mbedos RTC介绍与使用

只看该作者 · 2024-5-30 11:08

本帖最后由 DKENNY 于 2024-5-30 11:06 编辑

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前言

在嵌入式系统开发中，时间管理对于许多应用程序至关重要。无论是日程安排、数据记录还是事件同步，精确的时间记录都是不可或缺的。在Mbed OS中，RTC（Real Time Clock，实时时钟）起着至关重要的作用，为开发人员提供了可靠且准确的时间跟踪功能。RTC不仅仅是一个简单的时钟，它是系统中的重要组成部分，用于记录时间、定时任务以及事件的时间戳。通过Mbed OS的RTC功能，开发人员可以轻松地处理时间相关的任务，确保系统在各种应用场景下都能准确运行。

1、RTC原理及介绍

RTC（Real Time Clock，实时时钟）是一种特殊的定时器，在设备掉电后仍然能够继续运行。与普通定时器相比，RTC相对简单，主要用于计时和触发中断。它的特殊之处在于，即使主电源断开，它也可以通过连接锂电池来继续工作，因此在整个APM32芯片中具有特殊的作用。

RTC的主要特性如下：

计时功能：RTC具有32位计数器，只能向上计数。它可以使用高速外部时钟的128分频、低速内部时钟LSI以及低速外部时钟LSE作为时钟源。

掉电继续运行：通过连接锂电池到APM32的RTC备份发卡（通过VBAT引脚供电），即使主电源断开，RTC仍然可以工作。RTC中的数据保存在备份域中，包括RTC模块寄存器以及42个16位寄存器，这些寄存器可以在主电源和备份电源断电时保持数据，不会被复位。

时钟源选择：由于掉电后高速外部时钟和低速内部时钟会受到影响，所以RTC通常使用低速外部时钟LSE作为时钟源，频率通常为32.768KHz。

总的来说，RTC在APM32中是一个简单但功能强大的外设，不仅具有计时和中断触发功能，还能在掉电情况下继续运行，保留重要数据。

如下是APM32F4系列的RTC外设框图。

运行流程：

当APM32的主电源VDD正常工作时，RTC可以触发三种事件：RTC_Second（每秒触发的中断）、RTC_Overflow（溢出事件）和RTC_Alarm（闹钟中断）。但是，通过结构图可以看出，定时器溢出事件无法配置为中断触发。如果APM32处于待机状态，它可以被闹钟事件或外部唤醒事件（WKUP事件，不属于RTC，属于EXTI模块）唤醒。闹钟事件会在RTC计数器RTC_CNT的值等于闹钟寄存器RTC_ALR的值时触发。

在备份域中，所有寄存器都是16位的，包括控制RTC的相关寄存器。在配置RTC模块时钟时，通常使用输入频率为32768Hz的RTCCLK，经过32768分频得到实际驱动计数器的时钟TR_CLK=RTCCLK/32768=1Hz，这意味着计时周期为1秒，计时器在1Hz的驱动下计数，即每秒计数器RTC_CNT的值加1。

更通俗易懂的解释：当APM32电源正常时，RTC相当于是一个时钟守护者，可以在每秒发出提醒、显示时间的效果。如果要把APM32从休眠状态唤醒，可以通过设置闹钟或者外部唤醒按钮来实现。就像闹钟会在设定的时间响起一样，RTC在特定数值时也可以触发操作。备份寄存器在这里起到储存关键数据的作用，类似于备用电源。配置RTC时钟就像是调整时钟上的秒针，确保计时器能够准确计数。

举个例子：想象你把APM32当做是一台记时器。每当总秒数达到60秒时，记时器会溢出，这个事件无法被配置为提醒。如果你希望在记时器显示特定分钟时提醒你，就相当于设置了一个闹钟。当记时器显示的分钟数等于你设定的值时，闹钟就会响起。同时，备份寄存器就像是一个盒子，可以在关掉电源后保存你的设置，让记时器不会忘记你的设定。配置RTC时钟的过程就像是调整记时器的时钟，以确保时间显示的准确性。

2、mbedos的RTC

Mbed OS（Mbed Operating System）是一款由Arm开发的开源嵌入式操作系统，专为物联网（IoT）设备和嵌入式系统设计。其 RTC（Real-Time Clock，实时时钟）模块提供了在嵌入式系统中管理时间和日期的功能。下面是相关的API说明。

Mbedos的RTC API说明

函数名	作用
void set_time(time_t t)	提供基于微控制器实时时钟 (RTC) 设置和读取当前时间的机制，以及一些标准 C 操作和格式化函数。参数说明： t 自 1970 年 1 月 1 日以来的秒数（UNIX 时间戳）
void attach_rtc (time_t(*read_rtc)(void), void(*write_rtc)(time_t), void(*init_rtc)(void), int(*isenabled_rtc)(void))	连接一个外部 RTC，用于 C 时间功能。参数说明： read_rtc 指向返回当前 UNIX 时间戳的函数的指针 write_rtc 指向设置当前 UNIX 时间戳的函数的指针，可以为 NULL init_rtc 指向初始化 RTC 的函数的指针，可以为 NULL isenabled_rtc 指向返回 RTC 是否已启用的函数的指针，可以为 NULL
int gettimeofday (struct timeval tv, void tz)	标准库重新定位，获取时间。参数说明： tv 结构包含 time_t 秒和 useconds_t 微秒。由于 RTC 实现针对不同的目标，因此仅使用秒部分。 tz 标准中已弃用：此参数保留在旧代码中。它不再使用。
int settimeofday (const struct timeval tv, const struct timezone tz)	标准库重新定位，设置时间。参数说明： tv 结构包含 time_t 秒和 useconds_t 微秒。由于 RTC 实现针对不同的目标，因此仅使用秒部分。 tz 标准中已弃用：此参数保留在旧代码中。它不再使用。

