STM32片內(nèi)RTC亞秒特性以及應(yīng)用演示的分享

絕大多數(shù)STM32系列里的RTC都具有亞秒【或稱子秒】計(jì)數(shù)單元。為了了解亞秒特性及功能，不妨先看RTC的功能框圖。本文中的有關(guān)截圖若無(wú)特別說(shuō)明均來(lái)自STM32L4系列參考手冊(cè)。

RTC的時(shí)鐘源【RTCCLK】可以是LSE、LSI或者HSE/32，由RTCCLK最終變成日歷的秒脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)了2次分頻。先經(jīng)過(guò)上圖中A處的異步分頻單元，默認(rèn)分頻系數(shù)是128，形成ck_apre時(shí)鐘，默認(rèn)情況下該時(shí)鐘頻率為256Hz；然后該時(shí)鐘脈沖來(lái)到圖中B處的同步分頻單元，默認(rèn)分頻系數(shù)為256，最終形成1Hz的秒脈沖【ck_spre】到日歷單元。關(guān)于兩分頻單元分頻系數(shù)的配置，通過(guò)對(duì)RTC_PRER寄存器的相關(guān)位編程實(shí)現(xiàn)。

其中異步分頻系數(shù)配置位【PREDIV_A】有7位，同步分頻系數(shù)【PREDIV_S】有15位。另外，同步分頻單元還包括采用向下計(jì)數(shù)方式的亞秒計(jì)數(shù)器，它基于異步分頻后的時(shí)鐘ck_apre進(jìn)行計(jì)數(shù)，溢出時(shí)的重裝值等于PREDIV_S。一般來(lái)講，它的一個(gè)計(jì)數(shù)周期就是1s,其計(jì)數(shù)分辨率或精度為【1/(PREDIV_S+1)】秒。與之配套的亞秒寄存器，實(shí)時(shí)記錄亞秒計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，有效數(shù)據(jù)位乃16位，比PREDIV_S多1位，多出的1位另有它用，此處不表。

顯然，當(dāng)有了這個(gè)亞秒計(jì)數(shù)器后，我們就可以獲得少于1秒的時(shí)間，或說(shuō)秒的小數(shù)部分---亞秒，其精度由同步分頻系數(shù)PREDIV_S決定，某時(shí)刻的亞秒數(shù)通過(guò)亞秒寄存器獲取，對(duì)應(yīng)的亞秒時(shí)間可以通過(guò)上圖中第2個(gè)紅色方框內(nèi)的算式求得【提醒：亞秒計(jì)數(shù)器采用向下計(jì)數(shù)方式】。

關(guān)于RTC的亞秒概念及基本特性就介紹到這里。稍微小結(jié)下:

1、亞秒是對(duì)少于1秒的時(shí)間稱謂，范圍在0到1秒，并非固定的值；

2、亞秒精度【分辨率】可調(diào)，由PREDIV_S參數(shù)決定，即【1/(PREDIV_S+1)】秒；

3、亞秒寄存器【RTC_SSR】實(shí)時(shí)記錄亞秒計(jì)數(shù)器的值，具體由SS[15:0]體現(xiàn)；

3、亞秒時(shí)間通過(guò)算式（PREDIV_S-SS）/(PREDIV_S+1)求得；

我們知道RTC除了提供基本的日歷功能外，還有很好的低功耗特性，常用于低功耗的喚醒。有些低功耗應(yīng)用場(chǎng)合，雖然系統(tǒng)需要周期性的喚醒，但對(duì)喚醒周期的一致性要求往往并不嚴(yán)格、很多時(shí)候的周期值往往遠(yuǎn)達(dá)不到秒級(jí)，比方在10個(gè)毫秒上下、幾十個(gè)毫秒左右、100毫秒量級(jí)不等。像這種場(chǎng)合，我們可以考慮使用RTC的亞秒特性和ALARM功能實(shí)現(xiàn)周期性喚醒。

假設(shè)某STM32用戶有這樣的需求，他的系統(tǒng)涉及低功耗，需要周期性地做休眠與喚醒的切換。他希望系統(tǒng)進(jìn)入休眠后每隔50±20ms的時(shí)間范圍內(nèi)被喚醒，喚醒后做些基本的檢測(cè)處理后又進(jìn)入休眠。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)需求，對(duì)于很多帶LPTIM的STM32系列也很方便實(shí)現(xiàn)。

