許多嵌入式應(yīng)用需要知道時間，以便在特定的時間和日期，或針對時間戳事件，或同時依據(jù)兩者執(zhí)行特定的任務(wù)。執(zhí)行此功能的 RTCC（實時時鐘和日歷）芯片問世已有數(shù)十年，但設(shè)計人員在縮減元件數(shù)目和基底面，同時最大限度減少功耗和設(shè)計時間方面一直面臨著挑戰(zhàn)。
集成式 RTCC 器件和創(chuàng)新式模塊如今可以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。
本文將討論如何選擇 RTCC 芯片，并快速應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計中，同時最大限度減小空間，降低功耗。文中還會討論具有內(nèi)置 RTCC 的 MCU，以及將可用的 RTCC 模塊與表面貼裝 RTC 及其他元件一同使用，協(xié)助原型開發(fā)。
整合到模塊中的 RTCC 芯片通常由 Arduino 庫和 Raspberry Pi Raspbian 驅(qū)動程序覆蓋層提供支持，利用它們可以更輕松地使用上述器件開展嵌入式實驗和原型開發(fā)。
RTCC 的角色
許多嵌入式應(yīng)用需要以極低的功耗跟蹤相對于真實世界的時間，同時減少在主處理器中所占用的空間，便與其處理其他任務(wù)。
然而，就其本身而言，RTCC 芯片能力有限。它需要一個用于計時的精確晶體（可能為可實現(xiàn)極精確計時的溫度補償型晶體），還需要備用電池電源，以便在嵌入式系統(tǒng)斷電時仍能繼續(xù)跟蹤時間。這些輔助元件決定了 RTCC 執(zhí)行其兩項主要任務(wù)的能力：
在所有條件下持續(xù)記錄精確的時間和日期
在嵌入式系統(tǒng)的其余部分?jǐn)嚯姾笙臉O少的功率
部分微控制器采用 RTCC
一些微控制器，例如 Microchip Technology 的 32 位 PIC32MZ2064DAA288 微控制器，采用了內(nèi)部 RTCC 塊。將此類器件用于設(shè)計需要精確計時的系統(tǒng)似乎是個不錯的主意，尤其是，PIC32MZ2064DAA288 微控制器在其用于為器件供電的正常電源引腳（VDDCORE 和 VDDIO）電壓不足時，會自動將內(nèi)部電源切換至其電池輸入引腳 (VBAT)。
但是，這類與 RTCC 以上所列兩項關(guān)鍵任務(wù)（即精確計時和低功耗運行）直接相關(guān)的器件，還存在一些其他挑戰(zhàn)。
首先，PIC32MZ2064DAA288 微控制器的 RTCC 塊需要在其兩個次級振蕩器引腳上連接一個 32768 赫茲 (Hz) 晶體，以便在微控制器斷電時維持精確的時間。雖然可以使用微控制器的主時鐘振蕩器來運行 RTCC 塊，但當(dāng)微控制器處于深度睡眠模式時，該振蕩器會停止運行。
片載 RTCC 采用了一個校準(zhǔn)寄存器，Microchip 也提供了一個校準(zhǔn)程序，可在晶體振蕩器頻率偏移最多 260 ppm 時將計時誤差減小至每個月 0.66 秒。但固定校準(zhǔn)無法計入溫度波動，而這也會影響振蕩器的頻率，進(jìn)而影響計時精度。
其次，除 RTCC 塊之外，微控制器在切換至電池電源后并未完全斷電。根據(jù)軟件控制，微控制器中的其他塊在電池運行期間可能啟用也可能未啟用。這樣帶來的挑戰(zhàn)是，電池的消耗和壽命變得高度依賴軟件。
這一挑戰(zhàn)并非 PIC32MZ2064DAA288 微控制器所獨有。任何采用 RTCC 塊的微控制器都會出現(xiàn)此問題。使用單獨的 RTCC 芯片可以克服該問題，將計時功能與微控制器明確隔離，而且，在微控制器不含內(nèi)部 RTCC 時，這也是唯一的設(shè)計選擇。
