RTC/リアルタイム クロックを使用すると、電子デバイスは、外部ソースを参照することなく、電源を入れた瞬間に日付と時刻を取得できるようになります。RTCは、数か月、あるいは数年間にわたってユニットからすべての外部電源が取り外された場合でも、問題なく機能できる必要があります。
組み込みシステムにおけるリアルタイムクロックとは何ですか?
マイクロコントローラのタイマーをRTCクロックと混同しないでください。ほとんどの マイクロコントローラ には、ユニットの電源がオンになった瞬間から経過した時間をカウントするタイマー機能が含まれています。ユニットの電源をオフにするとゼロに戻るため、真のRTCとして機能することはできません。実際のリアルタイム クロックは、デバイス全体のシステム電源が切断されたときにオンのまま機能する唯一のものである可能性があり、このため、多くの場合、この目的専用の小さなバッテリーで駆動する別のチップに実装されます。
RTCが機能しなければならない時間が長く、電源も小さいため、低消費電力が不可欠です。バッテリー電力を節約するために、RTCは通常はシステム電源を使用して機能し、システムがオフになっているためにシステム電源がない場合にのみバッテリーを使用します。
RTC水晶発振器
RTCの重要な要素は水晶発振器です。水晶発振器は、1秒あたり215パルスという便利な値になるため、多くの場合32,768 kHzで動作します。水晶は、バッテリーと同様に、リアルタイム クロックに組み込むことも、外部から提供することもできます。もちろん、内部に多くの要素を組み込んだRTCチップのサイズは、ベアボーン バージョンよりも大きくなります。
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Texas Instrumentsの BQ32002DR は、Arrow Electronicsから入手可能な基本的なリアルタイム クロックです。この8ピン デバイスはSOICパッケージで提供され、内部バックアップ バッテリーや水晶は含まれていませんが、わずか20平方ミリメートルのボード スペースを占めるパッケージで提供されます。
このデバイスのデータシートには、業界標準のI2Cシリアル データ バスを使用して、システム全体に時間情報を送信したり、ユーザーから正しい日付と時刻に関する情報を受信したりすることが記載されています。BQ32002DRは、システム電圧が定義された電圧しきい値を下回ると自動的にスタンバイ モードになり、その状態ではマイクロアンペアのオーダーの電流のみを消費します。なお、このユニットでは、バッテリーの代わりに0.22ファラッドのスーパーキャパシタを使用できることに注意してください。
図1: BQ32002DRのブロック図。(出典: Texas Instruments)
最近の多くのリアルタイム クロックには、システムのVCCをオンに戻して効果的にシステムを起動する追加機能が搭載されています。RTCは、内部のユーザー プログラム可能なサブタイマーを介してこの目的を実現します。
RTCチップとウェアラブルデバイス
STMicroelectronicsの M41T62LC6F は、ウェアラブル デバイスに組み込むために設計された新しいタイプのデバイスの1つであるリアルタイム クロック チップです。ここでの課題は、フットプリントが小さいことと、何よりも消費電力が低いことです。このデバイスは約5平方ミリメートルの面積を占め、スタンバイ モードでは350ナノアンペアの電流を消費し、スタンバイ時には1ボルトという低電圧で動作できます。このRTCには、フットプリントが非常に小さいにもかかわらず、独自の水晶発振器が実際に含まれています。
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このM41T62LC6Fのデータシートには、これがM41T6xファミリのデバイスの一部であることが記載されています。M41T62LC6Fは、CPUとの通信に400 kHz I2Cシリアル データ バスを採用しています。驚くべきことに、このユニットは小型であるにもかかわらず、事前に選択した時間にシステムを起動するアラーム機能が組み込まれています。このリアルタイム クロックには、世紀、年、月、日、曜日、時間、分、秒をすべてBCD形式で保持する8つの内部レジスタが含まれています。
さらに一歩先へ: 低電力RTC
多くの種類の電子アプリケーションでは、デバイスの電源が再びオンになると通常のシステム電源にアクセスできるようになるため、非常に低い電流で動作する必要があるのはリアルタイム コントローラだけです。しかし、今日のウェアラブルやIoTの新しい世界では、デバイスがスリープ状態であってもフル稼働モードであっても、利用できるのは超低電力のみです。そのため、マイクロコントローラを収容する同じ低電力チップにRTCを組み込むことを検討するのは理にかなっています。STMicroelectonicsは、オンボードRTCを搭載した STM32L4 マイクロコントローラ ファミリでこれを実現しており、Arrow Electronicsから入手できます。
次のアプリケーションにRTCを選択する際に考慮すべき5つのポイント
1) RTCはスタンバイ中にどれくらいの電力を必要としますか?
2) RTCには内蔵バッテリーが含まれていますか?
3) 内部にクリスタルはありますか？
4) デバイスの最終的な展開では、特定の時間に自動的に電源がオンになる必要がありますか?
5) IoTやウェアラブルデバイスに搭載できるほど物理的に小さくて軽量ですか?
リアルタイムクロック技術の新たな展開
モノのインターネット (IoT) とウェアラブル デバイスの登場により、より小型で、より安価で、そして何よりも消費電力を抑えることが新たな課題となっています。デスクトップ環境や今日のモバイル デバイスの世界とは異なり、これらの新しいタイプのデバイスですべての用途に利用できる電力は、デバイスがアクティブな場合でも非常に限られています。
これまで見てきたように、設計上の考慮事項の変更により、RTCを個別のコンポーネントとしてではなく、マイクロコントローラ チップに組み込むことが論理的になる場合があります。新しいRTCは、スタンバイ時だけでなく、RTCとそのデバイスがアクティブなときにも電力を節約する必要があります。この極めて新しい電力の課題に対処することで、リアルタイム クロックのその後の開発が形作られることになります。