如何正确设计实时时钟 RTC?

时间:2018-04-11 16:14来源:ZLG致远电子

摘要:RTC(Real_TimeClock)为整个电子系统提供时间基准,MCU、MPU、CPU均离不开RTC电路设计,在设计RTC单元时应注意哪些事项?常见的RTC故障如何解决呢?

RTC(Real_Time Clock)为整个电子系统提供时间基准,MCU、MPU、CPU均离不开RTC电路设计,在设计RTC单元时应注意哪些事项?常见的RTC故障如何解决呢?

一、什么是RTC
实时时钟(Real_Time Clock)简称为RTC,主要为各种电子系统提供时间基准。通常把集成于芯片内部的RTC称为片内RTC,在芯片外扩展的RTC称为外部RTC。


 
图1 时间格式
 
二、 RTC的发展
1、早期RTC
早期RTC常使用74/54系列、CC4000系列及555集成电路构建秒脉冲源,再利用分频器、计数器、缓存器等得到分、时、日、月、年的计时信号,最后通过通信口送到处理器处理。由于电路搭建复杂且受器件特性影响较大,这样的RTC往往精度差、功耗大且占用大面积PCB空间,且这类产品面临“2000年”的问题(千年虫问题详见百度)。


 
图2 千年虫问题
 
2、中期RTC
这一时期的RTC出现在20世纪90年代,由于采用特殊CMOS工艺,因此功耗大为降低,典型值约0.5μA以下,供电电压仅为1.4V以下。为节约宝贵的IO接口,通讯口也变为串行方式,出现了诸如三线SIO/四线SPI,部分产品采用2线I2C总线。封装上采用SOP/SSOP封装,体积大为缩小。得益于半导体技术的发展,这时的RTC精度、功耗等特性上得到实质性提高,已具备万年历功能甚至可以做到晶振停振自动检测功能。目前这类RTC正被广泛使用。


 
图3  PCF8583
 
3、新一代RTC
最新一代RTC产品中,除了包含第二代产品所具有的全部功能,更加入了复合功能,如低电压检测,主备用电池切换功能,抗印制板漏电功能,且本身封装更小(高度0.85mm,面积仅为2mm*2mm)。

三、RTC使用
RTC设计推荐方案如图4所示,若采用I2C/SPI通信的RTC IC且已具备I2C/SPI驱动程序,RTC的使用就显得尤为简单,仅需要加上晶振电路就可以工作了。


 
图4 RTC硬件电路
 
RTC设计电路简约而不简单,时钟芯片的选择、电路设计、器件放置、阻抗控制、PCB走线规范均会影响RTC的时间基准的稳定性,如图5所示为致远电子基于Cortex-A7架构的800MHz主频的M6Y2C-256F256LI-T核心板以及配套硬件开发指南,致远电子每一款核心板均有提供标准的推荐电路,为设计者提供稳定可靠的设计参考。

 
图5 提供完善硬件支持的核心板
 
软件方面,我们仅以linux为例了解下RTC的使用。在内核配置中选择与硬件匹配的RTC驱动,以生成正确的内核镜像。

 
图6 启用PCF8563 RTC驱动
 
 
图7 启用片内RTC
 
然后结合硬件测试RTC功能,使用命令date  –-help获取相关指令。hwclock –w命令将设置的时间同步到硬件,hwclock命令获取RTC时间,判断是否同步成功。

 
图8 date命令(部分)
 
 
图9 验证保存状态
 
四、RTC问题
1、计时不准
RTC的主要职责就是提供准确的时间基准,计时不准的RTC毫无价值可言。目前部分MCU在片内已集成RTC,实际测试中在电池供电6小时环境下片内RTC的偏差在1-2分钟。因此,若对实时时钟有较高的要求则需优先考虑外扩RTC,若能支持温度自动补偿则精度更佳,如DS3231、PCF2129可以在后备电池供电时根据温度变化自动修改补偿量。


 
图10 常见RTC精度对比(供参考)
 
2、无法读写
RTC无法读写(通信)时可从软、硬件两方面考虑。软件方面重点考虑通信驱动的问题,在嵌入式linux系统中常表现出RTC驱动无法检测到RTC的存在。比如在启动信息中打印pcf8563_get_datetime: read error,或者无法对I2C/SPI操作。这类问题可以使用带协议解码的示波器排查、验证。


 
图11  I2C协议解码
 
硬件方面,以常用的I2C为例,最不可忽视的则是上拉电阻的使用。I2C上拉电阻选择1K-10K为宜,可根据通信速率、长度、节点数而定。在节点数多、干扰大时还应在SDA、SCL线上串联100~200ohm左右的电阻,有效抑制干扰脉冲。另外,所有IC都有意外损坏的可能,必要时更换RTC芯片。

 
图12  I2C上拉电阻使用
 
3、掉电不保存
这种情况最可能的原因是未使用备用电源或备用电源没电了,应检查硬件电源电路。软件方面可能在用户程序、自启动脚本中设置了RTC,每次重启则将RTC恢复为默认值,这时应从启动打印信息或系统日志中排查。

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