RTCC 芯片和模塊
數(shù)十年來，設(shè)計工程師一直使用單獨的 RTCC 芯片，在各種嵌入式和計算應(yīng)用中計時。盡管現(xiàn)在有多家 IC 供應(yīng)商提供此類芯片，但表面貼裝技術(shù) (SMT) 讓 RTCC 芯片的評估變得非常復(fù)雜，因為這些器件無法輕松進(jìn)行手動焊接或插入插座。
一種有效的解決方案是使用基于這些 RTCC 芯片的低成本模塊，消除與小型表面貼裝 IC 相關(guān)的原型開發(fā)挑戰(zhàn)。這些模塊還包含電池（通常為紐扣電池），以便在主系統(tǒng)斷電時保持電力。
Adafruit 的 255 Chronodot（圖 1）便是此類模塊一個很好的例子。此類模塊便于評估試驗板和原型開發(fā)中的 RTCC 芯片，許多情況下甚至適用于評估批量制造中的 RTCC 芯片。
圖 1：Adafruit 的 255 Chronodot 在一個通孔式模塊中整合了 RTCC 芯片和電池。（圖片來源：Adafruit）
表 1 列出了基于兩家 IC 供應(yīng)商的三款不同 RTCC 芯片的六個不同 RTCC 模塊。
| RTCC 模塊RTCC 芯片接口電池電池壽命最小值（典型值）DFRobot DFR0151Maxim DS1307I2CCR12259 (17) 年SparkFun BOB-12708Maxim DS1307I2CCR12259 (17) 年Adafruit 3103Maxim DS3231I2CCR1220不適用Adafruit 255 ChronodotMaxim DS3231I2CCR16328 年Maxim DS3231MPMB1#Maxim DS3231I2CCR1025不適用STM STeval-FET001V1STMicro M41T62I2C外置不適用 |
表 1：六個 RTCC 模塊詮釋了 RTCC 模塊的廣泛適用性和多樣性。（數(shù)據(jù)來源：Digi-Key Electronics）
利用類似表 1 所列的六款 RTCC 模塊，可以輕松地在原型系統(tǒng)中增加計時功能。在開發(fā)整合了底層 RTCC 芯片的電路板時，如果仔細(xì)觀察這些模塊的設(shè)計方法，就能發(fā)現(xiàn)一些有用的信息。
表 1 中需要注意的第一點是，所有這些 RTCC 模塊都有一個共同點，即 I2C 接口。上世紀(jì) 70 年代的早期 RTCC 芯片使用并行地址和數(shù)據(jù)總線來模擬小型 SRAM。在那個年代，并行微處理器總線非常普遍，而板載串行協(xié)議則尚未廣泛應(yīng)用。
如今，芯片到芯片串行協(xié)議，尤其是 I2C，已成為帶寬要求相對較低的外設(shè)的首選。RTCC 芯片絕對符合條件，因為它只需要很少的字節(jié)便能傳輸日期和時間信息。
表 1 中顯示的前兩個 RTCC 模塊，即 DFRobot 的 DFR0151 和 SparkFun 的 BOB-12708，均基于 Maxim Integrated 的 8 引腳器件 DS1307 RTCC 芯片。由于它的普及程度，人們針對基于此芯片的模塊提供了各種 Arduino 庫和一個 Raspberry Pi Raspbian 驅(qū)動程序覆蓋層。
DS1307 RTCC 具有單獨的電源軌和電池引腳，可在系統(tǒng)電源出現(xiàn)故障時，在嵌入式系統(tǒng)的電源軌與備用電池之間提供自動切換（圖 2）。
圖 2：Maxim Integrated 的 DS1307 RTCC 芯片在 VCC 引腳電壓降至約 4.5 V 以下時，會自動從 VCC 切換至 VBAT。（圖片來源：Maxim Integrated）