不過(guò)，今天主要想聊聊如何通過(guò)RTC來(lái)實(shí)現(xiàn)該需求。了解STM32的RTC的人可能知道，RTC模塊往往還自帶一個(gè)專門的16位向下計(jì)數(shù)的喚醒定時(shí)器，即下面RTC局部框圖中紅框所在單元。我這里要分享的也不是這個(gè)專用喚醒定時(shí)器，而是想基于ALARM事件和亞秒特性來(lái)實(shí)現(xiàn)上面需求。

對(duì)于RTC的ALARM功能我們都不陌生，即先預(yù)設(shè)需要ALARM的時(shí)間點(diǎn)，當(dāng)日歷時(shí)間跟設(shè)定的ALARM時(shí)間匹配時(shí)就可以觸發(fā)ALARM事件及中斷。對(duì)于ALARM時(shí)間點(diǎn)的報(bào)警條件可以有很多靈活的組合配置，比方我們可以設(shè)置在某月某日某時(shí)某分某秒ALARM，也可以設(shè)置在某分某秒ALARM，其它不關(guān)心，或者僅設(shè)置在某個(gè)亞秒時(shí)刻ALARM，其它不關(guān)心。

上圖中四種ALARM設(shè)置，灰色部分表示不關(guān)心項(xiàng)，即不參與日歷值與ALARM設(shè)定值相關(guān)項(xiàng)的比較。這里分別表示的警情時(shí)刻是：

第一種，只要日歷中跟ALARM設(shè)置的時(shí)、分、秒匹配時(shí)報(bào)警，其它不關(guān)心；

第二種，只要日歷中跟ALARM設(shè)置的分值、秒值匹配時(shí)報(bào)警，其它不關(guān)心；

第三種，只要日歷中跟ALARM設(shè)置的秒值和亞秒低3位值匹配時(shí)報(bào)警，其它不關(guān)心；

第四種，只要日歷中跟ALARM設(shè)置的亞秒的低4位值匹配時(shí)報(bào)警，其它不關(guān)心；

我們回到前面提到的需求，每隔50±20ms做喚醒，即30ms~70ms范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)喚醒都可以接受。如果說(shuō)使用ALARM中斷，相信很多人自然會(huì)想到，先設(shè)定一個(gè)ALARM點(diǎn)，等喚醒后再修改新的ALARM值，就這樣延續(xù)下去。

這樣操作也是可以的，即每次在ALARM中斷里修改新的ALARM時(shí)間點(diǎn)。下圖是對(duì)ALARM值進(jìn)行編程的流程【設(shè)置時(shí)先要關(guān)閉ALARM，修改ALARM值后再手動(dòng)開啟ALARM單元】：

不過(guò)，結(jié)合眼前的應(yīng)用需求，我們可以不使用上面的做法，而是巧妙地使用RTC亞秒特性來(lái)實(shí)現(xiàn)周期性的ALARM以滿足需求。怎么個(gè)巧法呢？一起來(lái)看看。

先假定RTCCLK為32768Hz,RTC同步分頻系數(shù)和異步分頻系數(shù)分別為如下參數(shù)：

PREDIV_A=127,PREDIV_S=255。

依據(jù)現(xiàn)有的分頻配置，則亞秒的時(shí)間精度或者說(shuō)分辨率為（1/256）秒，3.9ms的樣子，即亞秒計(jì)數(shù)器每計(jì)1個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是3.9ms，算4ms吧?！居涀∵@個(gè)數(shù)據(jù)后面要用】

談到這里，我們跳躍一下思路，換個(gè)數(shù)學(xué)話題聊聊。【注：這個(gè)地方可能有點(diǎn)突兀。突兀的突悟往往離不開艱辛的修行?！?/p>

這里有從0開始按照從小到大排列的一批足夠多的自然數(shù)列，按10進(jìn)制展現(xiàn)。我們來(lái)看看幾種情形：

1、如果找出只要個(gè)位數(shù)相同的數(shù)據(jù)，仍然按照從小到大排列，每相鄰兩個(gè)數(shù)的差值一定是10。對(duì)不對(duì)？

