如何正确设计实时时钟RTC?

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。