ค้นหาบทความที่นี่

บทความทั้งหมด

[Tutorial] การใช้งาน Real Time Clock Module

5 ปีที่ผ่านมา

โดย เจ้าของร้าน

แม้ในไมโครคอนโทรลเลอร์จะมีสัญญาณนาฬิกาอยู่ภายใน แต่มันใช้ในการอ้างอิงการทำงานของมันเอง คงไม่สะดวกให้เราดึงมาใช้งาน อีกทั้งการนับเวลาจากสัญญาณของ MCU นี้ต้องไม่ลืมนะครับว่าเรามีโค้ดทำงานอื่นๆที่จะมาขัดจังหวะการนับเวลาอีกด้วย แค่คิดก็วุ่นวาย มีวิธีที่ง่ายกว่านั้นคือมันมีสิ่งประดิษฐ์ที่เรียกว่า Real Time Clock ครับ

เมื่อพูดถึง Real Time Clock (ย่อเป็น : RTC) ให้ความหมายตามวิกิพีเดียว่า "a computer clock (most often in the form of an integrated circuit) that keeps track of the current time." อาจแปลได้ตรงตัวว่า "นาฬิกาคอมพิวเตอร์ (ที่ส่วนมากอยู่ในรูปแบบวงจรรวม(ไอซี)) ที่คอยรักษาเวลาปัจจุบัน" ประโยชน์มันก็ตามชื่อแหละครับคือช่วยรักษาเวลาให้กับอุปกรณ์ต่างๆของเรา เวลาเราออกจากบ้านต้องมีนาฬิกาข้อมือฉันใด การต่อ RTC เข้าไปก็เหมือนใส่นาฬิกาข้อมือให้โปรเจคของเราฉันนั้น

RTC เบอร์ต่าง ๆ จะมีคุณสมบัติต่างกัน แต่ล้วนมีการทำงานเหมือนกันคือนับความถี่จาก Crystal 32.768kHz มาผ่านวงจรนับสัญญาณหารลงไปเป็นสัญญาณนาฬิกา 1Hz คือ 1 ลูกคลื่นสัญญาณต่อวินาที(ยกเว้น DS3231 ที่นับจาก Crystal ในตัวชิปเลย ไม่ต้องอาศัย Crystal สัญญาณจากภายนอก ทำให้ได้เวลาที่เที่ยงตรงมากขึ้น) และส่วนมากจะมีการนับเวลาเป็นวินาที นาที ชั่วโมง วันที่ของเดือน เดือน วันของสัปดาห์ และปีพร้อมด้วยปีอธิกสุรทิน (Leap-year : คือปีที่เดือนกุมภาพันธ์มี 29 วัน) โดยในขณะที่เขียนบทความ(กันยายน พ.ศ.2562) ทางร้านเรามีโมดูลที่มี RTC ประกอบอยู่หลายตัว แต่จะมีการใช้ไอซี RTC อยู่ 3 เบอร์ คือ DS1307, DS3231 และ DS1302 ซึ่งมีคุณสมบัติต่างกันไปดังนี้

	DS1307	DS3231	DS1302
การนับเวลา	วินาที, นาที, ชั่วโมง, วันที่, เดือน, วันในสัปดาห์ ปีอธิกสุรทิน (นับได้ถึงปี 2100)	วินาที, นาที, ชั่วโมง, วันที่, เดือน, วันในสัปดาห์ ปีอธิกสุรทิน (นับได้ถึงปี 2100)	วินาที, นาที, ชั่วโมง, วันที่, เดือน, วันในสัปดาห์ ปีอธิกสุรทิน (นับได้ถึงปี 2100)
ความคลาดเคลื่อน	ไม่เกิน 23PPM (23 วินาที/1,000,000 วินาที)	ไม่เกิน 2PPM (2 วินาที/1,000,000 วินาที)	ไม่เกิน 20PPM (20 วินาที/1,000,000 วินาที)
การวัดอุณหภูมิ	-	มีในตัว	-
การเชื่อมต่อ	I2C	I2C	3-wire interface
I2C Interface Speed	100kHz	100kHz (Standard Mode) 400kHz (Fast Mode)
แรงดันไฟเลี้ยง	4.5 - 5.5V	2.3 - 5.5V	2.0 - 5.5V
การกินกระแส	1.5mA (Active) 200uA (Standby)	300uA (Active) 170uA (Standby)	1.2mA (Active) 0.2uA (Standby)
Backup Battery	3V	3V	3V
อุณหภูมิในการทำงาน	0 - 70 ํC	0 - 70 ํC	0 - 70 ํC

