Raspberry-Pi-Projekte: Real Time Clock Prof. Jürgen Plate, Jonas Goll, Tobias Müller, Xiao Wang

Raspberry Pi: Real Time Clock

Allgemeines

Wenn der Raspberry Pi mit dem Netzwerk verbunden ist, muss man sich um das Stellen der Uhr keine Gedanken machen, denn von Haus aus läuft der Network Time Daemon (ntp), der für das Abrufen der korrekten Uhrzeit und das Stellen der internen Uhr sorgt. Nur, wenn der RasPi keine Verbindung nach außen hat, muss man sich um die korrekte Uhrzeit kümmern.

Der Raspberry Pi besitzt keine integrierte Real Time Clock (RTC) wie ein PC. Damit er über die aktuelle Uhrzeit verfügt, muss er entweder die Uhrzeit über eine Netzwerkverbindung einlesen oder er benötigt eine lokale Uhr. Dieses Projekt versorgt den Rechner mit einer autonomen Uhr. Nach jedem Systemstart wird die Uhrzeit aus der RTC ausgelesen und als Systemzeit verwendet. Die RTC befindet sich auf einer eigenen Platine und wird per I²C integriert.

Real Time Clock DS1307 (RTC)

Dieser Baustein ist eine Echtzeituhr, die man über die I²C-Schnittstelle ansprechen kann und die batteriegepuffert weiterläuft, wenn der RasPi abgeschaltet ist. Die Genauigkeit ist nicht so überragend, Abweichungen von 1-2 Sekunden in 24 Stunden sind möglich (abhängig von Temperatur und Quarz). Bei großen Temperaturschwankungen sind die Abweichungen noch um einiges größer. An die RTC wird vom Raspberry Pi eine möglichst exakte Zeit übertragen. Diese Uhreit wird nun von der RTC mit Hilfe des des internen Quarzoszillators aktualisiert. Bei Bedarf ( z. B. beim Hochfahren des RasPi) wird die Zeit abgefragt und als Systemzeitgespeichert - so wie das beim PC schon seit Jahrzehnten der Fall ist. Die Batterie soll nach Datenblatt bis zu 10 Jahre lang halten. In den Registern der RTC stehen die Uhrzeit, der Wochentag und das Datum. Die einzelnen BCD-Werte können über die folgende Adressen ausgelesen werden.

Adresse	Inhalt	Beschreibung
0x00	Sekunden und CH-Bit	Bits 0 - 6: Sekunden (0..59) Bit 8: Uhr ein- und ausschalten
0x01	Minuten	Bits 0 - 6: Minuten (0..59)
0x02	Stunden	Bits 0 - 6: Stunden; 12/24h umschaltbar
0x03	Wochentag	Bits 0 - 2: Wochentag (0..7)
0x04	Tag	Bits 0 - 5: Tag (0..31)
0x05	Monat	Bits 0 - 4: Monat (0..12)
0x06	Jahr	Bits 0 - 7: Jahr (0..99)
0x07	Einstellungen	SQW-Output einstellen
0x08 – 0x3F	RAM	56 x 8 Bit

Bem Sekundenregister ist darauf zu achten, dass das MSB (CH Bit) zum Ein- und Ausschalten der Uhr dient. Ist CH = 1, Stoppt der DS1307. Dieses Bit sollte beim Schreiben einer neuen Uhrzeit stets auf 1 gesetzt sein. Nachdem alle Werte gespeichert wurden, wird es zusammen mit der Sekundenangabe wieder auf 0 gesetzen und somit die RTC wieder eingeschaltet. Beim Auslesen der Sekunde muss das MSB natürlich ignoriert werden.