圖 2 還顯示了 DS1307 RTCC 芯片與晶體之間的連接。對于 RTCC 芯片，此晶體幾乎總是便宜的 32768 Hz 鐘表晶體，例如 IQD Frequency Products 的 WATCH-2X6。此晶體引入了使用 RTCC 芯片開展設(shè)計時需要考慮的兩個新的方面。
第一個因素是晶體的溫度穩(wěn)定性。大多數(shù) RTCC 使用最初為腕表而設(shè)計的“音叉”晶體。這些晶體會隨著溫度變化而偏離其額定頻率（圖 3）。
圖 3：32768 Hz 晶體的共振頻率隨溫度變化，這會影響 RTCC 的計時精度。（圖片來源：IQD Frequency Products）
IQD WATCH-2X6 晶體的共振頻率隨溫度變化，這會改變振蕩器的頻率，導(dǎo)致計時誤差。請注意，振蕩器頻率發(fā)生 20 ppm 的偏移對應(yīng)每月大約 1 分鐘的計時誤差。
第二個因素被圖 2 中晶體與 RTCC 芯片之間過度簡化的連接所隱藏。RTCC 芯片的晶體輸入引腳通常具有極高的阻抗，導(dǎo)致鐘表晶體的引線和 PC 板的印制線起到類似天線的作用。此“天線”可以將系統(tǒng)其余部分的高頻信號和噪聲耦合到 RTCC 的內(nèi)部晶體振蕩器。
任何通過鐘表晶體與 RTCC 芯片之間的印制線耦合的噪聲，都可能導(dǎo)致 RTCC 芯片的振蕩器電路中出現(xiàn)額外轉(zhuǎn)換，進(jìn)而導(dǎo)致時鐘運行加快。解決方案是采用細(xì)致的 PC 板布局。這包括將晶體置于盡可能接近 RTCC 芯片的振蕩器引腳的位置，以及在晶體輸入引腳和整個鐘表晶體主體的下面放置一個接地平面（圖 4）。
圖 4：接地平面上細(xì)致的 PC 板布局可預(yù)防有害的噪聲影響 RTCC 芯片的計時精度。（圖片來源：Maxim Integrated）
此外，圖 4 顯示的 RTCC 封裝下面用陰影線表示的禁布區(qū)，可以防止間距很近的印制線將噪聲耦合到 RTCC 芯片的晶體輸入引腳。如果可能，在 PC 板的元件層上增加一個環(huán)繞晶體和 RTCC 芯片晶體輸入引腳的保護(hù)環(huán)，也有助于防止噪聲對計時精度產(chǎn)生影響。
從 PC 板取下鐘表晶體并插入芯片中
為了規(guī)避外部晶體面臨的一些與 PC 板布局相關(guān)的挑戰(zhàn)，可選擇采用 STMicroelectronics 提供的帶有內(nèi)置晶體的 M41T62 RTCC。具有 24 引腳 DIP 基底面的 STMicroelectronics STeval-FET001V1 評估板上提供了此 RTCC 芯片。圖 5 顯示了此電路板的示意圖。其中有一個 Arduino 庫和一個 Raspberry Pi Raspbian 驅(qū)動程序覆蓋層可供 M41T62 使用。
圖 5：采用 24 引腳 DIP 封裝的 STeval-FET001V1 評估板上提供了 STMicroelectronics M41T62 RTCC 芯片（中央）。（圖片來源：STMicroelectronics）
如示意圖所示，M41T62 只有一個 VCC 引腳。它沒有在主電源軌出現(xiàn)故障時可選擇切換的單獨 VBAT 引腳，因為該器件的尺寸僅為 1.5 x 3.2 毫米，專門用于可穿戴設(shè)備和數(shù)碼相機(jī)。在這些嵌入式應(yīng)用中，電池往往是唯一的電源，而且空間非常寶貴。
請注意，也可以使用一個超級電容器作為 M41T62 的電源。在嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)電源或充電器可通過阻流二極管 D1，連接到 M41T62 的 VCC 引腳（圖 6）。
