Seeeduino XIAOでRTCモジュールの情報を更新する

こんにちは、ENGかぴです。

Arduino環境においてWireライブラリを使用してRTCモジュールに時刻の書き込みと読み込みができます。Seeeduino XIAOを使ってシリアルモニタから時刻設定の電文を送出し現在時刻を確認した方法についてまとめました。

RTC時刻のバックアップを行い時刻データが保持する方法についてもまとめています。

Seeeduino XIAOを使って動作確認を行ったことを下記リンクにまとめています。

RTCモジュールの時刻データの更新
動作確認
ソースコード全体
関連リンク

RTCモジュールの時刻データの更新

RTCモジュールはRX8900を搭載したAE-RX8900（秋月電子）使用しています。温度補償発振器（DTCXO）を内蔵しており高精度で最大で月差13秒で時刻を管理できます。時刻データはI2C通信（Wireライブラリ）を使用することで取得することができます。

RX8900用のライブラリは過去記事で紹介したものを使用しています。

ArduinoでRTCを使用してファイル管理とAPIの実装する

全体の構成

Seeeduino XIAOとAE-RX8900（RTC）を組み合わせた配線例を示しています。I2CのSCLとSDAはプルアップする必要がありますがAE-RX8900モジュール内でプルアップ抵抗を有効にすると10kΩでプルアップすることができます。

RX8900モジュールは1秒経過（変更可能）する毎に/INTを出力するため時刻が更新されたタイミングを取得することができます。

RX8900モジュールの７ピン（VBAT）は時刻情報をバックアップしたい場合に電気二重層コンデンサなどのバックアップ電源を接続します。D1はSeeeduino XIAOの電源が切れた場合にバックアップ電源からSeeeduino XIAOに電源をバイパスしないように接続しています。

R3はC1のインピーダンスが低くなっている区間（電荷が空の状態）に発生する突入電流防止のため実装しています。RTCへの時刻書き込みはシリアルモニタによる電文の送信で行います。

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時刻データ書き込みの電文

RTCに時刻データを書き込むための電文を自作して構成します。電文はシリアルモニタを使用するため文字コードになります。文字コードになるため２バイトデータになります。

例えば月の部分に10月を指定する場合は10をシリアルモニタに入力しますがシリアル通信のデータは0x31、0x30の2バイトデータに変換されています。電文の構成と内容をまとめています。

内容	説明
ヘッダ（固定）	文字コードでスタートを表すためS（大文字）を指定します。
年	年の下2桁を指定します。2021年なら21を指定する。 RTCが2099年まで対応しているため99が最大値となる。
月	1月から12月を指定します。 1月の場合は01のように2桁の文字になるように指定します。
日	1～31日を指定します。通常あり得ない日を指定するとRTCの動作の保証ができなくなります。例）２月の日指定で31日など
時	0時から23時を指定します。 1時の場合は01のように2桁の文字になるように指定します。
分	0分から59分を指定します。 5分の場合は05のように2桁の文字になるように指定します。
秒	0秒から59秒をしてします。 5秒の場合は05のように2桁の文字になるように指定します。
曜日	日曜日：00　月曜日：01　火曜日：02　水曜日：03 木曜日：04　金曜日：05　土曜日：06
エンド（固定）	文字コードでエンドを表すためE（大文字）を指定します。

電文の内容と説明

例）2021年3月21日10時30分30秒-土曜日を指定する場合
S21032110303006E
と電文をシリアルモニタに入力して送信します。

電文構成に従わない場合はRTCのデータの更新を受け付けないようにしています。

電文の受信処理

シリアルモニタの送信を使用するためSerial.begin()をコールしておく必要があります。シリアルモニタで送信した文字を受信するためにSerial.read()を使います。

void setup() {

    Serial.begin(115200);
}

void loop() {

    while( Serial.available()){
        rxseeeduino.buf[rxseeeduino.wp] = Serial.read();
      
        if( ++rxseeeduino.wp >= RING_SZ ){ //次にデータを入れる場所を更新
            rxseeeduino.wp = 0;
        }
    }
    RxDataChk(); //電文チェック
}