Es gibt diverse Break-Out-Boards mit dem DS1307 im Handel, wobei die meisten die I2C-Anschlüsse direkt zum Raspberry Pi führen. Die Pull-Up-Widerstände auf dem RasPI-Board sorgen für die korrekte High-Spannung von 3.3 V. Da die Projektgruppe sich nicht sicher war, ob das auch bei zukünftigen Versionen so bleiben wird, ist eine eigene Schaltung mit Board entwickelt worden, welche aktive Pegelwandler enthält:

Die entsprechenden Eagle-Dateien stehen zur Verfügung (siehe Links weiter unten). Der Anschluss der Platine erfolgt am Raspberry Pi an +5 V (Pin 2), +3,3 V (Pin 1), GND (Pin 6), SDA (Pin 3) und SCL (Pin 5). Siehe auch I²C-Konfiguration. Im folgenden wird davon ausgegangen, dass die Module i2c_bcm2708 und i2c_dev laden geladen sind. Ein erster Test kann mit den I²C-Tools mit Root-Rechten (sudo su) erfolgen:

i2cdetect -l
i2cdetect -y 1

i2cget -y 1 0x68 0 # Sekunde
i2cget -y 1 0x68 1 # Minute
i2cget -y 1 0x68 2 # Stunde

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <linux/i2c.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>

/* Puffer fuer die RTC-Daten */
#define BUFSIZE 7

/* Verwende I2C 1 */
#define I2CADDR "/dev/i2c-1"

/* defined in <linux/i2c-dev.h> */
#define I2C_SLAVE 0x703

/* Adresse des RTC-Chips */
#define RTC 0x68

int main()
  {
  int Device;          /* Device-Handle */
  char Date[BUFSIZE];  /* Datenpuffer   */
  int i;

  /* I2C aktivieren  */
  if ((Device = open(I2CADDR, O_RDWR)) < 0)
    {
    printf("I2C-Modul kann nicht geladen werden!\n");
    return -1;
    }

  /*  Port und Adresse setzen */
  if (ioctl(Device, I2C_SLAVE, RTC) < 0)
    {
    printf("RTC-Deviceadresse wurde nicht gefunden!\n");
    exit(1);
    }

  /* Pointer auf Adresse 0 (Startadresse) setzen */
  Date[0] = 0x00;
  if(write(Device, Date, 1) != 1)
    {
    printf("Fehler beim Schreiben der Daten!\n");
    return -1;
    }

  /* Uhrzeit einlesen */
  if (read(Device, Date, BUFSIZE) != BUFSIZE)
    {
    printf("Fehler beim Lesen der Daten!\n");
    return -1;
    }
  else
    {
    /* Werte von BCD in Dezimal umwandeln */
    for(i = 0; i < BUFSIZE; i++)
      {
      Date[i] = (Date[i] &amp; 0x0f) + 10 * (Date[i] >> 4);
      }

    /* Ausgabe von Uhrzeit und Datum */
    printf("\n");
    printf("Uhrzeit: %02d:%02d:%02d\n", Date[2],Date[1],Date[0]);
    printf("Datum:   %02d.%02d.%04d\n", Date[4],Date[5],Date[6] + 2000);
    switch(Date[3])
      {
      case 1: printf("Sonntag");  break;
      case 2: printf("Montag");   break;
      case 3: printf("Dienstag"); break;
      case 4: printf("Mittwoch"); break;
      case 5: printf("Donnerstag"); break;
      case 6: printf("Freitag");  break;
      case 7: printf("Samstag");  break;
      }
    printf("\n");
    }

  close(Device);
  return 0;
  }

Uhrzeit: 13:03:05
Datum:   05.02.2015
Donnerstag

Raspbian hat neben anderen Treibern auch einen für den DS1307 integriert. Man brauch also nichts zu installieren, sondern kann den Treiber gleich laden. Von Hand (zum Ausprobieren) macht man das mittels:

modprobe rtc-ds1307

echo "ds1307 0x68" > /sys/class/i2c-adapter/i2c-1/new_device

hwclock -r

Do 05 Feb 2015 13:45:57 CET  -0.073826 seconds

hwclock --systohc -D --noadjfile --utc

• --systohc ist das Gleiche wie -w und überträgt die Systemzeit in die RTC.
• --noadjfile unterdrückt die Justiermöglichkeint über die Datei /etc/adjtime. Nähere Angaben finden Sie in der Manualpage.
• --utc oder auch --localtime ist wegen --noadjfile notwendig. Dieser Parameter legt fest, ob die Hardwareuhr nach "Coordinated Universal Time" oder nach der lokalen Zeit gesetzt wird. Welchen Parameter von beiden Sie nehmen müssen, hängt von der Zeitzohneeinstellung des Systems ab (wenn's falsch war, merken Sie das an der falschen Uhrzeit nach dem Einschalten des Systems).

