一、任务活动介绍

Funpack 活动是由硬禾科技联合 DigiKey 发起的“玩成功就全额退”活动。第五季第 4 期所使用的板卡为 NXP FRDM-MCXN236 开发板。本项目选择的任务如下。

任务 1：电子时钟设计【难度 ⭐️⭐️】

基于 FRDM-MCXN236 开发板实现一个电子时钟系统，能够显示当前时间并支持时间设置功能。任务要求包括：

• 使用 RTC 获取系统时间；
• 显示当前时、分、秒信息；
• 使用按键调整时间；
• 通过串口输出当前时间；
• 在具备后备供电的条件下，掉电后保持时间。

本项目在基础任务之上增加了日期显示和桌面化交互，使用 0.91 英寸 SSD1306 OLED 同时显示日期与时间。

二、项目描述

本项目基于 NXP FRDM-MCXN236 开发板实现桌面电子时钟。系统使用内部 IRTC 记录日期和时间，通过 SSD1306 128×32 OLED 显示，并利用板载 SW2、SW3 按键完成时间设置。

项目主要功能包括：

• 显示年月日和时分秒；
• 支持按键设置时间及字段闪烁提示；
• 自动判断闰年和月份天数；
• 每秒通过串口输出当前时间；
• RESET 后保持 RTC 继续运行；
• 支持软件 I²C和硬件 I²C 两种 OLED 驱动方式。

工程基于 MCUXpresso SDK 的 IRTC 示例扩展，采用中断与主循环相结合的结构，具有实现简单、资源占用少和运行稳定等特点。

三、芯片及器件选型

3.1 FRDM-MCXN236 开发板

FRDM-MCXN236 开发板的核心为 MCX N236 微控制器，主要资源如下。

MCX N236 的 IRTC 能够直接保存年、月、日、星期、时、分、秒信息，并支持独立 VBAT 域，因此适合实现需要跨系统复位保持计时的电子时钟。

3.2 OLED 显示模块

本项目使用 0.91 英寸 SSD1306 OLED 模块。

OLED 具有体积小、对比度高、无需背光和接口简单等特点，适合作为桌面电子时钟的显示器。

四、方案框图与设计思路

系统以 FRDM-MCXN236 开发板为核心，利用内部 IRTC 完成日期和时间的持续计时。SW3 作为 SET 按键，用于进入、确认或取消时间设置；SW2 作为 PLUS 按键，用于增加当前设置字段。系统通过 GPIO 完成按键扫描与消抖，并由 SysTick 提供稳定的毫秒级时间基准。当前日期和时间通过 SSD1306 OLED 显示，同时经调试串口每秒输出。OLED 默认采用交换引脚后的软件 I²C驱动，也可通过宏定义切换为硬件 LPI2C2。系统 RESET 期间 IRTC 能够继续计时，若需在完全断电后保持时间，则需要为 VBAT 域提供独立后备电源。

五、电路设计

5.1 开发板参考原理图

FRDM-MCXN236 参考原理图可从电子森林资源库的FRDM-MCXN236 开发板页面获取。本项目没有设计独立 PCB，主要使用开发板内部 IRTC、板载按键和扩展接口连接 OLED。

5.2 OLED 连线

本项目使用 0.91 英寸、128×32 分辨率的 SSD1306 OLED。为了方便接线，默认采用 GPIO 模拟软件 I²C，所使用的引脚如下：

工程同时保留硬件 LPI2C2 驱动。如需使用硬件 I²C，应按以下方式连接：

软硬件 I²C可通过 board/app.h 中的宏定义选择：

/* 0：软件 I2C；1：硬件 LPI2C2 */
#define BOARD_OLED_USE_HARDWARE_I2C 0

默认值为 0，即使用 P1_2 作为 SDA、P1_0 作为 SCL。修改为 1 后，程序将使用硬件 LPI2C2，此时需要按照硬件外设的固定引脚功能连接 OLED。

5.3 按键分配

两个按键均采用低电平有效方式，并启用内部上拉和无源输入滤波。

5.4 RTC 后备供电说明

IRTC 日历寄存器不受普通软件复位影响，因此按下或按住 RESET 时，RTC 可以继续运行。

当前开发板没有单独连接 VBAT 后备电源，所以“按住 RESET”只能模拟主控停止运行，不能等效为整板断电。要实现真正的完全掉电时间保持，需要根据开发板原理图为 VBAT 域增加纽扣电池或超级电容，根据原理图需断开R76电阻，并在TP32上增加VBAT供电。

六、软件设计与关键代码

6.1 工程结构

工程以 MCUXpresso SDK 的 FRDM-MCXN236 IRTC 示例为基础，主要文件如下。

6.2 软件主流程

系统上电或 RESET 后，首先初始化系统时钟、GPIO、串口、OLED、SysTick 和内部 IRTC。程序判断 RTC 时间是否有效，若无效则写入默认日期和时间，随后进入 10 ms 周期主循环。正常模式下，系统持续扫描按键，并每秒刷新 OLED 和串口输出；长按 SW3 后进入时间设置模式。设置过程中，SW2 用于增加当前字段，短按 SW3 用于确认并切换字段。当年、月、日、时、分、秒全部设置完成后，程序校验日期并写入 IRTC。设置期间长按 SW3 或 30 秒无操作，系统会放弃修改并返回正常显示模式。

