代码收藏家 STM32F103单片机内部RTC实时时钟驱动程序详解
一、STM32f103系列RTC功能
RTC实时时钟功能是嵌入式软件开发中比较常用的功能，一般MCU的RTC功能都带有年月日时间寄存器，比如STM32F4xx系列，RTC描述如下：
可见F4系列的RTC功能比较强大，设置好初始时间后，读取各个寄存器就可以获取日期及时间。
但有一些芯片的RTC功能比较简单，比如在STM32F103系列的手册中，是这样描述的：
由上可知，STM32F103系列的RTC功能只有一个计数器，每1秒加1，没有年月日及时间寄存器，读取计数器的值后，需要使用软件计算出时间，如果32位的寄存器存储无符号整型数，则2^32 -1秒≈136.19年，最长可计时100多年，对大部分场景来说足够用了。当然，如果再加上后备寄存器配合使用，可计时更长的时间。
计数器每秒加1，这样产生的时间是从开始时刻以来经过的秒数，不得不让我们想到另一个知识——Unix时间戳。
Unix时间戳(Unix timestamp)，或称Unix时间(Unix time)、POSIX时间(POSIX time)，是一种时间表示方式，定义为从格林威治时间1970年01月01日00时00分00秒起至现在的总秒数，不考虑闰秒。Unix时间戳不仅被使用在Unix系统、类Unix系统中，也在许多其他操作系统中被广泛采用。
所以，我们可以在读出32位寄存器中的计数值时，当做Unix时间戳，然后通过软件算法，转换为标准时间，这样程序的通用性就较强了。
下面使用STM32F103ZET6（正点原子战舰开发板），STM32Cube MX配置，IAR开发环境，进行程序编写、试验测试。
二、STM32Cube MX配置
使用的开发板上，有外接备用电池以及32.768kHz的晶振，断电后时钟可以继续计时，因此RTC的时钟源要现在32.768kHz的，其他时钟根据需要自行配置，如下图：
接下来使能RTC功能，如下图：
可根据需要，使能或禁用RTC中断以及闹钟中断功能，这里我们不使能：
三、 主要代码
首先，需要思考整个程序的流程，因为MCU有后备寄存器，其中的值会在电池供电的时候一直保持，我们可以在寄存器里写入一些标志，来在程序运行时判断RTC是首次运行，还是一直有电池供电运行，时间在继续计时。如果后备寄存器里没有我们想要的标志，说明RTC是首次运行，这个时候我们应该对时间计数器重新初始化，将日期和时间转为时间戳，写入计数器；如果后备寄存器里的值正是我们之前写入过的标志，则说明RTC一直在供电持续运行，此时读出计数器的值，转化成日期及时间。
而把Unix时间戳转换为时间，则不得不需要知道一些历法的知识，因为Unix时间不考虑闰秒，则只需要考虑闰年。把读出的秒数，按照每年（考虑闰年、平年）有多少秒，每月有多少秒，每天有多少秒，每小时有多少秒，每分钟多少秒，一一减掉，则可得出日期和时间。
1.判断闰年、平年
1582年以来公历的置闰规则：
普通闰年：公历年份是4的倍数，且不是100的倍数的，为闰年（如2004年、2020年等就是闰年）。
世纪闰年：公历年份是整百数的，必须是400的倍数才是闰年（如1900年不是闰年，2000年是闰年）。
1582年以前的惯例：四年一闰；如果公元A年的A（正数）能被4整除，那么它就是闰年；如果公元前B年的B（正数）除以4余1，那么它也是闰年。（1582年是神奇的一年，有兴趣的可以搜索一下1582年10月，看看发生了什么事。）
根据上述规则可以写一个判断是否是闰年的函数。实际上，STM32Cube MX自动生成的HAL库文件，在stm32f1xx_hal_rtc.c中有一个函数：
/**
* @brief Check whether the passed year is Leap or not.