2、如果找出只要個(gè)位數(shù)與十位數(shù)都相同的數(shù)據(jù)，仍然按照從小到大排列，每相鄰兩個(gè)數(shù)的差值一定是100。沒(méi)錯(cuò)吧。

3、如果找出只要個(gè)位數(shù)與十位數(shù)以及百位數(shù)都相同的數(shù)據(jù) 仍然按照從小到大排列，每相鄰兩個(gè)數(shù)的差值一定是1000。結(jié)論也沒(méi)問(wèn)題。

。。。。。。

到此，我們應(yīng)該發(fā)現(xiàn)規(guī)律了，通過(guò)關(guān)注低幾位數(shù)相同而重新有序排列而成的相鄰數(shù)據(jù)之差即為10的幾次方，其實(shí)這里相鄰數(shù)的差值也就是原自然數(shù)列中兩個(gè)數(shù)的位置間隔?！咀⒁怅P(guān)鍵詞：位數(shù)，數(shù)據(jù)，相鄰】我們可以基于下圖的一批十進(jìn)制數(shù)據(jù)表格做些直觀的觀察。

好，我們不妨改變下數(shù)據(jù)的進(jìn)制看看。還是從0開始按照從小到大排列的一批足夠多的自然數(shù)列，按2進(jìn)制展現(xiàn)。依然看看幾種情形并得出相應(yīng)結(jié)論。

1、若找出只要低1位數(shù)相同的數(shù)據(jù)，仍按照從小到大排列，每相鄰兩個(gè)數(shù)的差值一定是2；

2、若找出只要低2位數(shù)都相同的數(shù)據(jù)，仍按照從小到大排列，每相鄰兩個(gè)數(shù)的差值一定是4；

3、若找出只要低3位數(shù)都相同的數(shù)據(jù) 仍按照從小到大排列，每相鄰兩個(gè)數(shù)的差值一定是8；

其它我們可以依次類推。

同樣，我們也發(fā)現(xiàn)規(guī)律，通過(guò)關(guān)注二進(jìn)制數(shù)的低幾位相同而重新有序排列而成的相鄰數(shù)據(jù)之差即為2的幾次方。我們可以基于下圖的一批二進(jìn)制數(shù)據(jù)表格做些直觀的觀察。【橙色代表低2位相同的數(shù)據(jù)，綠色代表低3位相同的數(shù)據(jù)，紅色代表低4位相同的數(shù)據(jù)】

上面專門聊了一段純數(shù)學(xué)話題，繼續(xù)回到我們的亞秒應(yīng)用問(wèn)題。

我們知道，包括亞秒在內(nèi)的整個(gè)日歷數(shù)據(jù)實(shí)質(zhì)上是個(gè)具有高低順序和進(jìn)位關(guān)系的數(shù)據(jù)，其中，亞秒是整個(gè)日歷數(shù)據(jù)里的最低端。當(dāng)我們?cè)O(shè)置ALARM參數(shù)時(shí)，如果說(shuō)只關(guān)注亞秒的低1位，其它都不關(guān)心。基于前面的數(shù)學(xué)話題鋪墊可知，每當(dāng)出現(xiàn)低1位數(shù)據(jù)相同的兩個(gè)相鄰數(shù)，總是相差2個(gè)計(jì)數(shù)單位，這里就是2個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。換言之，每隔2個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，結(jié)合前面分析，即每隔8ms都會(huì)觸發(fā)ALARM事件。

如果說(shuō)只關(guān)注亞秒的低2位，其它都不關(guān)心，那么每當(dāng)出現(xiàn)低2位數(shù)據(jù)相同的相鄰數(shù)，總是相差4個(gè)計(jì)數(shù)單位，即4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。換言之，每隔4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，即16ms都會(huì)觸發(fā)ALARM事件。

如果只關(guān)注亞秒的低3位，其它參數(shù)都不關(guān)心，每當(dāng)出現(xiàn)低3位數(shù)據(jù)相同的相鄰數(shù)，總是相差8個(gè)計(jì)數(shù)單位，即8個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，每隔32ms都會(huì)觸發(fā)ALARM事件。

