSI); /* Select the RTC Clock Source */
RCC_RTCCLKCmd(ENABLE); /* Enable the RTC Clock */
RTC_WaitForSynchro(); /* Wait for RTC APB registers synchronisation */
/* Configure the RTC data register and RTC prescaler */
RTC_InitStructure.RTC_AsynchPrediv = 127;
RTC_InitStructure.RTC_SynchPrediv = 249;
RTC_InitStructure.RTC_HourFormat = RTC_HourFormat_24;
RTC_Init(&RTC_InitStructure);
[#]_
.. [#] Device overview p.18
Setting Time
.. code-block:: prettyprint
/* set 8:29:55 */
RTC_TimeTypeDef RTC_TimeStruct;
RTC_TimeStruct.RTC_Hours = 0x08;
RTC_TimeStruct.RTC_Minutes = 0x29;
RTC_TimeStruct.RTC_Seconds = 0x55;
RTC_SetTime(RTC_Format_BCD, &RTC_TimeStruct);
Initialize RTC Alarm
.. code-block:: prettyprint
EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
/* EXTI configuration */
EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line17);
EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line17;
EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
/* Enable the RTC Alarm Interrupt */
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = RTC_Alarm_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
Setting Alarm Time
.. code-block:: prettyprint
RTC_AlarmTypeDef RTC_AlarmStructure;
RTC_AlarmCmd(RTC_Alarm_A, DISABLE); /* disable before setting or cann't write */
/* set alarm time 8:30:0 everyday */
RTC_AlarmStructure.RTC_AlarmTime.RTC_H12 = RTC_H12_AM;
RTC_AlarmStructure.RTC_AlarmTime.RTC_Hours = 0x08;
RTC_AlarmStructure.RTC_AlarmTime.RTC_Minutes = 0x30;
RTC_AlarmStructure.RTC_AlarmTime.RTC_Seconds = 0x0;
RTC_AlarmStructure.RTC_AlarmDateWeekDay = 0x31; // Nonspecific
RTC_AlarmStructure.RTC_AlarmDateWeekDaySel = RTC_AlarmDateWeekDaySel_Date;
RTC_AlarmStructure.RTC_AlarmMask = RTC_AlarmMask_DateWeekDay; // Everyday
RTC_SetAlarm(RTC_Format_BCD, RTC_Alarm_A, &RTC_AlarmStructure);
/* Enable Alarm */
RTC_ITConfig(RTC_IT_ALRA, ENABLE);
RTC_AlarmCmd(RTC_Alarm_A, ENABLE);
RTC_ClearFlag(RTC_FLAG_ALRAF);
RTC_Alarm_IRQHandler
.. code-block:: prettyprint
vTaskSuspend( pvLEDTask );
RTC_ClearITPendingBit(RTC_IT_ALRA);
EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line17);
STM_EVAL_LEDOff(LED4);
STM_EVAL_LEDOff(LED3);
STM_EVAL_LEDOff(LED5);
RTC_WKUP_IRQHandler
.. code-block:: prettyprint
if(RTC_GetITStatus(RTC_IT_WUT) != RESET) { RTC_ClearITPendingBit(RTC_IT_WUT); EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line22); STM_EVAL_LEDToggle(LED6); }
Complete Code
LCD的程式碼, 有介紹LCD的腳位, 可顯示字串在畫面上
.. code-block:: c
git clone https://github.com/zxc2694/stm32f4_LCD.git
cd stm32f4_LCD
make
make flash
利用LCD來做RTC的應用, 可以實現時間和日期的顯示
.. code-block:: c
git clone https://github.com/fboris/stm32_RTC_demo.git
cd stm32_RTC_demo
make
make flash
LCD Introduction
LCD(Liquid Crystal Display)為液晶顯示器,功耗極低,常在控制周邊時,用來顯示數據的變化。裡面已經有內建文字圖形(只有英文字母大小寫、阿拉伯數字、標點符號),只要輸入ASCII碼,便會將該字的圖形顯示於LCD,如果要顯示中文字可以利用CGRAM,自己做出想要的字。
我們的LCD則是用來顯示RTC的時間與日期,而下面有個簡單介紹,顯示0到9字的程式碼。
Pin Connection
規格參考 :http://www.sdec.com.tw/products.php?no=50
LCD使用了 14 pin .