การใช้งานโมดูลที่มีการเชื่อมต่อแบบ I2C
ในโมดูลที่มีการเชื่อมต่อแบบ I2C นั้นเป็นที่นิยมมาก เนื่องจากใช้งานง่าย ต่อสายน้อย จริง ๆ เพียงแค่ต่อสาย SDA SCL สองเส้นก็ใช้งานได้ เนื่องจากตัว RTC มีถ่าน Backup ไฟฟ้าอยู่แล้ว แต่ยังไงก็ควรต่อไฟเลี้ยง 5V เพื่อให้โมดูลทำงานเต็มประสิทธิภาพ ซึ่งสินค้าที่ใช้ RTC ที่ต่อแบบ I2C คือสินค้าที่ใช้ไอซี DS1307 และ DS3231 ได้แก่ TinyRTC , Data Logging Shield , Mini Data Logger Module , DS3231 RTC

สำหรับการใช้งานนั้น อุปกรณ์แบบ I2C ทุกตัว จะต้องมีการเข้าถึง Address และทำการแปลง bit ข้อมูลต่าง ๆ (ตามรูปด้านล่าง) ซึ่งหากเราต้องนั่งเขียนทุกครั้งมันคงไม่โอเค นอกจากมันจะยาวซึ่งถามผู้เขียนมันยังโอเคนะ ยาวก็เขียนได้เสียเวลาหน่อยเดี๋ยวก็เสร็จ แต่มันต้องจำ Address ต่าง ๆ และ bit ไหนหมายถึงอะไร ตรงนี้ไม่โอเคมากที่จะต้องนั่งเปิด Datasheet ทุกครั้งไป เราจึงใช้สิ่งเล็ก ๆ ที่เรียกว่า Library มาช่วย สำหรับผู้เขียนเองนั้น Library ที่คิดว่าใช้ง่ายที่สุดและใช้อยู่ประจำคือ RTClib (ดาวน์โหลดได้จากที่นี่) ซึ่ง Library ตัวนี้จะใช้กับไอซี RTC แบบ I2C ได้ถึง 3 เบอร์ คือ DS1307, DS3231 และ PCF8523 ซึ่งเท่าที่ผู้เขียนพบเจอมา ส่วนใหญ่ที่ใช้งานกันทั่ว ๆ ไปก็จะวนอยู่แค่ 3 เบอร์นี้ คิดว่าคนที่มาอ่าน 90% ต้องนำไปใช้ได้แน่นอน

บทความที่เกี่ยวข้อง : การเพิ่ม Library ใน Arduino IDE

หลังจากทำการลง Library เรียบร้อยแล้ว เราต้องมาตั้งเวลาให้ตัวไอซีเรากันก่อน แน่นอนว่าโรงงานผลิตไอซีนั้นเขาไม่ได้ผลิตออกมาชั่วโมงละตัว มันออกมาเป็นแถวจากไลน์ผลิตครั้งละเป็นพันเป็นหมื่นตัว แค่หยิบมา QC ยังต้องสุ่มหยิบ เก็บทุกตัวไม่ทัน ฉะนั้นแล้วลืมเรื่องมาตั้งเวลาทีละตัวให้เราเลยครับ อ่อ อีกเรื่องคือแม้โรงงานจะใจดีตั้งเวลาให้ทุกตัว แต่การขนส่งนั้นอยู่ในกล่องปิดไม่ได้มีไฟเลี้ยงหรือต่อถ่านเอาไว้ ไอซีมันก็ไม่ทำงาน มันก็ลืมเวลาที่ตั้งไว้อยู่ดีครับ
ในการตั้งเวลานั้นง่ายมาก ๆ เราจะเขียนโค้ดแค่บรรทัดเดียวก็สามารถตั้งเวลาได้แล้ว โดยใช้คำสั่ง adjust() ซึ่งสามารถทำการตั้งเวลาได้ 2 แบบ คือแบบออโต้ใช้เวลาและวันที่ ณ ปัจจุบันจากคอมพิวเตอร์เราใส่ลงไป(ตัวอย่างแรก) กับการกำหนดวันเวลาเองในโค้ดตั้งเวลา(ตัวอย่างที่สอง) เมื่ออัพโหลดเรียบร้อยแล้วให้เปิด Serial monitor ขึ้นมาเพื่อให้โปรแกรมทำงาน

