MCU、MPU、CPU为何均离不开RTC电路设计
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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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
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图12 i2c上拉电阻使用
3、掉电不保存
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