實時時鐘（RTC）是專用于維持一秒時基的計時器。此外，RTC通常用于在軟件或硬件中跟蹤時鐘時間和日歷日期。RTC的許多功能是非常專業(yè)的，是維持高精度和非?？煽康牟僮魉匦璧?。單片機外部有RTC設(shè)備，可與I2C或SPI總線接口。

一、實時時鐘概述

實時時鐘的基本功能是產(chǎn)生一秒的間隔并保持連續(xù)計數(shù)。如下圖所示，該時序圖描述了RTC的基本功能。

還顯示了程序功能A，該功能讀取秒計數(shù)器并安排事件B在未來三秒發(fā)生。此操作稱為警報。請注意，秒計數(shù)器連續(xù)運行，并且不會停止和啟動。對于RTC有兩個主要要求，分別是準確性和連續(xù)運行。下圖為RTC的常見硬件功能：

RTC通常具有自己的內(nèi)部振蕩器和外部晶體，并可以選擇使用外部頻率基準。所有時鐘源均以32768Hz運行。外部時鐘源允許使用非常精確和穩(wěn)定的設(shè)備，例如TCXO（溫度補償晶體振蕩器）。

使用多路復用器選擇時鐘源，并將其輸入到預分頻器中，該預分頻器將時鐘分頻為32768（215），以產(chǎn)生一秒的時鐘。

基本上RTC都具有秒計數(shù)器，通常為32位或更多。一些RTC具有專門的計數(shù)器來跟蹤一天中的時間和日歷日期。

沒有時間和日期計數(shù)器的基本RTC為此目的使用軟件。常見的選擇是來自輸出引腳的1Hz方波。RTC將具有多個可能的事件來生成處理器中斷。

RTC通常具有專用的電源引腳，以允許在單片機的其余部分掉電時進行操作。該電源引腳通常連接到電池或單獨的電源。

二、RTC精度和頻率補償

RTC的精度取決于32,768Hz時鐘源。在設(shè)計良好的晶體振蕩器中，誤差的主要來源是晶體。外部TCXO可用于高度精確的定時，或者特殊的頻率補償技術(shù)可用于較便宜的晶體和內(nèi)部振蕩器。晶體誤差的三個主要來源：

1.初始電路和晶體容差。
2.晶體隨溫度漂移。
3.晶體老化。

下圖為一些與RTC精度有關(guān)的概念：

該圖上的深藍色跡線顯示了典型的初始公差以及隨溫度的變化。粉色軌跡僅顯示溫度誤差。補償溫度的關(guān)鍵在于，晶體的行為是眾所周知的，并可以通過二次方程式進行預測。如果在制造電路板并且已知溫度之后測量初始誤差，則可以補償最大的誤差源。

經(jīng)過仔細補償后，黃色面積是準確度的合理目標。請記住，一年中1 ppm大約需要30秒。晶體老化難以彌補。幸運的是，老化通常每年只有幾ppm。

三、如何更改RTC時間

目前，有兩種方法可以更改RTC的時序，作為系統(tǒng)的一部分以補償錯誤。如前面所講的，在秒計數(shù)器的每個周期內(nèi)，可得到預分頻器所計數(shù)的振蕩器周期數(shù)。

前兩秒是通常的32768個周期。該軟件使用溫度讀數(shù)和初始誤差來確定振蕩器正在快速運行，并且32768個周期實際上為0.99990秒。為了補償這個小誤差，該軟件會告訴RTC每四秒鐘將預分頻器的模數(shù)更改為32781，以增加一些時間。 下圖為預分頻器計數(shù)的振蕩器周期：

此技術(shù)的優(yōu)勢在于，從第二秒到第二秒的時間間隔變化很小。但是，該技術(shù)需要一個可調(diào)節(jié)的預分頻器和其他寄存器來保存特殊的預分頻計數(shù)和特殊計數(shù)應(yīng)用之間的秒數(shù)。

如果RTC沒有特殊的預分頻器來調(diào)整時序怎么辦？下圖為另一種方法，該方法沒有預分頻器：

在這種情況下，框中的數(shù)字是秒計數(shù)器。顯示的計數(shù)是100251，后跟100252。軟件一直在連續(xù)計算調(diào)整并跟蹤RTC秒計數(shù)。當錯誤累積到精確的一秒時，軟件會增加或減少一秒以調(diào)整累積的錯誤。

該技術(shù)的缺點是，在進行調(diào)整時，從秒到秒的變化很大。該技術(shù)具有與任何RTC兼容的優(yōu)勢。

四、 實時時鐘的安全性

安全性是一個有趣的要求。在某些應(yīng)用程序中，時間用于為客戶計費以使用服務(wù)或消耗資源。關(guān)于防止或檢測RTC的黑客攻擊，有廣泛的實踐體系。技術(shù)的范圍從外殼的入侵檢測到單片機的特殊功能。

如果單片機上的RTC具有特殊的寄存器，可以允許軟件永久鎖定關(guān)鍵寄存器。一旦鎖定，就無法更改它們，并且可以防止它們被黑客入侵或失控。需要注意的是，更改時間需要完全復位單片機。

五、時間和日期

一些RTC具有硬件計數(shù)器，可以維護一天中的時間和日歷日期。這需要分鐘、小時、天、月、年的計數(shù)器，并考慮潤年。時間和日歷日期也可以通過軟件保存。

一個突出的例子是time.h文件中C標準庫中的函數(shù)。對于微控制器，該系統(tǒng)可以基于RTC的秒計數(shù)器。必須編寫四個小的自定義函數(shù)以完全支持time.h庫。

此處感興趣的一個函數(shù)由庫中的time（）函數(shù)調(diào)用，該函數(shù)以從稱為“紀元”的起點開始的秒數(shù)返回時間，通常是1970年1月1日。通常，要讀取的自定義函數(shù)硬件計時器名為get_time（）或類似的變體。get_time（）所做的所有操作都會讀取秒計數(shù)器并返回該值。圖書館會做剩下的事情，以秒為單位將此時間轉(zhuǎn)換為當前日期和日期。

以上就是英銳恩單片機開發(fā)工程師分享的單片機定時器中的實時時鐘（RTC）。英銳恩專注單片機應(yīng)用方案設(shè)計與開發(fā)，提供8位單片機、16位單片機、32位單片機、運算放大器和模擬開關(guān)。