* @param nYear year to check
* @retval 1: leap year
* 0: not leap year
*/
static uint8_t RTC_IsLeapYear(uint16_t nYear)
{
if ((nYear % 4U) != 0U)
{
return 0U;
}
if ((nYear % 100U) != 0U)
{
return 1U;
}
if ((nYear % 400U) == 0U)
{
return 1U;
}
else
{
return 0U;
}
}
但这个函数是静态函数，头文件里没有，为了不对自动生成的文件做修改，我们可以自己写一个相同功能的函数（实际上可以完全复制自动生成的函数static uint8_t RTC_IsLeapYear(uint16_t nYear)放到另一个文件里，去掉static即可）：
/*******************************************************************************
* 函数名：IsLeapYear
* 功 能：判断是否是闰年
* 参 数：无
* 返回值：1闰年，0平年
* 说 明：整百年被400整除是闰年，其他被4整除是闰年
*******************************************************************************/
bool IsLeapYear(uint16_t Year)
{
bool temp = 0;
if ((Year % 4) == 0)//被4整除
{
if ((Year % 100) == 0)//整百年
{
if ((Year % 400) == 0)
{
temp = 1;
}
}else//非整百年，能被4整除是闰年
{
temp = 1;
}
}
return temp;
}
2.Unix时间戳转为UTC时间
该过程，以1970年1月1日00:00:00为开始时间，把32位寄存器的值，转化成日历时间，笔者根据程序总结的流程如下：
① 先计算较简单的weekday，起始时间是周四；因为不管平年还是闰年，不管哪个月份，每一周都是7天，算出寄存器值总共有多少天，天数模7的余数，经过简单计算，就是当前的weekday；
② 计算年份；如果天数大于1年，则根据该年平年或闰年，减去相应天数，年数递增，继续判断剩余天数包含的年数，直至剩余天数不足一年，退出循环；
③ 计算月份和日期；步骤②最后剩余的天数，已不满1年，逐月减去相应的天数，月份递增，注意如果遇到闰年二月，要减去29天，直至剩余天数不足一个月，退出循环；剩余的天数+1为日期；
④ 计算时、分、秒；时间戳模86400的余数，为不足整天的秒数s，s/3600，为小时，(s%3600)/60为分钟，s%60为秒，这部分的计算比较好理解；
该部分代码如下（RTC_MONTH_XX以及RTC_WEEKDAY_XX的宏定义在stm32f1xx_hal_rtc.h中）：
typedef struct
{
uint8_t Hours;
uint8_t Minutes;
uint8_t Seconds;
uint8_t WeekDay;
uint8_t Month;
uint8_t Date;
uint16_t Year;
}RTC_ts;
//平年每月的天数
const uint8_t u8DayNumTab[12] = {31,28,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31};
/*******************************************************************************
* 函数名：UnixToUTC
* 功 能：Unix时间戳转为UTC时间
* 参 数：u32TimeStamp：Unix时间戳
* 返回值：UTC时间，RTC_ts结构体格式
* 说 明：无
*******************************************************************************/
RTC_ts UnixToUTC(uint32_t u32TimeStamp)
{
RTC_ts sTemp;
sTemp.Year = 1970;
sTemp.Month = RTC_MONTH_JANUARY;
sTemp.Date = 1;
sTemp.Hours = 0;
sTemp.Minutes = 0;
sTemp.Seconds = 0;
sTemp.WeekDay = RTC_WEEKDAY_THURSDAY;
uint32_t temp1 = 0;//天数
uint32_t temp2 = 1970;//年份
temp1 = u32TimeStamp / 86400;//计算出天数
sTemp.WeekDay = (uint8_t)((temp1 % 7) + RTC_WEEKDAY_THURSDAY);//计算weekday,1970年1月1日为周四
if (sTemp.WeekDay > RTC_WEEKDAY_SATURDAY)
{
sTemp.WeekDay -= 7;
}
if (temp1 > 0)
{
while (temp1 >= 365)//天数还大于1年，减去一年的天数，剩余的天数继续判断
{
if (IsLeapYear(temp2) == 1)//闰年
{
if (temp1 >= 366)
{
temp1 -= 366;
temp2++;
}else
{
break;//不足一年，跳出循环
}
}else//平年
{
temp1 -= 365;
temp2++;
}
}
sTemp.Year = (uint16_t)temp2;//年份
temp2 = RTC_MONTH_JANUARY;//月份,从1月份开始
while (temp1 >= 28)//去掉整年/整月，剩余的天数
{
if ((IsLeapYear(sTemp.Year) == 1) && (temp2 == RTC_MONTH_FEBRUARY))//当年是闰年且是二月
{
if (temp1 >= 29)
{
temp1 -= 29;
}else
{
break;
}
}else//平年
{
if (temp1 >= u8DayNumTab[temp2 - 1])//剩余天数比1个月大
{
temp1 -= u8DayNumTab[temp2 - 1];
}else
{
break;
}
}
temp2++;
}
sTemp.Month = (uint8_t)temp2;//月份
sTemp.Date = (uint8_t)(temp1 + 1);//日期