เมื่อ Serial Monitor แสดงข้อความ "time setting done !" ก็แสดงว่าตั้งเวลาเรียบร้อยแล้วเราก็ต้องเรียกเวลาขึ้นมาใช้งาน โดยจะใช้คำสั่ง now() จากนั้นจึงเรียกแต่ละส่วนออกมาว่าเราจะใช้ วันที่ หรือใช้นาทีใช้วินาที ดังตัวอย่างด้านล่างเป็นการเรียกเวลาขึ้นมาแสดงทาง serial monitor ทุกวินาที

โดยคำสั่งในการเรียกเวลาต่างงๆขึ้นมานั้นจะมีดังต่อไปนี้

คำสั่ง	ค่าที่ได้
hour()	ชั่วโมง (0-23)
minute()	นาที (0-59)
second()	วินาที (0-59)
day()	วันที่ของเดือน (1-31)
weekday()	วันที่ของสัปดาห์ (1-7) , 1 = วันอาทิตย์
month()	เดือน (1-12)
year()	ปี , แสดงเต็ม 4 หลัก เช่น 2019 , 2020
คำสั่งเพิ่มเติมหากต้องการใช้รูปแบบเวลา 12 ชั่วโมง
hourFormat12()	แสดงชั่วโมงในรูปแบบเวลา 12 ชั่วโมง (1-12)
isAM()	คืนค่า true เมื่อเป็นเวลาก่อนเที่ยงวัน (AM)
isPM()	คืนค่า true เมื่อเป็นเวลาหลังเที่ยงวัน (PM)

จากคำสั่งทั้งหมดนั้นจะเห็นว่าการเก็บค่าและเรียกค่าเวลามาใช้นั้นจะอยู่ในรูปตัวเลขทั้งหมด หากเราต้องการให้แสดงเป็นวันจันทร์ วันอังคาร ก็ต้องทำการเรียก weekday() ขึ้นมาแล้วเขียน if หรือ select ให้ 1 = วันอาทิตย์ 2 = วันจันทร์ ... หรือเดือนกันยายน ตุลาคม ก็เรียก month() ขึ้นมาแล้วเขียนโปรแกรมเพิ่มเช่นเดียวกัน
การนำไปใช้งานนั้นก็เพียงการเขียนโค้ดเรียกเอาเวลาที่ต้องการขึ้นมา เก็บไว้ในตัวแปรไหนซักตัว แล้วจึงเขียนเงื่อนไขตามปกติทั่วไป ตรงนี้จะขอยกตัวอย่างให้ LED บนบอร์ด Arduino UNO ติดเมื่อมีค่าวินาทีเป็น 5, 10, 15, 20,... โดยออกแบบโปรแกรมง่าย ๆ คือเรียกค่าวินาทีขึนมาค่าเดียว ทำการหารเอาเศษด้วย 5 หากผลลัพธ์ออกมา = 0 (เพราะค่า 5, 10, 15,... นั้น 5 หารลงตัวเราหารเอาเศษ ไม่มีเศษผลลัพธ์จึง = 0) ก็ให้ LED ติดสว่างขึ้น แต่หากเป็นเศษที่ <> 0 ก็ให้ LED ดับไป ใครจะลองเพิ่มโค้ดในการแสดงเวลาบนจอ LCD หรือบน Serial Monitor ก็ได้ครับจะได้เห็นชัดเจนขึ้นว่าเวลาวินาทีมันลงด้วย 5 ไฟมันจะติดขึ้นมา ถือว่าฝึกเขียนโค้ดไปในตัว

การใช้งานโมดูลที่มีการเชื่อมต่อแบบ 3-wire interface
สำหรับเจ้า DS1302 ของเรานั้นจะไม่ได้เชื่อมต่อแบบ I2C แต่จะเป็นการเชื่อมต่อแบบ 3-wire interface ก็ไม่ต้องตกใจครับ แค่ต่อสายไฟเพิ่ม I2C อีกเส้นเดียวเอง ส่วนการเขียนโค้ดนั้นก็คล้าย ๆ กัน มีจุดแตกต่างเพียงนิดเดียวเท่านั้น และแน่นอนว่าหากใช้ Time Library พื้นฐานที่ติดมากับ ArduinoIDE ก็คงยุ่งยากเกินไป ครั้นจะใช้ RTClib ของแบบ I2C ก็ไม่ได้ ไม่ต้องกังวลอีกแหละครับ มีคนใจดีทำ Library ที่ใช้งานง่าย ๆ แจกไว้แล้ว ในที่นี้จะใช้ virtuabotixRTC (ดาวน์โหลดได้ที่นี่ || หรือที่นี่) โดยข้อเสียนิดนึงของ Library ตัวนี้คือเราไม่สามารถตั้งเวลาจากการเรียกเวลาของคอมพิวเตอร์มาใส่โดยอัตโนมัติได้ เราจะต้องกำหนดเข้าไปเอง ฉะนั้นใครที่ต้องการเวลาเป๊ะ ๆ เวลาเขียนก็ควรบวกเวลาไปด้วยนะครับ กว่าเราจะกดอัพโหลด กว่าจะคอมไพล์โค้ดเสร็จใช้เวลาประมาณเท่าไร ซึ่งการตั้งเวลาใส่ DS1302 จะใช้คำสั่ง setDS1302Time() มีโค้ดดังนี้