3、UNIX时间戳

在使用RTC外设之前，我们需要了解UNIX时间戳的概念。

想象一下，如果我们将RTC_CNT计数器从现在开始置为0，然后每秒加1，那么这个计数器什么时候会溢出呢？由于RTC_CNT是一个32位寄存器，它可以存储的最大值是（2的32次方-1），即大约需要232秒才会溢出，这相当于136年的时间：

N = (2^32)/365/24/60/60 ≈136年

举个例子，假设某时刻读取到计数器的数值为X = 60 x 60 x 24x 2，也就是两天的秒数。如果我们知道这个计数器在2011年1月1日的0时0分0秒被置为0，通过这个相对时间数值X，我们可以计算出这个时刻实际对应的是2011年1月3日的0时0分0秒。但是计数器会在（2011+136）年左右溢出，意味着在未来的（2011+136）年，如果我们仍然使用这个计数器来提供时间，就会遇到问题。

在操作系统中，通常会使用时间戳和计时元年来计算当前时间。大多数系统都采用UNIX时间戳和UNIX计时元年作为共同的参考标准。UNIX计时元年被设定为1970年1月1日0时0分0秒格林尼治时间，这主要是为了纪念UNIX系统的诞生。UNIX时间戳表示当前时间与UNIX计时元年之间经过的秒数。虽然UNIX时间戳主要用于表示当前时间或与计算机相关的时间，考虑到所有文件不可能在1970年前创建，因此UNIX时间戳很少用于表示1970年之前的时间。

在这种时间计数系统中，使用有符号的32位整数来存储UNIX时间戳，相比之前的例子，实际可用的计数位少了一位。这意味着UNIX计时元年相对较早，而这种计时机制将在2038年1月19日03时14分07秒发生溢出，这个日期并不遥远。由于UNIX时间戳被广泛应用于各种系统中，溢出可能引起严重问题。因此，如果我们在设计长期使用的设备时，就需要特别留意这个潜在问题。

4、RTC例程设计

复制

/*

 * Copyright (c) 2006-2020 Arm Limited and affiliates.

 * SPDX-License-Identifier: Apache-2.0

 */

#include "mbed.h"



int main()

{



    // 设置时间戳

    set_time(1716973801);



    while (true) {

        time_t seconds = time(NULL);



        printf("Time as seconds since January 1, 1970 = %u\n", (unsigned int)seconds);



        printf("Time as a basic string = %s", ctime(&seconds));



        char buffer[32];

        strftime(buffer, 32, "%I:%M %p\n", localtime(&seconds));

        printf("Time as a custom formatted string = %s", buffer);



        ThisThread::sleep_for(1s);

    }

}

这段代码是一个基于Mbed OS的简单程序，用于获取当前时间并以不同的格式打印出来。

1. 设置时间戳：

set_time(1716973801);

这行代码设置系统的时间戳为 1716973801，这个时间戳代表了从1970年1月1日0时0分0秒开始计算的秒数。

2. 获取当前时间：

time_t seconds = time(NULL);

使用 time(NULL) 函数获取当前时间的秒数，并将其存储在 seconds 变量中。

3. 打印时间：

printf("Time as seconds since January 1, 1970 = %u\n", (unsigned int)seconds);

这行代码以整数形式打印从1970年1月1日0时0分0秒开始到当前时间的秒数。

printf("Time as a basic string = %s", ctime(&seconds));

这行代码以基本的字符串格式打印当前时间，使用了 ctime 函数将时间转换为字符串格式。

char buffer[32];

strftime(buffer, 32, "%I:%M %p\n", localtime(&seconds));

printf("Time as a custom formatted string = %s", buffer);

这段代码以自定义格式打印当前时间。首先，使用 localtime 函数将时间转换为本地时间，然后使用 strftime 函数按照自定义格式 "%I:%M %p\n" 格式化时间，并将格式化后的时间存储在 buffer 数组中，最后通过 printf 函数打印出来。

note:strftime 函数介绍：https://www.ibm.com/docs/zh/i/7.5?topic=functions-strftime-convert-datetime-string

4. 延时：

ThisThread::sleep_for(1s);

这行代码使程序暂停1秒钟，然后再次执行循环中的代码，以模拟每隔1秒钟获取一次时间并打印出来的效果。

5、获取系统时间戳

系统当前时间戳的获取可以参考如下的代码。

复制

//获取系统当前时间戳

#include <iostream>

#include <chrono>

#include <ctime>



const std::time_t base_time = 0;



int main()

{

    // 获取当前系统的时间

    auto now = std::chrono::system_clock::now();



    // 将当前时间点转换为time_t格式

    std::time_t now_time = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);



    // 计算时间戳

    std::time_t timestamp = now_time - base_time;



    printf("%u", timestamp);

}