在嵌入式設計中快速實作高效率的即時時脈／日曆功能

許多嵌入式應用需要知道時間，以便在特定的時間和日期啟動特定任務，或是對事件進行時間戳記，又或是進行兩者。用於執行此功能的 RTCC (即時時脈和日曆) 晶片已有數十年歷史，但是設計人員很難在縮減元件數與覆蓋區的同時，又將功耗與設計時間減至最低。

整合式 RTCC 元件與創新的模組能克服這些挑戰。

本文將探討如何挑選 RTCC 晶片並快速地將晶片設計到嵌入式系統裡，同時將空間與功耗減至最低。還會探討內建 RTCC 的 MCU，以及 RTCC 模組如何協助運用表面黏著 RTC 及其他零件進行原型開發。

整合在模組中的 RTCC 晶片，通常都具有 Arduino 函式庫與 Raspberry Pi Raspbian 驅動程式重疊檔的支援，因此能更輕鬆地使用這些元件來進行嵌入式實驗與原型開發。

RTCC 的角色

許多嵌入式應用必須以最低的功耗來追蹤相對於真實世界的時間，還得釋放主處理器的資源以便處理其他任務。

然而，RTCC 晶片本身的功用不大，必須借助準確無誤的晶體來計時 (比如在很講究計時準確度時選用溫度補償式晶體)，也必須裝有備用電池，以便在嵌入式系統斷電以後仍可持續計時。這些輔助元件決定了 RTCC 執行其兩項主要任務的能力：

1. 在任何情況下皆持續提供準確的時間和日期
2. 在嵌入式系統其餘部分斷電後，消耗最少的電力

有些微控制器具有 RTCC

有些微控制器具有內部 RTCC 模塊，例如 Microchip Technology 的 32 位元 PIC32MZ2064DAA288 微控制器。乍看之下，利用這種元件設計出一個必須準確計時的系統似乎非常明智，尤其是因為 PIC32MZ2064DAA288 微控制器會在微控制器一般電源供應引腳 (V_DDCORE 與 V_DDIO) 的電壓不足以為該元件供電時，自動將內部電源切換為電池輸入引腳 (V_BAT)。

然而，這種元件還有幾個難題有待解決，且與上述 RTCC 的兩項重要任務直接相關：準確計時及低功耗操作。

首先，PIC32MZ2064DAA288 微控制器的 RTCC 模塊必須在其兩個次要振盪器引腳上安裝 32768 Hz 晶體，才能在微控制器斷電後維持準確的時間。雖然可以使用微控制器的主時脈振盪器讓 RTCC 模塊操作，但該振盪器會在微控制器進入深度睡眠模式時停止運作。

晶片上的 RTCC 整合了校正暫存器，而 Microchip 所提供的校正程序，能針對頻率偏離多達 260 ppm 的晶體振盪器，將計時誤差降到每月 0.66 秒。然而，固定式校正不會將溫度變化納入考量，而這也可能會影響振盪器的頻率，進而影響計時準確度。

再者，微控制器在改用電池供電後，除了 RTCC 模塊之外，並不會完全斷電。以電池供電時，微控制器內的其他模塊可能會啟用，也可能不會，端視軟體的控制情形而定。而這情況會產生一個問題，那就是電池的耗電與續航力將取決於軟體。

而此問題並不僅僅出現在 PIC32MZ2064DAA288 微控制器而已。任何整合了 RTCC 模塊的微控制器都會面臨這個問題。只要使用獨立的 RTCC 晶片，問題就能解決，因為這種作法能明確地將計時功能從微控制器中分離出來，而且在微控制器沒有內部 RTCC 的情況下，這也是唯一的設計選擇。

RTCC 晶片與模組

數十年來，設計工程師一直在各種嵌入式與計算應用中使用獨立的 RTCC 晶片來計時。雖然現在有幾家 IC 廠商都有提供這種晶片，但表面黏著技術 (SMT) 的運用讓 RTCC 晶片的評估作業更加複雜，因為這種元件不容易徒手焊接或插入插槽中。

有個不錯的解決方法，就是使用以這些 RTCC 晶片作為基礎的低成本模組，如此即可免去小型表面黏著 IC 的原型開發難題。這些模組也整合了電池 (通常是鈕扣型電池)，可在主系統斷電時持續供電。

Adafruit 的 255 Chronodot 模組就是很好的例子 (圖 1)。這種模組可方便評估試驗電路板及原型開發中的 RTCC 晶片，許多情況下甚至可用於量產應用。