}
temp1 = (u32TimeStamp % 86400);//去掉整天，剩余的秒数
sTemp.Hours = (uint8_t)(temp1 / 3600);//计算出小时数
sTemp.Minutes = (uint8_t)((temp1 % 3600) / 60);//计算出分钟数
sTemp.Seconds = (uint8_t)(temp1 % 60);//计算出秒数
return sTemp;
}
3.UTC时间转为Unix时间戳
这一部分，与“2.Unix时间戳转为UTC时间”是相反的过程，将日期和时间，转换为1970-1-1 00:00:00以来的秒数，但这个过程要简单一些，流程如下：
① 计算整年的秒数；以1970年为起始年，逐年增加一年的秒数，直至UTC时间年的前一年，需要注意是平年还是闰年；
② 计算整月的秒数；逐月增加一个月的秒数，直至UTC时间月的前一个月，如果有闰月，需要多加1天；
③ 计算整天、整小时、整分钟的秒数，加上剩余的UTC时间秒的秒数，以上所有数值的和，即为Unix时间戳；
/*******************************************************************************
* 函数名：UTCToUnix
* 功 能：UTC时间转为Unix时间戳
* 参 数：UTC时间，RTC_ts结构体格式
* 返回值：Unix时间戳
* 说 明：标准UTC时间转为Unix时间戳，时间范围1970~2100年
*******************************************************************************/
uint32_t UTCToUnix(RTC_ts sTime)
{
uint32_t u32TimeStamp = 0;
uint16_t i;
if ((sTime.Year < 1970) || (sTime.Year > 2100))
{
return 0;
}
for (i = 1970; i < sTime.Year; i++)//计算整年的秒数
{
if (IsLeapYear(i) == 1)
{
u32TimeStamp += (86400 * 366);
}else
{
u32TimeStamp += (86400 * 365);
}
}
for (i = 0; i < (sTime.Month - 1); i++)//增加整月的秒数
{
u32TimeStamp += ((uint32_t)u8DayNumTab[i] * 86400);
}
if ((IsLeapYear(sTime.Year) == 1) && ((sTime.Month - 1) >= RTC_MONTH_FEBRUARY))//当年是闰年且月份超过2月
{
u32TimeStamp += 86400;//多加1天
}
u32TimeStamp += (((uint32_t)sTime.Date - 1) * 86400);//增加整天的秒数
u32TimeStamp += ((uint32_t)sTime.Hours * 3600);//增加小时的秒数
u32TimeStamp += ((uint32_t)sTime.Minutes * 60);//增加分钟的秒数
u32TimeStamp += (uint32_t)sTime.Seconds;//增加剩余秒数
return u32TimeStamp;
}
4.时间计数器读写函数
有了以上的函数后，还需要对计数器进行读、写操作，才能计算出时间，或者将时间更新。在stm32f1xx_hal_rtc.c中，也已经有该功能的函数，但不幸的是，这些函数仍然是静态函数，无法调用，只能自己在别处再写一个。不明白这么重要的函数，为什么不放到头文件里。我们把需要的函数复制过来，改个名字：
/*******************************************************************************
* 函数名：Drv_RTC_EnterInitMode
* 功 能：进入初始化模式
* 参 数：RTC_HandleTypeDef结构体指针
* 返回值：HAL Status
* 说 明：stm32f1xx_hal_rtc.c中有相似static函数
*******************************************************************************/
static HAL_StatusTypeDef Drv_RTC_EnterInitMode(RTC_HandleTypeDef *hrtc)
{
uint32_t tickstart = 0U;
tickstart = HAL_GetTick();
/* Wait till RTC is in INIT state and if Time out is reached exit */
while ((hrtc->Instance->CRL & RTC_CRL_RTOFF) == (uint32_t)RESET)
{
if ((HAL_GetTick() - tickstart) > RTC_TIMEOUT_VALUE)
{
return HAL_TIMEOUT;
}
}
/* Disable the write protection for RTC registers */
__HAL_RTC_WRITEPROTECTION_DISABLE(hrtc);
return HAL_OK;
}
/*******************************************************************************
* 函数名：Drv_RTC_ExitInitMode
* 功 能：退出初始化模式
* 参 数：RTC_HandleTypeDef结构体指针
* 返回值：HAL Status
* 说 明：stm32f1xx_hal_rtc.c中有相似static函数
*******************************************************************************/
static HAL_StatusTypeDef Drv_RTC_ExitInitMode(RTC_HandleTypeDef *hrtc)
{
uint32_t tickstart = 0U;
/* Disable the write protection for RTC registers */
__HAL_RTC_WRITEPROTECTION_ENABLE(hrtc);
tickstart = HAL_GetTick();
