RTC常见故障问题

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RTC变成1970年的问题与解决方案

在某些嵌入式产品运行一段时间后，可能会出现RTC（Real-Time Clock）时间回退到1970年，导致程序运行异常。

这通常与RTC电池电压过低有关，具体表现为内核日志提示类似以下内容：

rtc-pcf8563 0-0051: low voltage detected, date/time is not reliable.

这表明RTC电池电压偏低，无法保证时间的准确性，从而影响Linux系统的时间同步。

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PCF8563 RTC芯片的低电压检测功能

PCF8563芯片具有低电压检测功能。

当检测到RTC电池电压低于0.9V时，芯片会标记时间数据为不可靠（参考图1）。

这可能导致系统时间不同步甚至程序异常。

图1 PCF8563 RTC芯片低压检测功能

为了避免此类问题，可从以下几个方面进行改进和优化：

1. 采用可充电RTC电池并设计充电电路，使用可充电电池代替一次性电池，并设计合适的充电电路，确保电池在设备运行时能够得到持续补充电能。
2. 关闭CLKOUT功能以降低功耗，CLKOUT是PCF8563的一个时钟输出功能，可能会消耗额外功率。在实际使用中，可通过配置寄存器关闭此功能，从而延长电池续航时间。
3. 引入超级电容作为辅助电源，设计多电源供电方案，增加超级电容以提供短期供电：系统上电时由主电源供电。系统掉电后，超级电容供电；超级电容耗尽时，再切换到RTC电池供电。这种方案可以显著减少对RTC电池的依赖。

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RTC多电源供电参考设计

图2 RTC多电源供电参考原理图

设计时需要注意以下几点：

1. RTC_VDD 专供时钟芯片，RTC_VDD应仅连接到时钟芯片的VDD引脚，以避免供电干扰。
2. 选择低压降、低漏电流二极管，在RTC_VDD的供电线路上，二极管的压降和漏电流直接影响供电效率和电池寿命，应优先选择低损耗型号。
3. I²C 上拉电阻使用系统电源，RTC芯片的I²C总线需要使用系统主电源作为上拉电阻供电，避免增加RTC电池负担。
4. 预留CLKOUT调试测试点，CLKOUT信号可用于调试时钟精度，在调试结束后关闭该功能以降低功耗。

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UNIX系统中的“2038年问题”

问题背景

UNIX系统的时间以“Unix纪元时间”表示，即从协调世界时（UTC）1970年1月1日00:00:00开始累计的秒数。

这种时间表示方式被称为POSIX时间，广泛应用于Linux和其他系统。

在32位处理器的Linux系统中，rtc_time结构体使用有符号整数表示时间相关字段，如下所示：

struct rtc_time {
    int tm_sec;  // 秒
    int tm_min;  // 分
    int tm_hour; // 小时
    int tm_mday; // 日期
    int tm_mon;  // 月份
    int tm_year; // 年份
    int tm_wday; // 星期
    int tm_yday; // 一年中的第几天
    int tm_isdst; // 是否为夏令时
};

由于32位整数的最大值为0x7FFFFFFF（即2147483647），其能表示的最大时间范围约为68年零18天，从1970年1月1日开始计算，到2038年1月19日11:14:07。

届时计数器溢出，将导致系统时间异常，影响RTC功能的正常运行。

解决方案

1. 升级到高版本Linux内核与glibc，对于32位系统，可通过升级Linux内核和glibc库以支持更大的时间范围。然而，此方案工作量较大，且依赖于处理器厂商是否提供相应的内核支持。
2. 迁移到64位系统，选用64位处理器并运行64位Linux系统是彻底解决问题的最佳方案。在64位系统中，POSIX时间由64位有符号整数表示，其最大值为0x7FFFFFFFFFFFFFFF（9223372036854775807秒），对应的时间范围约为292亿年，从根本上规避了时间溢出的问题。