【GD32F303红枫派开发板使用手册】第九讲 RTC-万年历实验

聚沃科技 2024-06-07 544

描述

9.1 实验内容

通过本实验主要学习以下内容：

RTC简介
RTC复位
RTC实现万年历
RTC使用注意事项

9.2 实验原理

9.2.1 RTC简介

RTC(Real Time Clock)——实时时钟定时器，可以用作日历。RTC 电路分两个电源域部分，其一位于备份域中，该部分包括一个 32 位的累加计数器、一个闹钟、一个预分频器、一个分频器以及RTC时钟配置寄存器。备份域这部分电路不会因为系统复位或者MCU进入低功耗而丢失数据，所以在系统复位或MCU从低功耗下唤醒，RTC 的设置和时间都可以保持不变。另一部分位于VDD 电源域中，该部分只包括 APB 接口以及一组控制寄存器。

关于RTC的两个电源域及分布在两个电源域中的内容，需要读者牢记，否则会由于细节没处理好导致RTC工作异常。

以下为GD32F303的RTC框图：

图中RTC_CNT为计数值，每个SC_CLK时钟到来时，这个计数值增加+1。SC_CLK时钟源有三个：LXTAL（外部低速晶振）、IRC40K（内部40K晶振）和HXTAL/128，三个时钟源经过RTC_DIV产生SC_CLK。RTC_DIV的配置是通过RTC_PSC加载所得，RTC_PSC由寄存器RTC 预分频寄存器高位 (RTC_PSCH)和RTC 预分频寄存器低位 (RTC_PSCL)配置，有效位20bit，即RTC的时钟分频器最大值为2的20次方，完全足够应用了。

了解了上面的内容，RTC的工作原理就很好理解了。举个例子，RTC的时钟源选择LXTAL，频率为32.768KHz，然后设置RTC_PSC为32768，那么SC_CLK即为1Hz，也就是说，每秒钟RTC_CNT值+1，所以我们只要获得一段时间内RTC_CNT值增加了多少数，也就知道经过了多少秒。

我们从手册中可以看到RTC_CNT由RTC 计数寄存器高位 (RTC_CNTH)和RTC 计数寄存器低位 (RTC_CNTL)设置，这两个寄存器组合起来的有效位为32bit，即RTC_CNT可以记录2的32次方，即4,294,967,296个数，按照每秒增加一次的话，可以记录136多年，

除了基础的记时间的功能，RTC还有一个闹钟功能，RTC运行时，当RTC_CNT的值增加到和RTC_ALRM（由RTC 闹钟寄存器高位 (RTC_ALRMH)和RTC 闹钟寄存器低位 (RTC_ALRML)设置）相等时，则会产生ALRM中断，当然，程序中需要实现使能ALARM中断（ALRMIE）。

RTC还有另外两个中断，一个是秒中断，另一个是溢出中断。秒中断好理解，即每秒钟进入一个中断；溢出中断则是当RTC_CNT溢出时产生中断。

9.2.2 RTC复位

这里把RTC的复位单独作为一个章节来说，是因为这里很容易出错导致想要实现的功能无法实现。

前面说过，RTC分为两个电源域——备份域和VDD电源域，而一般的复位比如NRST脚复位、软件复位等只能复位VDD和VDDA电源域，而无法复位备份域；备份域复位需要VBAT掉电或者通过备份域控制寄存器（ RCU_BDCTL）的BKPDRST来进行备份域复位。

上节中的RTC框图中被深色框住的即属于备份域，这里提到一个很容易出错的地方，即RTC的时钟源选择。从框图看到时钟源由RTCSRC[1:0]来设置，这个位域属于备份域控制寄存器（ RCU_BDCTL）。

备份域控制寄存器（ RCU_BDCTL）：

寄存器描述中指出，一旦RTC的时钟源选择后，除了将备份域复位，否则时钟不能被改变。举个例子：一个产品选择LXTAL作为RTC时钟，但可能因为某些原因LXTAL停振了，需要将时钟源切换到IRC40K，程序如何实现呢？没错，需要复位备份域（控制BKPDRST位）才能重新选择时钟源，但一旦备份域进行了复位，包括RTC_CNT等数据都会丢失，所以在备份域复位前需要对RTC内的各个数据进行保存处理，待备份域复位后再重新写入。

9.2.3 RTC实现万年历

本实验用RTC做一个万年历，其中还需要考虑到闰年闰月的情况。实验设置的基准时间是1970年，即当RTC_CNT为0时，为1970年，实验最高可记录到2106年（1970+136）。