ข้อสังเกตคือการเรียงลำดับเวลาของ Library ตัวนี้จะต่างกับ Library ในแบบ I2C คือต้องใส่วันในสัปดาห์(อาทิตย์ = 1, จันทร์ = 2,....) เพิ่มลงไป และการเรียงนั้นจะเรียงจากสเกลเล็กไปสเกลใหญ่ กลับกันกับแบบ I2C ส่วนการเรียกใช้งานนั้นจะคล้าย ๆ กับแบบ I2C อีกเช่นกัน โดยจะเรียกคำสั่ง updateTime() แทน now() และในการเรียกเวลาที่จะใช้ จะเรียกเป็น hour dayofmonth จะไม่มี () ต่อหลังเหมือน RTClib อีกข้อแตกต่างคือค่าปี เจ้า DS1302 จะไม่ได้เก็บค่าปีเต็ม 4 หลัก แต่จะเก็บเพียง 2 หลัก 00 - 99 เท่านั้น แต่ทั้งนี้ใน virtuabotixRTC library เขาได้ทำการ +2000 มาให้เราเรียบร้อยแล้ว เมื่อเข้าใจตรงกันและได้ตั้งเวลาเรียบร้อยแล้วก็ลองทำการแสดงค่าเวลาทุก ๆ 1 วินาทีดูเช่นเดิม

จากตัวอย่างจะเห็นแล้วนะครับว่าคำสั่งที่ใช้นั้นใกล้เคียงกับแบบ I2C มาก จะต่างกันแค่บางตัว การเติม s และไม่มี () ต่อท้ายเท่านั้น ซึ่งคำสั่งต่างๆที่ใช้มีดังนี้

คำสั่ง	ค่าที่ได้
hours	ชั่วโมง (0-23)
minutes	นาที (0-59)
seconds	วินาที (0-59)
dayofweek	วันในสัปดาห์ (1-7) , 1 = วันอาทิตย์
dayofmonth	วันที่ (1-31)
month	เดือน (1-12)
year	ปี (00-99)

จะเห็นว่าคำสั่งและค่าที่ได้คืนออกมานั้นจะใกล้เคียงกับแบบ I2C มาก ๆ เนื่องจากพื้นฐานของ Library ทั้งสองมาจาก Time library ซึ่งเป็น Library พื้นฐานของ Arduino และเนื่องจากทุกอย่างนั้นใกล้กัน การใช้งานก็เหมือน ๆ กัน เพียงแค่ปรับแก้โค้ดให้เป็นของ 3-wire interface นิดหน่อยก็สามารถใช้งานได้เหมือนดังตัวอย่างด้านบน ฉะนั้นผู้เขียนจึงขอข้ามไปในส่วนของตัวอย่าง เนื่องจากบทความนี้ยาวมากแล้ว และเชื่อว่าทุกท่านคงนำไปแก้ไขใช้งานกันได้ สำหรับบทความนี้ ขอหยุดไว้ตรงนี้ ครั้งหน้าจะมีการใช้งานอะไร หรือมีโปรเจค ความรู้อะไร ติดตามกันนะครับ อย่าลืมหากเห็นว่าเป็นบทความที่ดีแชร์บทความของพวกเราไปให้เพื่อน ๆ ได้อ่าน เป็นกำลังใจให้เรา หรือบทความมีข้อผิดพลาดติดต่อเข้ามาแจ้งได้เลย ขอบคุณและสวัสดีครับ

|/| Tips : การคำนวณว่าปีไหนกุมภาฯจะมี 29 วัน คิดง่าย ๆ โดยนำปี ค.ศ.ตั้ง หารด้วย 4 หากลงตัวปีนั้นจะมี 29 วัน |\|