該二極管必須是與以上圖 5 中顯示的 1N4148WS 相似的低漏電類型，以防止超級電容器在系統(tǒng)的其余部分?jǐn)嚯姇r，通過系統(tǒng)電源反向放電。
圖 6：可使用可充電超級電容器為 M41T62 RTCC 芯片供電。（圖片來源：STMicroelectronics）
溫度補償可滿足晶體要求
表 1 中所列的三種 RTCC 模塊（Adafruit 3013、Adafruit 255 Chronodot 和 Maxim DS3231MPMB1#）均基于 Maxim 的 DS3231 RTCC 芯片（圖 7）。除集成式晶體之外，該器件還包括一個溫度傳感器，這也是該器件擁有較長正式名稱“超精準(zhǔn) I2C 集成式 RTC/TCXO/晶體”的原因所在。
圖 7：DS3231 RTCC 芯片集成了 32768 Hz 鐘表晶體、一個溫度傳感器和一個開關(guān)式電容器陣列，以便將器件的計時精度保持在每年 ±2 分鐘以內(nèi)。（圖片來源：Maxim Integrated）
如方框圖中所示，DS3231 的溫度補償型晶體振蕩器 (TCXO) 由內(nèi)部晶體、一個溫度傳感器和一個開關(guān)式電容器陣列構(gòu)成。與 DS1307 RTCC 類似，DS3231 也有單獨的主電源 (VCC) 和備用電池 (VBAT) 引腳。
與 STMicroelectronics M41T62 RTCC 芯片一樣，DS3231 RTCC 芯片消除了外部晶體存在的布局挑戰(zhàn)。它的 TCXO 減少了溫度擺動造成的計時精度波動。DS3231 的內(nèi)部 TCXO 能在極寬的工作溫度范圍（-40°C 至 +85°C），將器件的計時精度保持在每年正負(fù) 2 分鐘以內(nèi)。
由于它的普及程度，人們針對基于 DS3231 RTCC 芯片的模塊還提供了多個 Arduino 庫和一個 Raspberry Pi Raspbian 驅(qū)動程序覆蓋層。
電池能持續(xù)使用多長時間？
電池需保養(yǎng)維護(hù)，無法永久續(xù)航。在將 RTCC 添加至嵌入式設(shè)計時，務(wù)必注意 RTCC 芯片所需的電池電流，以適當(dāng)調(diào)整備用電池的大小。
RTCC 應(yīng)用中的電池壽命將取決于 RTCC 芯片在計時時的漏極電流、RTCC 芯片所需的最低工作電壓，以及電池在其輸出電壓降至低于該最小工作電壓之前能夠供應(yīng)所需電流的時間量（圖 2）。
| RTCC 芯片電池電流 (nA) 典型值（最大值）Maxim DS1307300 (500)Maxim DS3231840 (3000)STMicro M41T625000 (7000) |
表 2：RTCC 芯片的電池供電電流額定值有助于調(diào)整合適的備用電池大小。（數(shù)據(jù)來源：Digi-Key Electronics）
之前表 1 中顯示的 RTCC 模塊均已選定備用電池。一些模塊供應(yīng)商在模塊的規(guī)格書上包含了電池壽命數(shù)字，此數(shù)字同樣顯示在表 1 中。鋰紐扣電池目前是這些模塊首選的電池類型。表中所列器件的電池直徑不外乎 10、12 和 16 毫米。當(dāng)然，電池容量越大，增加的空間和重量往往也更多，但顯而易見的好處是，給定電流下的電池壽命更長。
總結(jié)
在選擇 RTTC 器件、選擇配套的晶體和電池以確保精準(zhǔn)操作，以及為 PC 板布局時，都應(yīng)格外小心。另一方面，基于 RTCC 芯片的可用模塊為試驗板和原型開發(fā)提供了捷徑，大幅縮短了開發(fā)時間