LCD pin 1 = ground
LCD pin 2 = V+
LCD pin 3 = ground (or use variable resistor)
LCD pin 4 ~ 13 connection :
RS = PD.08 (PIN 8 of GPIOD)
R/W = PD.09
E = PD.10
DB0 = PD.00
DB1 = PD.01
DB2 = PD.02
DB3 = PD.03
DB4 = PD.04
DB5 = PD.05
DB6 = PD.06
DB7 = PD.07
Control Method
Initial LCD Code
.. code-block:: prettyprint
/* Initialization can decide whether to open a cursor, blink and display or not. */ void Init_LCD()
{ vTaskDelay(100);
LCD_CMD(0x003f);
vTaskDelay(10); LCD_CMD(0x000c); vTaskDelay(10);
LCD_CMD(0x0001);
vTaskDelay(10); }
Command Register Code
.. code-block:: prettyprint
/* Write command register function */ void LCD_CMD(uint16_t cmd)
{ int i; GPIO_SetBits(LCD_DBPORT, cmd); RS_0; RW_0; E_1;
vTaskDelay(1);
E_0; GPIO_ResetBits(LCD_DBPORT, cmd);
}
Data Register Code
.. code-block:: prettyprint
/* Write data register function */ void LCD_DATA(uint16_t data1)
{ int i; GPIO_SetBits(LCD_DBPORT, data1); RS_1; RW_0; E_1;
vTaskDelay(1);
E_0;
GPIO_ResetBits(LCD_DBPORT, data1);
}
Display String
.. code-block:: prettyprint
/* Testing LCD can display 0~9 / void LCD_display(char row,char column, char display[]) { char str; uint16_t address;
str=display; address=0x0080+0x0040(row-1)+(column-1);
LCD_CMD(address); vTaskDelay(10);
while(str!=0){ LCD_DATA(*str++); vTaskDelay(5);
}
str=display; }
Q & A
1.潤年是否可調整?
Ans:
可以, RTC提供了自動調整潤年的功能。
參考手冊 p.536.( Compensations for 28-, 29- (leap year), 30-, and 31-day months are performed automatically.)
2.為什麼要存在shadow register?
Ans:
有些暫存器是兩層的,第一層是給CPU存取,第二層是給硬體存取,像是我們使用的shadow register 與硬體其實它們兩個就是上下層的關係,不過是屬於同一個暫存器(calendar register)。CPU在寫入暫存器時,會先寫入在上層的shadow register,隨後硬體更新之後才會在下層動作, 所以shadow register 可以直接對硬體存取 。
而當我們讀取calendar register時, APB1的clock頻率必須等於或大於RTC的clock頻率才行, 存在shadow register是為了可以確保同步機制的安全, 如果APB1 clock頻率小於RTC clock頻率的話,CPU可能會讀到兩次的時間與日期。所以在初始化時,必須採用shadow register,才不會造成同步上的問題。
參考手冊 p.539
3.下數(down counter)如何實現?
Ans:
計數器由正反器構成,可以記錄狀態的變遷,或可說是正反器隨時脈的變化次數做故定狀態的循環。
要變成下數計時器只要在負緣觸發改成正緣觸發即可, 等於時脈輸入端加了反閘。
補充:
上數計時器
下數計時器
4.Backup domain 為什麼從1.65V轉成1.2V?
Ans:
因一般電池的電壓為1.5~1.2V, 而Backup domain只需在1.2V以上即可工作。
ps. 一般電池的電壓為1.5v(鹼性電池)至1.2(一般及充電電池)
而有關於1.65v的部份應該是跟debugger的界面有關係,st的st-link供應的電壓為1.65v至5v,相似的設計在ti的msp 430 usb debugger 也可以看到類似的設計(1.8v~3.6v)
ST-LINK:http://www.st.com/web/catalog/tools/FM146/CL1984/SC724/SS1677/PF251168
MSP430 USB Debugging Interface :http://www.ti.com/tool/cc-debugger
Reference
STM32F405xx/07xx, STM32F415xx/17xx, STM32F42xxx and STM32F43xxx Reference Manual <http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/reference_manual/DM00031020.pdf>
_
STM32F407 Datasheet <http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/DM00037051.pdf>
_