9.3 硬件设计

本实验实现每秒钟通过串口打印实时时间，即需要使用到开发板USB串口模块。另外RTC时钟源使用的是外部低速晶振，外部晶振原理图如下：

9.4 代码解析

9.4.1 RTC配置

在driver_rtc.c中定义了RTC配置函数rtc_configuration

C
void rtc_configuration(void)
{
    /*使能备份域和PMU时钟*/
    rcu_periph_clock_enable(RCU_BKPI);
    rcu_periph_clock_enable(RCU_PMU);
    /*使能备份域写功能*/
    pmu_backup_write_enable();
    /*备份域复位*/
    bkp_deinit();
    /*依据选择的时钟源进行时钟配置*/
    /*使用LXTAL*/
    #ifdef RTC_CLOCK_SOURCE_LXTAL
    /* 使能 LXTAL */
    rcu_osci_on(RCU_LXTAL);
    /* 等待LXTAL Ready */
    rcu_osci_stab_wait(RCU_LXTAL);
    /*选择LXTAL作为RTC时钟*/
    rcu_rtc_clock_config(RCU_RTCSRC_LXTAL);
    #endif
    /*使用IRC40K*/
    #ifdef RTC_CLOCK_SOURCE_IRC40K
    /* 使能 IRC40K*/
    rcu_osci_on(RCU_IRC40K);
    /* 等待IRC40K Ready */
    rcu_osci_stab_wait(RCU_IRC40K);
    /*选择IRC40K作为RTC时钟*/
    rcu_rtc_clock_config(RCU_RTCSRC_IRC40K);
    #endif

    #ifdef RTC_CLOCK_SOURCE_HXTAL_DIV_128
    /* 使能LXTAL */
    rcu_osci_on(RCU_HXTAL);
    /* 等待HXTAL Ready */
    rcu_osci_stab_wait(RCU_HXTAL);

    /*选择HXTAL/128作为RTC时钟*/
    rcu_rtc_clock_config(RCU_RTCSRC_HXTAL_DIV_128);
    #endif
    /*使能RTC时钟*/
    rcu_periph_clock_enable(RCU_RTC);
    /*等待RTC寄存器同步*/
    rtc_register_sync_wait();
    /*等待上一次操作完成*/
    rtc_lwoff_wait();
    /*使能RTC秒中断*/
    rtc_interrupt_enable(RTC_INT_SECOND);
    /*等待上一次操作完成*/
    rtc_lwoff_wait();
    /*依据选择的时钟源来设置分频，使RTC周期为1s*/
    #ifdef RTC_CLOCK_SOURCE_LXTAL
    rtc_prescaler_set(32767);
    #endif
    #ifdef RTC_CLOCK_SOURCE_IRC40K
    rtc_prescaler_set(40000);
    #endif
    #ifdef RTC_CLOCK_SOURCE_HXTAL_DIV_128
    rtc_prescaler_set(HXTAL_VALUE/128);
    #endif
    /*等待上一次操作完成*/
    rtc_lwoff_wait();
}

时钟源通过driver_rtc.h中的宏定义来选择：

C
#define RTC_CLOCK_SOURCE_LXTAL
//#define RTC_CLOCK_SOURCE_IRC40K
//#define RTC_CLOCK_SOURCE_HXTAL_DIV_128

9.4.2 万年历实现

在bsp_rtc.c中定义了实现万年历的几个函数：rtc_time_set、rtc_time_display、is_leap_year等。

rtc_time_set函数——第一次需要手动设置当前时间：

C
uint32_t rtc_time_set(uint16_t year, uint8_t month, uint8_t day, uint8_t hour, uint8_t minute, uint8_t second)
{
    uint16_t t;
    uint32_t seccount = 0;
                if (bkp_read_data(BKP_DATA_0) != 0xA5A5)
                {
                        rtc_configuration();

                        if(year < 1970 || year > 2099)
                                        return 1;

                        for(t = 1970; t < year; t++){
                                        if(is_leap_year(t)){
                                                        seccount += 31622400;
                                        }else{
                                                        seccount += 31536000;
                                        }
                        }
                        month -= 1;