 sudo hwclock --debug -r
hwclock from util-linux 2.20.1
Using /dev interface to clock.
Last drift adjustment done at 1423140131 seconds after 1969
Last calibration done at 1423140131 seconds after 1969
Hardware clock is on UTC time
Assuming hardware clock is kept in UTC time.
Waiting for clock tick...
/dev/rtc0 does not have interrupt functions. Waiting in loop for time from /dev/rtc0 to change
...got clock tick
Time read from Hardware Clock: 2015/02/05 12:45:57
Hw clock time : 2015/02/05 12:45:57 = 1423140357 seconds since 1969
Do 05 Feb 2015 13:45:57 CET  -0.073826 seconds

Wenn soweit alles klappt, muss noch dafür gesorgt werden, dass nach einem Neustart auch alles wieder aktiviert werden muss. Deshalb wird das Ganze jetzt automatisiert. Vorausgesetzt wird, dass in der Datei /etc/modules die beiden Module i2c-bcm2708 und i2c-dev eingetragen sind und auch in /etc/modprobe.d/raspi-blacklist.conf die Zeile "i2c-bcm2708" auskommentiert wurde. Alle anderen Einstellungen nehmen Sie in der Startdatei /etc/rc.local vor (immer noch als Root). Tragen Sie vor der exit-Zeile die folgenden drei Zeilen ein (die ersten beiden sind genau diejenigen, die Sie oben auf der Kommandozeile eingetippt haben):

modprobe rtc-ds1307
echo "ds1307 0x68" > /sys/class/i2c-adapter/i2c-1/new_device
hwclock --hctosys

Alternativ können Sie auch die erste Zeile ("modprobe rtc-ds1307") weglassen und dafür die folgende Zeile in der Datei /etc/modules eintragen:

rtc-ds1307

Ab Kernelversion 3.18 wird für das Einsetzen der Module der sogenannte Device Tree verwendet. Ab dann wird die One-Wire-Schnittstelle in der Datei /boot/config.txt aktiviert, indem dort eine Zeile eingetragen werden:

dtoverlay=i2c-rtc,ds1307

Real Time Clock DS3231 (RTC)

Wer nicht basteln will, kann ohne Änderungen ein Fertigmodul verwenden, das auch noch genauer ist. Es wurde ein Modul mit dem DS3231-RTC-Chip ausprobiert. Das getestet Modul wird von SunFounder (www.sunfounder.com produziert und ist bei Ebay oder Amazon für einige Euro zu bekommen. Es lässt sich direkt auf die erste Pinreihe des GPIO aufstecken. Die Chips des DS3231 verwenden die gleichen I²C-Befehle wie der DS1307, so dass alles funktioniert wie oben beschrieben. Der DS3231 ist nicht nur als Uhr genauer als der DS1307, sondern hat auch noch den Quarz integriert, so dass nur noch der übliche Blockkondensator nötig ist. Er ist zudem auch mit 3,3 V Versorgungsspannung zufrieden.

Das Bild zeigt das aufgesteckte Modul. Auf der Platinenoberseite sitzt der DS3231, auf der Unterseite ist die Puffer-Knopfzelle angebracht. der einzige Nachteil besteht darin, dass das Modul den I²C-Anschluß blockiert.

Links

• Datenblatt DS1307
• Datenblatt DS3231
• Platine DS1307
• Schaltplan DS1307
• Testprogramm ds1307.c

Copyright © Hochschule München, FK 04, Prof. Jürgen Plate und die Autoren
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