/* Wait till RTC is in INIT state and if Time out is reached exit */
while ((hrtc->Instance->CRL & RTC_CRL_RTOFF) == (uint32_t)RESET)
{
if ((HAL_GetTick() - tickstart) > RTC_TIMEOUT_VALUE)
{
return HAL_TIMEOUT;
}
}
return HAL_OK;
}
/*******************************************************************************
* 函数名：Drv_RTC_ReadTimeCounter
* 功 能：读取RTC计数器的值
* 参 数：RTC_HandleTypeDef结构体指针
* 返回值：计数器的值
* 说 明：stm32f1xx_hal_rtc.c中有相似static函数
*******************************************************************************/
uint32_t Drv_RTC_ReadTimeCounter(RTC_HandleTypeDef *hrtc)
{
uint16_t high1 = 0U, high2 = 0U, low = 0U;
uint32_t timecounter = 0U;
high1 = READ_REG(hrtc->Instance->CNTH & RTC_CNTH_RTC_CNT);
low = READ_REG(hrtc->Instance->CNTL & RTC_CNTL_RTC_CNT);
high2 = READ_REG(hrtc->Instance->CNTH & RTC_CNTH_RTC_CNT);
if (high1 != high2)
{
/* In this case the counter roll over during reading of CNTL and CNTH registers,
read again CNTL register then return the counter value */
timecounter = (((uint32_t) high2 << 16U) | READ_REG(hrtc->Instance->CNTL & RTC_CNTL_RTC_CNT));
}
else
{
/* No counter roll over during reading of CNTL and CNTH registers, counter
value is equal to first value of CNTL and CNTH */
timecounter = (((uint32_t) high1 << 16U) | low);
}
return timecounter;
}
/*******************************************************************************
* 函数名：Drv_RTC_WriteTimeCounter
* 功 能：写入RTC计数器的值
* 参 数：hrtc：RTC_HandleTypeDef结构体指针
TimeCounter：要写入的值
* 返回值：HAL Status
* 说 明：stm32f1xx_hal_rtc.c中有相似static函数
*******************************************************************************/
HAL_StatusTypeDef Drv_RTC_WriteTimeCounter(RTC_HandleTypeDef *hrtc, uint32_t TimeCounter)
{
HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;
/* Set Initialization mode */
if (Drv_RTC_EnterInitMode(hrtc) != HAL_OK)
{
status = HAL_ERROR;
}
else
{
/* Set RTC COUNTER MSB word */
WRITE_REG(hrtc->Instance->CNTH, (TimeCounter >> 16U));
/* Set RTC COUNTER LSB word */
WRITE_REG(hrtc->Instance->CNTL, (TimeCounter & RTC_CNTL_RTC_CNT));
/* Wait for synchro */
if (Drv_RTC_ExitInitMode(hrtc) != HAL_OK)
{
status = HAL_ERROR;
}
}
return status;
}
/*******************************************************************************
* 函数名：Drv_RTC_SetTime
* 功 能：设置时间
* 参 数：RTC_ts时间结构体
* 返回值：无
* 说 明：将时间转为时间戳，写入寄存器
*******************************************************************************/
void Drv_RTC_SetTime(RTC_ts sTime)
{
//Drv_RTC_WriteTimeCounter(&hrtc, UTC8ToUnix(sTime));
Drv_RTC_WriteTimeCounter(&hrtc, UTCToUnix(sTime));
}
/*******************************************************************************
* 函数名：Drv_RTC_GetTime
* 功 能：获取时间
* 参 数：无
* 返回值：无
* 说 明：每隔较短查询RTC模块获取一次
*******************************************************************************/
void Drv_RTC_GetTime(void)
{
uint32_t u32Cnt = 0;
u32Cnt = Drv_RTC_ReadTimeCounter(&hrtc);
sTime = UnixToUTC(u32Cnt);
}
5.
