Часы реального времени

Часы реального времени (Real-time clocks) - это микросхемы со встроенными средствами регистрации времени, позволяющие отсчитывать секунды, минуты, часы, дни недели, числа месяца, годы и даже столетия. Некоторые микросхемы позволяют отсчитывать сотые доли секунды, учитывать переходы на летнее и зимнее время, имеют встроенную энергонезависимую память, супервизор питания. Полностью энергонезависимые часы реального времени выпускаются в комплекте со встроенной литиевой батареей питания, что полностью исключает нарушение корректного функционирования таких микросхем.

На рисунке 1 показана базовая структура часов реального времени с календарем без дополнительных функций.

Рис. 1. Базовая структура часов реального времени с календарем без дополнительных функций

Точность и стабильность отсчета времени зависит от параметров задающего кварцевого резонатора. В некоторых микросхемах часов реального времени компании STMicroelectronics предусмотрена аналоговая и цифровая калибровки для достижения максимальной точности измерения временных интервалов. Кварцевый генератор формирует тактовые импульсы с частотой 32,768 кГц. На выходе первого делителя частоты (счетчика 1) частота следования импульсов составляет 1 Гц (1 импульс в секунду), на выходе второго счетчика формируются минутные импульсы, на выходе счетчика 3 - один импульс в час и так далее вплоть до одного импульса в столетие на выходе счетчика 8. Информация о текущем моменте времени передается в микроконтроллер через последовательные интерфейсы I²C или SPI.

Часы реального времени STMicroelectronics сам производитель подразделяет на три типа:

• часы реального времени с очень низким потреблением (Low power Real-time clocks);
• часы реального времени промышленного стандарта (Industry standard Real-time clocks);
• часы реального времени высокой степени интеграции (High integration Real-time clocks).

Часы реального времени с очень низким потреблением

Часы реального времени с очень низким потреблением и допустимым напряжением питания в рабочем режиме до 1,3 В (отсчет времени продолжается вплоть до минимального напряжения 1,0 В) представлены серией M41T6x. Микросхемы потребляют всего 350 нА в режиме ожидания при напряжении питания 3 В. Низкое потребление особенно важно в режиме ожидания, так как в этом случае питание на микросхемы часов реального времени подается от резервной батареи. Основные параметры и функциональные особенности этих микросхем сведены в таблицу 1.

Микросхемы этой серии обновляют текущую информацию о годе, месяце, дне, дате, часах, минутах, секундах, десятых и сотых долях секунды и даже о столетии. Управление и обмен информацией с микроконтроллером происходит по стандартному интерфейсу I²C с тактовой частотой 400 кГц. Автоматические переходы на зимнее и летнее время упрощают использование часов реального времени серии M41T6x. Миниатюрный корпус QFN16 с размерами всего 3х3 мм позволяет встраивать эти микросхемы в компактные приборы.

Часы реального времени промышленного стандарта

Микросхемы часов промышленного стандарта (по классификации производителя STMicroelectronics) сведены в таблицу 2.

Среди микросхем этого типа часы реального времени M41T82, M41T83 и M41T93 имеют аналоговую и цифровую калибровки для подстройки частоты кварцевого резонатора 32,768 кГц. Аналоговая калибровка осуществляется регулировкой эквивалентной нагрузочной емкости CLOAD, что проиллюстрировано на рисунке 2.

Загружая через последовательный интерфейс в соответствующие регистры микросхем определенные значения (точные данные приведены в документации для конкретных часов реального времени), можно добиться минимального отклонения от необходимой частоты 32,768 кГц. Кроме того, в этих микросхемах имеется возможность и цифровой калибровки или подстройки частоты низкочастотного задающего кварцевого резонатора 32,768 кГц по высокочастотному кварцевому резонатору микроконтроллера. Дело в том, что стабильность частоты высокочастотных кварцевых резонаторов, частота которых измеряется единицами и десятками МГц, существенно выше, чем аналогичный параметр низкочастотных часовых кварцев с частотой 32,768 кГц. Это наглядно показано на рисунке 3, взятом из руководства по применению AN2678 компании STMicroelectronics.