6.3 关键代码

1. RTC 时间有效性判断与复位保持

程序启动后首先读取 IRTC 状态。如果 RTC 无效或时间字段超出合法范围，则写入默认时间；如果时间有效，则保留原有时间。因此，按下 RESET 后不会重新初始化时间，IRTC 可以继续计时。

static bool APP_TimeIsValid(void)
{
    irtc_datetime_t datetime;
    uint32_t flags = IRTC_GetStatusFlags(RTC);

    if (0U != (flags & (uint32_t)kIRTC_InvalidFlag))
    {
        return false;
    }

    IRTC_GetDatetime(RTC, &datetime);

    if ((datetime.year < APP_YEAR_MIN) ||
        (datetime.year > APP_YEAR_MAX) ||
        (datetime.month < 1U) || (datetime.month > 12U) ||
        (datetime.day < 1U) ||
        (datetime.day > APP_GetDaysOfMonth(datetime.year,
                                           datetime.month)) ||
        (datetime.hour > 23U) ||
        (datetime.minute > 59U) ||
        (datetime.second > 59U))
    {
        return false;
    }

    return true;
}

启动时根据检测结果决定是否写入默认时间：

retained = APP_TimeIsValid();

if (!retained)
{
    APP_LoadDefaultTime();
    PRINTF("Cold start detected, default time loaded.\r\n");
}
else
{
    PRINTF("Warm reset detected, retained time is kept running.\r\n");
}

2. 时间设置状态机

系统使用状态机依次设置年、月、日、时、分、秒。每次短按 SW3 后进入下一字段，确认秒字段后返回正常模式，并通知主程序将编辑结果写入 IRTC。

bool APP_AdvanceField(void)
{
    bool finished = false;

    switch (s_clockMode)
    {
        case kAppMode_SetYear:
            s_clockMode = kAppMode_SetMonth;
            break;

        case kAppMode_SetMonth:
            s_clockMode = kAppMode_SetDay;
            break;

        case kAppMode_SetDay:
            s_clockMode = kAppMode_SetHour;
            break;

        case kAppMode_SetHour:
            s_clockMode = kAppMode_SetMinute;
            break;

        case kAppMode_SetMinute:
            s_clockMode = kAppMode_SetSecond;
            break;

        case kAppMode_SetSecond:
            s_clockMode = kAppMode_Run;
            finished = true;
            break;

        default:
            s_clockMode = kAppMode_Run;
            break;
    }

    s_blinkTicks   = 0U;
    s_blinkVisible = false;

    return finished;
}

进入设置模式时，程序先复制当前 RTC 时间，避免在设置过程中直接修改硬件时间：

void APP_EnterSetting(const irtc_datetime_t *current)
{
    memcpy(&s_editTime, current, sizeof(s_editTime));
    APP_SanitizeDatetime(&s_editTime);

    s_clockMode    = kAppMode_SetYear;
    s_blinkTicks   = 0U;
    s_blinkVisible = false;
}

3. 闰年及日期合法性处理

不同月份的天数并不相同，二月还需要判断闰年。程序使用完整的公历规则计算每个月的最大天数，避免出现 2 月 30 日、4 月 31 日等非法日期。

uint8_t APP_GetDaysOfMonth(uint16_t year, uint8_t month)
{
    uint8_t days[12] = {
        31U, 28U, 31U, 30U, 31U, 30U,
        31U, 31U, 30U, 31U, 30U, 31U
    };

    if ((month < 1U) || (month > 12U))
    {
        return 31U;
    }

    if (2U == month)
    {
        if ((((year % 4U) == 0U) &&
             ((year % 100U) != 0U)) ||
            ((year % 400U) == 0U))
        {
            return 29U;
        }
    }

    return days[month - 1U];
}

增加日期时，根据当前年月确定循环上限：

case kAppMode_SetDay:
{
    uint8_t maxDay =
        APP_GetDaysOfMonth(s_editTime.year,
                           s_editTime.month);

    s_editTime.day++;

    if (s_editTime.day > maxDay)
    {
        s_editTime.day = 1U;
    }
    break;
}

小时、分钟和秒则通过取模运算实现自动循环：

s_editTime.hour =
    (uint8_t)((s_editTime.hour + 1U) % 24U);

s_editTime.minute =
    (uint8_t)((s_editTime.minute + 1U) % 60U);

s_editTime.second =
    (uint8_t)((s_editTime.second + 1U) % 60U);