首次上电时，初始化RTC模块（STM32CubeMx已自动生成该部分代码），读取后备寄存器的值，如果值不正确，则是首次配置，则初始化时间；如果值正确，则直接读取寄存器的值，将值转换为时间：
static RTC_ts sTime;//时间结构体变量
/*******************************************************************************
* 函数名：Drv_RTC_Init
* 功 能：初始化
* 参 数：无
* 返回值：无
* 说 明：无
*******************************************************************************/
void Drv_RTC_Init(void)
{
uint16_t u16Backup = 0;
RTC_ts sDefaultTime;//初始时间，可根据需要设定
memset(&sTime, 0 , sizeof(sTime));
u16Backup = HAL_RTCEx_BKUPRead(&hrtc, RTC_BACKUP_REG);//读后备寄存器
if (u16Backup != RTC_BACKUP_DATA)//检查备份寄存器，不对则是首次配置，初始化时间
{
sDefaultTime.Hours = 12;//初始时间，可根据需要设定
sDefaultTime.Minutes = 0;//初始时间，可根据需要设定
sDefaultTime.Seconds = 0;//初始时间，可根据需要设定
sDefaultTime.WeekDay = RTC_WEEKDAY_SATURDAY;//初始时间，可根据需要设定
sDefaultTime.Month = RTC_MONTH_MAY;//初始时间，可根据需要设定
sDefaultTime.Date = 20;//初始时间，可根据需要设定
sDefaultTime.Year = 2023;//初始时间，可根据需要设定
Drv_RTC_SetTime(sDefaultTime);//设置为默认起始时间
HAL_PWR_EnableBkUpAccess();//启用对备份寄存器的写访问
HAL_RTCEx_BKUPWrite(&hrtc, RTC_BACKUP_REG, RTC_BACKUP_DATA);
HAL_PWR_DisableBkUpAccess();//关闭对备份寄存器的写访问
}else//寄存器数值正确,读取寄存器，转换为时间
{
Drv_RTC_GetTime();
}
}
在需要的时候，调用Drv_RTC_GetTime()函数，即可获得时间sTime。
四、试验测试效果
以1970年1月1日的某个时刻为例，如下图，算法输出了日期、时间、周几，最后一个数字为TimeCounter中的值，
找一个Uinx时间戳在线转换的网站，验证一下红框中的时间和TimeCounter中的值，完全正确：
有兴趣的可以继续验证平年、闰年，以及年月日切换是否正确。
五、总结
- STM32F103系列的RTC模块，没有年月日及时间寄存器，只有一个32位计数器，每1秒加1，没有年月日及时间寄存器，需要软件配合，才能实现日历、时钟功能；
- 由于只有计数功能，可以任意时间作为基准时间（即开始时间），用UTC时间戳（以1970年1月1日00:00:00为开始时间），可以使程序通用性更强；
- 以上UTCToUnix和UnixToUTC两个函数是以标准UTC时间为基础的，实际北京时间为UTC+8，相差8个小时，如果需要计算北京时间，需要加8个小时；
水平有限，以上如有疏漏之处，欢迎指正。