其它依此類推。

談到這里，設(shè)置的只關(guān)心亞秒的位數(shù)跟ALARM周期的關(guān)系應(yīng)該說(shuō)很清晰了。我在下面簡(jiǎn)單羅列了基于前面條件下亞秒的關(guān)心位數(shù)與ALARM周期的對(duì)應(yīng)表：【灰色表示不關(guān)心，不參與日歷值與ALARM設(shè)定值的比較，只有綠色位參與比較】

現(xiàn)在期望的喚醒周期是50±20ms，我們配置亞秒計(jì)數(shù)器的低3位或者低4位作為ALARM的比較位【說(shuō)關(guān)心位、參與位什么的都可以】，其它設(shè)置為不關(guān)心就可以滿足要求。我們不妨選擇亞秒計(jì)數(shù)值的低4位參與比較，即每?jī)纱蜗噜廇LARM相差16個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，周期約為64ms。

下面是我使用CubeMx進(jìn)行的日歷和ALARMA的配置，重點(diǎn)看下ALARM配置。

這里的ALARM配置只選擇亞秒的低4位參與比較，既然這樣其它參數(shù)就無(wú)所謂了。其中那個(gè)用于比較的亞秒值我這里寫的12,這個(gè)值寫多少并不影響ALARM周期的擬定，只會(huì)影響每次發(fā)生ALARM事件時(shí)的亞秒計(jì)數(shù)器的低4位的值。其實(shí)，當(dāng)我們選定只關(guān)心亞秒計(jì)數(shù)器的低4位時(shí)，重復(fù)ALARM的周期就已經(jīng)定了。

完成配置、建立工程、組織測(cè)試代碼。

我在ALARM中斷里讀取每次發(fā)生ALARM事件時(shí)的亞秒值。我截取幾個(gè)連續(xù)ALARM事件的相關(guān)信息在如下幾幅圖。其中變量Sub_Value和stime1.SubSeconds是一個(gè)東西，表示發(fā)生ALARM事件時(shí)亞秒計(jì)數(shù)器的值。比如下面各截圖中的236、220、204、188、172、156幾個(gè)數(shù)，顯然兩相鄰數(shù)的間隔保持準(zhǔn)確的16個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，若把這幾個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)成2進(jìn)制，他們的低4位都是1100B,即我在前面ALARM設(shè)置的亞秒比較值12。

若在每次的ALARM中斷里把發(fā)生ALARM的時(shí)間點(diǎn)實(shí)時(shí)打印出來(lái)，可以清晰地看到相鄰兩次ALARM事件的時(shí)間間隔固定在63ms左右，這個(gè)值跟前面規(guī)劃的基本一致。

有人或許會(huì)問(wèn)，相鄰ALARM事件的時(shí)間差為什么沒(méi)有計(jì)數(shù)脈沖數(shù)差值那樣穩(wěn)定精準(zhǔn)。我認(rèn)為主要有兩點(diǎn)原因，一是我測(cè)試時(shí)并沒(méi)有使用標(biāo)準(zhǔn)的32768外部時(shí)鐘，而是選擇的內(nèi)部LSI，它的頻率一般在31Khz到33KHz之間，不像LSE那么精準(zhǔn)。還有一個(gè)原因，在做亞秒時(shí)間計(jì)算時(shí)，因?yàn)闊o(wú)法整除原因肯定會(huì)帶來(lái)計(jì)算偏差。

利用上面方法可以省去每次修改ALARM配置的操作，類似這種具有周期性且周期不大于1秒的應(yīng)用都可以嘗試考慮上述方法，必要的時(shí)候可以考慮調(diào)整同步分頻系數(shù)即亞秒計(jì)數(shù)器的重裝值以滿足具體的時(shí)間精度要求。當(dāng)然，調(diào)整同步分頻系數(shù)的同時(shí)往往要調(diào)整異步分頻系數(shù)，原則上異步分頻系數(shù)要盡量大以充分降低RTC模塊帶來(lái)的功耗，具體應(yīng)用時(shí)我們可以綜合考慮后再做調(diào)整。

審核編輯：劉清