如何正確設(shè)計實時時鐘RTC？

　　RTC(Real_Time Clock)為整個電子系統(tǒng)提供時間基準(zhǔn)，MCU、MPU、CPU均離不開RTC電路設(shè)計，在設(shè)計RTC單元時應(yīng)注意哪些事項?常見的RTC故障如何解決呢?

　　一、什么是RTC

　　實時時鐘(Real_Time Clock)簡稱為RTC，主要為各種電子系統(tǒng)提供時間基準(zhǔn)。通常把集成于芯片內(nèi)部的RTC稱為片內(nèi)RTC，在芯片外擴展的RTC稱為外部RTC。

　　圖1 時間格式

　　二、 RTC的發(fā)展

　　1、早期RTC

　　早期RTC常使用74/54系列、CC4000系列及555集成電路構(gòu)建秒脈沖源，再利用分頻器、計數(shù)器、緩存器等得到分、時、日、月、年的計時信號，最后通過通信口送到處理器處理。由于電路搭建復(fù)雜且受器件特性影響較大，這樣的RTC往往精度差、功耗大且占用大面積PCB空間，且這類產(chǎn)品面臨“2000年”的問題(千年蟲問題詳見百度)。

　　圖2 千年蟲問題

　　2、中期RTC

　　這一時期的RTC出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，由于采用特殊CMOS工藝，因此功耗大為降低，典型值約0.5μA以下，供電電壓僅為1.4V以下。為節(jié)約寶貴的IO接口，通訊口也變?yōu)榇蟹绞?，出現(xiàn)了諸如三線SIO/四線SPI，部分產(chǎn)品采用2線I2C總線。封裝上采用SOP/SSOP封裝，體積大為縮小。得益于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，這時的RTC精度、功耗等特性上得到實質(zhì)性提高，已具備萬年歷功能甚至可以做到晶振停振自動檢測功能。目前這類RTC正被廣泛使用。

　　圖3 PCF8583

　　3、新一代RTC

　　最新一代RTC產(chǎn)品中，除了包含第二代產(chǎn)品所具有的全部功能，更加入了復(fù)合功能，如低電壓檢測，主備用電池切換功能，抗印制板漏電功能，且本身封裝更小(高度0.85mm，面積僅為2mm*2mm)。

　　三、RTC使用

　　RTC設(shè)計推薦方案如圖4所示，若采用I2C/SPI通信的RTC IC且已具備I2C/SPI驅(qū)動程序，RTC的使用就顯得尤為簡單，僅需要加上晶振電路就可以工作了。

　　圖4 RTC硬件電路

　　RTC設(shè)計電路簡約而不簡單，時鐘芯片的選擇、電路設(shè)計、器件放置、阻抗控制、PCB走線規(guī)范均會影響RTC的時間基準(zhǔn)的穩(wěn)定性，如圖5所示為致遠電子基于Cortex-A7架構(gòu)的800MHz主頻的M6Y2C-256F256LI-T核心板以及配套硬件開發(fā)指南，致遠電子每一款核心板均有提供標(biāo)準(zhǔn)的推薦電路，為設(shè)計者提供穩(wěn)定可靠的設(shè)計參考。

　　圖5 提供完善硬件支持的核心板

　　軟件方面，我們僅以linux為例了解下RTC的使用。在內(nèi)核配置中選擇與硬件匹配的RTC驅(qū)動，以生成正確的內(nèi)核鏡像。

　　圖6 啟用PCF8563 RTC驅(qū)動

　　圖7 啟用片內(nèi)RTC

　　然后結(jié)合硬件測試RTC功能，使用命令date –-help獲取相關(guān)指令。hwclock –w命令將設(shè)置的時間同步到硬件，hwclock命令獲取RTC時間，判斷是否同步成功。

　　圖8 date命令(部分)

　　圖9 驗證保存狀態(tài)

　　四、RTC問題

　　1、計時不準(zhǔn)

　　RTC的主要職責(zé)就是提供準(zhǔn)確的時間基準(zhǔn)，計時不準(zhǔn)的RTC毫無價值可言。目前部分MCU在片內(nèi)已集成RTC，實際測試中在電池供電6小時環(huán)境下片內(nèi)RTC的偏差在1-2分鐘。因此，若對實時時鐘有較高的要求則需優(yōu)先考慮外擴RTC，若能支持溫度自動補償則精度更佳，如DS3231、PCF2129可以在后備電池供電時根據(jù)溫度變化自動修改補償量。

　　圖10 常見RTC精度對比(供參考)

　　2、無法讀寫

　　RTC無法讀寫(通信)時可從軟、硬件兩方面考慮。軟件方面重點考慮通信驅(qū)動的問題，在嵌入式linux系統(tǒng)中常表現(xiàn)出RTC驅(qū)動無法檢測到RTC的存在。比如在啟動信息中打印pcf8563_get_datetime: read error，或者無法對I2C/SPI操作。這類問題可以使用帶協(xié)議解碼的示波器排查、驗證。

　　圖11 I2C協(xié)議解碼

　　硬件方面，以常用的I2C為例，最不可忽視的則是上拉電阻的使用。I2C上拉電阻選擇1K-10K為宜，可根據(jù)通信速率、長度、節(jié)點數(shù)而定。在節(jié)點數(shù)多、干擾大時還應(yīng)在SDA、SCL線上串聯(lián)100～200ohm左右的電阻，有效抑制干擾脈沖。另外，所有IC都有意外損壞的可能，必要時更換RTC芯片。

　　圖12 I2C上拉電阻使用

　　3、掉電不保存

　　這種情況最可能的原因是未使用備用電源或備用電源沒電了，應(yīng)檢查硬件電源電路。軟件方面可能在用戶程序、自啟動腳本中設(shè)置了RTC，每次重啟則將RTC恢復(fù)為默認值，這時應(yīng)從啟動打印信息或系統(tǒng)日志中排查。