                        for(t=0; t < month; t++){
                                        seccount += (uint32_t)month_table[t] * 86400;
                                        if(is_leap_year(year) && t==1){
                                                        seccount+=86400;
                                        }
                        }
                        seccount += (uint32_t)(day-1) * 86400;
                        seccount += (uint32_t)hour * 3600;
                        seccount += (uint32_t)minute * 60;
                        seccount += second;
                        rtc_counter_set(seccount);
                        bkp_write_data(BKP_DATA_0, 0xA5A5);
                        return 0;
                }
                else
                {
                        if (rcu_flag_get(RCU_FLAG_PORRST) != RESET){
                                        printf("Power On Reset occurred....\r\n");
                        }else if (rcu_flag_get(RCU_FLAG_EPRST) != RESET){
                                        printf("External Reset occurred....\r\n");
                        }
                        rcu_all_reset_flag_clear();
                        rcu_periph_clock_enable(RCU_PMU);
                        pmu_backup_write_enable();
                        rtc_register_sync_wait();
                        rtc_interrupt_enable(RTC_INT_SECOND);
                        rtc_lwoff_wait();
                        return 0;
                }
}

该函数中在第一次上电运行时，会进行初始时间设置，然后写入特定数据到备份域数据寄存器中。当发生系统复位但Vbat未掉电的情况下，则不会重新进行时间设置，但需要重新开启秒时钟中断，因为SCIE处于VDD电源域而不在备份域。

rtc_time_display函数——打印实时时间：

C
void rtc_time_display(uint32_t timevar)
{
    static uint16_t daycnt = 0;
    uint32_t temp = 0;
    uint16_t temp1 = 0;
    temp = timevar / 86400;

    if(daycnt != temp) {
        daycnt = temp;
        temp1 = 1970;

        while(temp >= 365){
            if(is_leap_year(temp1)){
                if(temp >= 366)
                    temp-=366;
                else
                    break;
            }else
                temp -= 365;
            temp1++;
        }

        calendar.years = temp1;
        temp1=0;

        while(temp >= 28)
        {
            if(is_leap_year(calendar.years) && temp1 == 1){
                if(temp >= 29)
                    temp -= 29;
                else
                    break;
            }else{
                if(temp >= month_table[temp1])
                    temp -= month_table[temp1];
                else
                    break;
            }
            temp1++;
        }
        calendar.months = temp1 + 1;
        calendar.days = temp + 1;
    }

    temp = timevar % 86400;
    calendar.hours = temp / 3600;
    calendar.minutes = (temp % 3600) / 60;
    calendar.seconds = (temp % 3600) % 60;

    printf("Time: %0.4d-%0.2d-%0.2d,%0.2d:%0.2d:%0.2d\r\n", calendar.years, calendar.months, calendar.days, calendar.hours, calendar.minutes, calendar.seconds);
}

is_leap_year函数——判断当前年是否为闰年：

C
uint8_t is_leap_year(uint16_t year)
{
    if((year%4 == 0 && year % 100 != 0) || (year % 400 == 0)){
        return 1;
    }else{
        return 0;
    }
}

9.4.3 main函数和中断函数实现

以下为main函数代码：

C
int main(void)
{
    delay_init();//delay函数初始化
    bsp_uart_init(&BOARD_UART);//BOARD_UART串口初始化
    nvic_irq_enable(RTC_IRQn,1,0);//打开RTC的NVIC
    rtc_time_set(year_set,month_set,day_set,hour_set,minute_set,second_set); //设置当前时间
    while (1){
        /* 判断是否到1s了*/
        if (timedisplay == 1){
            /* 显示实时时间*/
            rtc_time_display(rtc_counter_get());
            timedisplay = 0;
        }
    }
}

本例程main函数首先进行了延时函数初始化，再初始化开发板USB串口，开启RTC的NVIC后设置了当前时间，在while(1)循环中等待RTC数据更新，然后将实时时间打印出来。

中断函数代码：

C
void RTC_IRQHandler(void)
{
    if (rtc_flag_get(RTC_FLAG_SECOND) != RESET){
        /* 清除RTC秒中断标志位*/
        rtc_flag_clear(RTC_FLAG_SECOND);
        timedisplay = 1;
        /* 等待上一次操作完成 */
        rtc_lwoff_wait();

    }
}

9.5 实验结果

为了验证万年历是否工作正常，设定初始时间为2022年12月31日23时59分50s，当程序开始运行时，每秒钟打印时间，经过10s后，可以看到时间变为2023年1月1日0时0分0秒，说明万年历有效。

本教程由GD32 MCU方案商聚沃科技原创发布，了解更多GD32 MCU教程，关注聚沃科技官网

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