圖 1：Adafruit 的 255 Chronodot 是內含 RTCC 晶片與電池的通孔式模組。(圖片來源：Adafruit)

表 1 列出六種不同的 RTCC 模組，採用來自兩家 IC 廠商的三種不同 RTCC 晶片。

表 1：六種 RTCC 模組展現出 RTCC 模組廣泛的供貨性及多樣性。(資料來源：DigiKey)

利用如表 1 所列的這六種 RTCC 模組，就能輕易地在原型開發系統中加入計時功能。仔細觀察這些模組的設計方式，就可找出一些實用的資訊，有助於開發含有基本 RTCC 晶片的電路板。

在表 1 中會先注意到的是，這些 RTCC 模組都有一個共通點，就是 I²C 介面。1970 年代的早期 RTCC 晶片，都使用平行位址與數據匯流排來模擬小型 SRAM。在那個年代，平行微處理器匯流排相當常見，而板載序列協定尚未廣泛使用。

如今，對頻寬要求相對較小的周邊裝置而言，首選介面為晶片對晶片序列協定，特別是 I²C。RTCC 晶片當然可勝任，因為僅需要少許位元組就能傳輸日期與時間資訊。

表 1 中的前兩個 RTCC 模組 (DFRobot 的 DFR0151 及 SparkFun 的 BOB-12708)，都是以 Maxim Integrated 的 8 引腳 DS1307 RTCC 晶片為基礎。由於此晶片廣為流行，目前已經有適合的 Arduino 函式庫與 Raspberry Pi Raspbian 驅動程式重疊檔可搭配以此晶片為基礎的模組使用。

DS1307 RTCC 針對電軌與電池分設引腳，以便在系統斷電期間，從嵌入式系統的電軌自動切換到備用電池 (圖 2)。

圖 2：Maxim Integrated 的 DS1307 RTCC 晶片會在 V_CC 引腳電壓降到約 4.5 V 以下時，自動從 V_CC 切換到 V_BAT。(圖片來源：Maxim Integrated)

圖 2 還顯示了 DS1307 RTCC 晶片與晶體之間的連接。對於 RTCC 晶片來說，此晶體幾乎都採用價格不高的 32768 Hz 手錶晶體，例如 IQD Frequency Products 的 WATCH-2X6。此晶體會在使用 RTCC 晶片進行設計時，額外添加兩個要考量的因素。

第一個因素是晶體在溫度變化下的穩定性。大部分的 RTCC 都使用原本針對手錶設計的「音叉型」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 晶體的共振頻率會隨著溫度而變化，這會影響 RTCC 的計時準確度。(圖片來源：IQD Frequency Products)

IQD WATCH-2X6 晶體的共振頻率會隨著溫度而變化，進而改變振盪器的頻率，造成計時誤差。請注意，若振盪器頻率改變 20 ppm，等於大約每個月有一分鐘的計時誤差。

由於圖 2 中的晶體與 RTCC 晶片間的連接過度簡化，因此第二個因素不是很明顯。RTCC 晶片的晶體輸入引腳通常有很高的阻抗，因此手錶晶體的引線與電路板走線的作用就如同天線一樣。此「天線」能將來自系統其餘部分的高頻訊號及雜訊，耦合到 RTCC 內部的晶體振盪器中。

藉由手錶晶體與 RTCC 晶片間的引線進行耦合的任何雜訊，都會在 RTCC 晶片的振盪器電路中造成額外的轉換，導致時鐘加速。解決的方法是謹慎安排電路板的佈局，包括讓晶體盡可能靠近 RTCC 晶片的振盪器引腳，並在晶體輸入引腳與整個手錶晶體底下放置接地面 (圖 4)。

圖 4：在接地面上謹慎安排電路板佈局，能避免不必要的雜訊影響到 RTCC 晶片的計時準確度。(圖片來源：Maxim Integrated)

另外，圖 4 指出 RTCC 封裝底下有個以交叉陰影線標示的禁區，是用來避免密集的走線將雜訊耦合到 RTCC 晶片的晶體輸入引腳。如果可行，請在電路板的元件層添加一個防護環，將晶體與 RTCC 晶片的晶體輸入引腳圍住，避免雜訊影響計時的準確度。