Serial.available()でシリアル通信データが受信していることを確認し変数に一時保管しています。RxDataChk()で一時保管した電文が有効かの判断を行っています。

/* Data Rx check function add */
void  RxDataChk(){

    if( rxsz >= sizeof(rtcset) ){ //電文の長さ分のデータを受信したか
        adrs = &rtcset.header;
        for(uint8_t i=0; i< sizeof(rtcset); i++ ){ //rtcsetにデータを移す
            *adrs = rxseeeduino.buf[rxseeeduino.rp];
            adrs++;
            if(++rxseeeduino.rp >= RING_SZ ){
              rxseeeduino.rp = 0;
            }
        }

        if( rtcset.header == HEADER && rtcset.headend == END){ //ヘッダーとエンドを確認
            rxoutcnt = 0;
            RtcSetChk(); //RTCデータを生成して書き込む
        }
    }
    else{
        if( ++rxoutcnt >= 10 ){ //受信タイムアウト
            rxoutcnt = 0;
            rxseeeduino.rp = rxseeeduino.wp;
        }else{
            delay(10);
        }
    }
}

RxDataChk()は電文を受信するとデータを変数rtcsetに移しヘッダーとエンドを確認します。受信データがデータ長にならずに一定時間（100ms）経過するとタイムアウトとみなしてリングポインタの値を更新してデータを破棄します。

/* Rtc Data Set function add */
void  RtcSetChk(){
    dateTime settim;

    settim.year = AscBin(rtcset.tim[0]) * 10 + AscBin(rtcset.tim[1]); //yearの例
    settim.week = 1 << AscBin(rtcset.tim[13]); //weekシフトでデータを書き込む（RTCの仕様）

    if( ( settim.year > 99 ) ||
        ( settim.month > 12 || settim.month == 0 ) ||
	( settim.day > 31 || settim.day == 0 ) ||
        ( settim.hour > 23 ) ||
        ( settim.minute > 59 ) ||
	( settim.second > 59 ) ||
	( AscBin(rtcset.tim[13]) > 6 )){// 範囲外
        //処理なし
    }
    else{
        RX8900.setDateTime(&settim); //RTCにデータを書き込む
    }
}

文字コードを受信するためRTCに書き込むデータをバイナリデータに変換する必要があります。yearのデータが21年の場合を考えると文字コードとして0x32、0x31の2バイトとなります。

これらの値をバイナリに変換すると0x32は2になり0x31は1になります。バイナリデータで21を構成するために1バイト目のバイナリ変換値を10倍しています。曜日を除く他のデータも同様に変換します。

曜日のデータはRTCモジュールの仕様上ビットが立っている箇所によって曜日を判定するためビットシフトで書き込むデータを生成しています。

RTCデータの範囲チェックを行って問題がなければRTCモジュールにデータを書き込みます。

簡易的なチェックとしているためあり得ない日時の組み合わせにおいても書き込みを行う可能性があります。矛盾した日時を設定した場合のRTCの動作は保証できません。

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バックアップ時間は？

RX8900のデータシートを確認すると消費電流は最大で1.4uAであり時刻データが保持できる最小の電圧が1.6Vとなっています。またFOUT出力はOFFを前提にしています。

電気二重層コンデンサ1Fで何時間データが保持できるかについて検討します。下記記事に考え方をまとめています。電気二重層コンデンサの漏れ電流は参考記事の9.26uAを採用して計算します。

電気二重層コンデンサの静電容量によるバックアップ時間の考え方

電気二重層コンデンサの漏れ電流は9.26uAでRTCは最大で1.6uAが必要になるので合計10.66uAが消費されることになります。電圧が3.3Vから1.6Vになるまでのバックアップ時間を求めます。$$s = \frac{1\times1.7}{10.66\times10^{-6}}= 159474秒 = 2657分 = 44時間$$

最悪な条件で44時間程度のバックアップが可能になります。電気二重層コンデンサは温度特性によって漏れ電流や容量が変化することがありますが、室温程度に設置する場合において通常最悪なケースになる可能性はかなり低いと考えてよいでしょう。

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