4. 软件 I²C字节发送

由于 OLED 模块的 SDA、SCL 顺序与硬件 LPI2C2 引脚相反，工程默认使用 GPIO 模拟 I²C。GPIO 输出模式用于拉低总线，输入模式用于释放总线，从而模拟 I²C 的开漏结构。

static void SSD1306_SoftDriveLow(uint32_t pin)
{
    BOARD_OLED_SOFT_I2C_GPIO->PDDR |= (1UL << pin);
}

static void SSD1306_SoftRelease(uint32_t pin)
{
    BOARD_OLED_SOFT_I2C_GPIO->PDDR &= ~(1UL << pin);
}

发送一个字节后，程序在第九个时钟读取 OLED 返回的 ACK：

static bool SSD1306_SoftWriteByte(uint8_t value)
{
    uint32_t bit;
    bool acknowledged;

    for (bit = 0U; bit < 8U; bit++)
    {
        if (0U != (value & 0x80U))
        {
            SSD1306_SoftRelease(
                BOARD_OLED_SOFT_I2C_SDA_PIN);
        }
        else
        {
            SSD1306_SoftDriveLow(
                BOARD_OLED_SOFT_I2C_SDA_PIN);
        }

        SSD1306_SoftDelay();
        if (!SSD1306_SoftRaiseClock())
        {
            return false;
        }

        SSD1306_SoftDelay();
        SSD1306_SoftDriveLow(
            BOARD_OLED_SOFT_I2C_SCL_PIN);

        value <<= 1U;
    }

    /* 第九个时钟读取低电平有效的 ACK */
    SSD1306_SoftRelease(
        BOARD_OLED_SOFT_I2C_SDA_PIN);
    SSD1306_SoftRaiseClock();
    SSD1306_SoftDelay();

    acknowledged = !SSD1306_SoftRead(
        BOARD_OLED_SOFT_I2C_SDA_PIN);

    SSD1306_SoftDriveLow(
        BOARD_OLED_SOFT_I2C_SCL_PIN);

    return acknowledged;
}

5. OLED 刷新与串口时间输出

IRTC 每秒产生一次中断事件。主循环检测到该事件后重新读取 RTC，刷新 OLED，并通过调试串口输出完整日期和时间。

串口时间格式化代码如下：

static void APP_PrintDatetime(
    const irtc_datetime_t *datetime)
{
    PRINTF("RTC: %04u-%02u-%02u %02u:%02u:%02u\r\n",
           (unsigned int)datetime->year,
           (unsigned int)datetime->month,
           (unsigned int)datetime->day,
           (unsigned int)datetime->hour,
           (unsigned int)datetime->minute,
           (unsigned int)datetime->second);
}

每秒事件处理代码如下：

if (s_secondTick)
{
    s_secondTick = false;
    redraw       = true;
    printTime    = true;
}

if (redraw)
{
    IRTC_GetDatetime(RTC, &now);
    APP_SanitizeDatetime(&now);
}

if (printTime)
{
    APP_PrintDatetime(&now);
}

if (redraw && oledReady)
{
    APP_Display(&now);
}

串口输出示例：

RTC: 2025-07-25 12:30:45
RTC: 2025-07-25 12:30:46

七、实物演示

1. 上电显示：上电之后，由于刚上电，默认显示的时间为2025-01-01 00:00:00，然后间隔1s增加时间。

2. 设置时间和切换显示模式：长按SW3进入设置模式，设置正确的时候后，即可按最新时间运行。然后可以通过SW2切换显示模式，共三种显示模式。

3. 长按进入时间设置：进入设置模式后，左上角会显示※标志，对应的设置位，会闪烁显示。设置过程中，按SW2增加对应位，长按可以快速增加。

4. 串口输出内容：1s周期发送最新时间。

5. RTC测试：由于VBAT没有单独接入电源，我们以按住RESET按键一段时间，观察时间是否正确。测试结果RTC是一直运行的，具体效果查看视频。

八、难点与解决方法

8.1 两个按键完成六个字段设置

问题： 按键数量有限，既要进入设置，又要调整和确认字段，还要避免误触。

解决： 将 SW3 设计为多功能 SET 键：正常模式长按进入、设置模式短按确认、设置模式长按取消；SW2 专门负责增加。当前字段闪烁提供视觉反馈，并加入 30 秒无操作超时。

8.2 日期边界和闰年处理

问题： 日期字段不能简单按 1～31 循环，否则会产生 2 月 30 日等非法时间。

解决： 建立统一的月份天数函数，并使用完整公历闰年规则。修改年、月后立即修正日字段，最终写入前再次进行完整合法性检查。

九、总结

本项目基于 FRDM-MCXN236 实现了具备 OLED 日期时间显示、双按键设置、串口输出、日期校验和 RESET 计时保持功能的桌面 RTC 电子时钟。针对 OLED 引脚顺序问题，系统提供可切换的软硬件 I²C 驱动，后续还可扩展独立 VBAT 供电、闹钟、亮度调节和低功耗等功能。

通过本次实践，掌握了 MCX N236 的 IRTC、GPIO、PORT、LPUART、LPI2C 和 SysTick 等外设的使用方法，也进一步理解了 RTC 后备供电、I²C 开漏总线、按键状态机和日历合法性处理。