將手錶晶體從電路板取下並放到晶片中

使用外部晶體時，若要避開一些電路板佈局上的難題，可挑選內建晶體的 STMicroelectronics M41T62 RTCC。此 RTCC 晶片由 STMicroelectronics 的 STEVAL-FET001V1 評估板提供，而此評估板則採用 24 針腳 DIP 覆蓋區。此板件的線路圖如圖 5 所示。M41T62 有可用的 Arduino 函式庫與 Raspberry Pi Raspbian 驅動程式重疊檔。

圖 5：STMicroelectronics 的 M41T62 RTCC 晶片 (中心) 由 STEVAL-FET001V1 評估板提供，而此評估板採用 24 引腳 DIP 封裝。(圖片來源：STMicroelectronics)

如線路圖所示，M41T62 只有一個 V_CC 引腳。此晶片並未另附 V_BAT 引腳可在主電軌失效時切換使用，因為此元件尺寸僅僅 1.5 x 3.2 mm，專為用於穿戴式裝置與數位相機而設計。在這些嵌入式應用中，電池通常是唯一的電力來源，而且空間非常寶貴。

請注意，亦可使用超級電容來為 M41T62 供電。在嵌入式系統裡，可經由阻隔二極體 D1，將系統電源或充電器連接至 M41T62 的 V_CC 引腳 (圖 6)。

此二極體必須是低洩漏型，例如上方圖 5 顯示的 1N4148WS，可在系統其餘部分斷電後，避免超級電容放電回流到系統電源。

圖 6：可使用充電式超級電容為 M41T62 RTCC 晶片供電。(圖片來源：STMicroelectronics)

溫度補償滿足晶體要求

表 1 的三個 RTCC 模組 (Adafruit 3013、Adafruit 255 Chronodot 與 Maxim DS3231MPMB1#)，都是以 Maxim 的 DS3231 RTCC 晶片作為基礎 (圖 7)。該元件除了具有整合式晶體外，還含有溫度感測器，這也是該元件正式名稱很長的原因，稱為「極準確 I²C 整合式 RTC／TCXO／晶體」。

圖 7：DS3231 RTCC 晶片整合了 32768 Hz 手錶晶體、溫度感測器與切換式電容陣列，能讓元件的計時準確度保持在每年 ±2 分鐘以內。(圖片來源：Maxim Integrated)

如方塊圖所示，DS3231 的溫度補償晶體振盪器 (TCXO) 由內部晶體、溫度感測器與切換式電容陣列組成。DS3231 與 DS1307 RTCC 一樣，針對主電源 (V_CC) 與備用電池 (V_BAT) 各有不同的引腳。

如同 STMicroelectronics 的 M41T62 RTCC 晶片，DS3231 RTCC 晶片避開了外部晶體的佈局難題。此晶片的 TCXO 能減少溫度變化造成的計時準確度差異。DS3231 的內部 TCXO 振盪器，能讓此元件在超寬廣的工作溫度範圍內 (-40°C 至 +85°C)，保持每年 ±2 分鐘以內的計時準確度。

由於此晶片廣為流行，目前已經有多種 Arduino 函式庫與 Raspberry Pi Raspbian 驅動程式重疊檔可搭配以 DS3231 RTCC 為基礎的模組使用。

電池的電力能維持多久？

電池為消耗品，無法永久運作。在嵌入式設計中增添 RTCC 時，務必注意 RTCC 晶片所需的電池電流，以便挑選適當的備用電池大小。

在 RTCC 應用中，電池續航力的取決因素包括：RTCC 晶片在計時過程中的電流損耗量、RTCC 晶片所需的最低操作電壓，以及電池輸出電壓降到低於此最低操作電壓之前，可供應必要電流的時間長度 (表 2)。

表 2：RTCC 晶片的電池電源額定電流能幫助挑選合適的備用電池大小。(資料來源：DigiKey)

前面表 1 顯示的 RTCC 模組已選定了備用電池。有些模組廠商會在模組的規格書中註明電池續航力數值 (亦顯示於表 1)。目前，這些模組選擇的電池類型為鈕扣型鋰電池。表格中所示的直徑有 10 mm、12 mm 與 16 mm。電池蓄電量越大，當然比較占空間且重量越重，但有一明顯的好處，就是在指定的電流消耗量下能提供較長的電池續航力。

結論

應慎選 RTTC 元件以及搭配的晶體與電池，以確保運作的準確性，此外也要謹慎安排電路板的佈局。也可選擇以 RTCC 晶片作為基礎的模組，能讓人更輕鬆快速地建立試驗電路板與開發原型，大幅縮短開發時間。