Из рисунка 3 хорошо видно, что диапазон изменения частоты кварцевого резонатора 32,768 кГц в несколько раз больше по сравнению с диапазоном высокочастотного кварцевого резонатора, задающего тактовую частоту микроконтроллера. Эти свойства резонаторов позволяют реализовать дополнительно к аналоговой подстройке частоты цифровую калибровку резонатора 32,768 кГц по частоте задающего генератора микроконтроллера (см. рис. 4).

Две калибровки, основанные на разных принципах, существенно повышают стабильность частоты задающего генератора часов реального времени. Предварительная заводская калибровка микросхем M41T82, M41T83 и M41T93 позволяет обеспечить стабильность частоты ±5 ppm (ppm - одна миллионная часть), что позволяет получить точность отсчета времени с ошибкой не более 12 секунд в месяц при комнатной температуре. Цифровая калибровка существенно повышает точность хода часов не только при комнатной температуре, но и во всем индустриальном диапазоне рабочих температур. Микросхемы M41T82, M41T83 и M41T93 имеют встроенные схемы формирования сигналов, информирующих микроконтроллер о недопустимо низком напряжении питания основного источника. В этот момент происходит автоматическое переключение на питание от резервной батареи. Типовые напряжения порогов срабатывания этих микросхем в этих случаях приведены в нижней части рисунка 5.

Рис. 5. Структура часов реального времени M41T93 с интерфейсом SPI и схемой выбора питания

Микросхемы часов реального времени имеют встроенные дополнительные функции. На рисунке 5 показана функциональная схема часов реального времени M41T93 с управлением по последовательному интерфейсу SPI. Микросхема содержит интегрированную схему управления и выбора питания (от основного источника или резервной батареи), формирователь сигнала остановки кварцевого генератора, два формирователя сигналов оповещения (ALARM1 и ALARM2), таймер Watchdog, выход тестовой частоты, 8  бит памяти с однократным программированием (OTP), 7 байт памяти SRAM. Микросхемы выпускаются в миниатюрных корпусах QFN16, SO18 или SO8.

Микросхемы часов реального времени с высокой степенью интеграции

Этот тип часов реального времени STMicroelectronics имеет повышенный объем встроенной энергонезависимой памяти NVRAM, а некоторые микросхемы содержат в комплекте встроенную литиевую батарею питания (корпус SOH28), что обеспечивает стабильный бесперебойный отсчет времени в течение нескольких лет. Основные параметры и особенности микросхем этого типа сведены в таблицу 3.

Заслуженной популярностью среди разработчиков пользуются микросхемы часов реального времени M41T56C64 с напряжением питания 5 В ±10% (см. рис. 6), имеющие самый большой объем встроенной памяти (56 байт NVRAM + 8 кбайт EEPROM).

Встроенная память EEPROM - это хорошо известная разработчикам M24C64. Низкое потребление интегрированной памяти этих микросхем позволяет сохранять информацию при отключенном питании более 40 лет. Встроенный кварцевый резонатор, индустриальный диапазон рабочих температур, встроенная схема для автоматического перехода на резервное питание в сочетании с низкой ценой обеспечивают высокий успех этих микросхем среди широкого разнообразия часов реального времени. Несомненно, разработчиков заинтересует новая микросхема M41T00SC64 с аналогичными функциональными возможностями, но с широким диапазоном напряжений питания от 2,7 до 5,5 В. Это особенно актуально, так как подавляющее число современных микроконтроллеров работают при напряжении питания 3,3 В и ниже. Структурная схема M41T56C64 и M41T00SC64 приведена на рисунке 6.

Ответственный за направление в КОМПЭЛе - Александр Райхман