實時時鐘芯片DS1302
本節(jié)課的DS1302是個實時時鐘芯片，我們可以用單片機(jī)寫入時間或者讀取當(dāng)前的時間數(shù)據(jù)，我也會帶著大家通過閱讀這個芯片的數(shù)據(jù)手冊來學(xué)習(xí)和掌握這個器件。
由于IT技術(shù)國際化比較強，因此數(shù)據(jù)手冊絕大多數(shù)都是英文的，導(dǎo)致很多英語基礎(chǔ)不好的同學(xué)看到英文手冊頭就大了。這里我要告訴大家的是，只要精神不退縮，方法總比困難多，很多英語水平不高的，看數(shù)據(jù)手冊照樣完全沒問題，因為我們的專業(yè)詞匯也就那么幾個，多看幾次就認(rèn)識了。我們現(xiàn)在不是考試，因此大家可以充分利用一些英文翻譯軟件，翻譯過來的中文意思有時候可能不是那么準(zhǔn)確，那你就把翻譯的內(nèi)容和英文手冊里的一些圖表比較參考學(xué)習(xí)。此外數(shù)據(jù)手冊除了介紹性的說明外，一般還會配相關(guān)的圖形或者表格，結(jié)合起來看也有利于理解手冊所表達(dá)的意思。這節(jié)課我會把DS1302的英文資料盡可能的用比較便于理解的方式給大家表達(dá)出來，同學(xué)們可以把我的表達(dá)和英文手冊多做一下對比，盡可能快的慢慢開始學(xué)會了解英文手冊。
1、DS1302的特點
DS1302是DALLAS(達(dá)拉斯)公司出的一款涓流充電時鐘芯片，2001年DALLAS被MAXIM(美信)收購，因此我們看到的DS1302的數(shù)據(jù)手冊既有DALLAS的標(biāo)志，又有MAXIM的標(biāo)志，大家了解即可。
DS1302實時時鐘芯片廣泛應(yīng)用于電話、傳真、便攜式儀器等產(chǎn)品領(lǐng)域，他的主要性能指標(biāo)如下：
1、DS1302是一個實時時鐘芯片，可以提供秒、分、小時、日期、月、年等信息，并且還有軟件自動調(diào)整的能力，可以通過配置AM/PM來決定采用24小時格式還是12小時格式。
2、擁有31字節(jié)數(shù)據(jù)存儲RAM。
3、串行I/O通信方式，相對并行來說比較節(jié)省IO口的使用。
4、DS1302的工作電壓比較寬，大概是2.0V~5.5V都可以正常工作。
5、DS1302這種時鐘芯片功耗一般都很低，它在工作電壓2.0V的時候，工作電流小于300nA。
6、DS1302共有8個引腳，有兩種封裝形式，一種是DIP-8封裝，芯片寬度(不含引腳)是300mil，一種是SOP-8封裝，有兩種寬度，一種是150mil，一種是208mil。我們看一下DS1302的引腳封裝圖，如圖1所示。
所謂的DIP封裝Dual In-line Package，也叫做雙列直插式封裝技術(shù)，就如同我們開發(fā)板上的STC89C52RC單片機(jī)，就是個典型的DIP封裝，當(dāng)然這個STC89C52RC還有其他的封裝，為了方便學(xué)習(xí)使用，我們采用的是DIP封裝。而74HC245、74HC138、24C02、DS1302我們用的都是SOP封裝Small Out-Line Package，是一種芯片兩側(cè)引出L形引腳的封裝技術(shù)，大家可以看看開發(fā)板上的芯片，了解一下這些常識性知識。
7、當(dāng)供電電壓是5V的時候，兼容標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，這里的意思是，可以完美的和單片機(jī)進(jìn)行通信。
8、由于DS1302是DS1202的升級版本，所以所有的功能都兼容DS1202。此外DS1302有兩個電源輸入，一個是主電源，另外一個是備用電源，比如可以用電池或者大電容，這樣是為了保證系統(tǒng)掉電的情況下，我們的時鐘還會繼續(xù)走。如果使用的是充電電池，還可以在正常工作時，設(shè)置充電功能，給我們的備用電池進(jìn)行充電。
DS1302的特點第二條“擁有31字節(jié)數(shù)據(jù)存儲RAM”，這是DS1302額外存在的資源。這31字節(jié)的RAM相當(dāng)于一個存儲器一樣，我們編寫單片機(jī)程序的時候，可以把我們想存儲的數(shù)據(jù)存儲在DS1302里邊，需要的時候讀出來，這塊功能和EEPROM有點類似，相當(dāng)于一個掉電丟失數(shù)據(jù)的“EEPROM”，如果我們的時鐘電路加上備用電池，那么這31個字節(jié)的RAM就可以替代EEPROM的功能了。這31字節(jié)的RAM功能使用很少，所以在這里我不講了，大家了解即可。
2、DS1302的硬件信息
我們平時所用的不管是單片機(jī)，還是其他一些電子器件，根據(jù)使用條件的約束，可以分為商業(yè)級和工業(yè)級，DS1302的購買信息如下圖2所示。
圖2 DS1302訂購信息
我們在訂購DS1302的時候，就可以根據(jù)圖15-4所標(biāo)識的來跟銷售廠家溝通，商業(yè)級的工作電壓略窄，是0到70度，而工業(yè)級可以工作在零下40度到85度。TOP MARK就是指在芯片上印的字。
DS1302一共有8個引腳，下邊要根據(jù)引腳分布圖和典型電路圖來介紹一下每個引腳的功能，如圖3和圖4所示。
圖3 DS1302引腳圖
圖4 DS1302典型電路
1腳VCC2是主電源正極的引腳，2腳X1和3腳X2是晶振輸入和輸出引腳，4腳GND是負(fù)極，5腳CE是使能引腳，接單片機(jī)的IO口，6腳I/O是數(shù)據(jù)傳輸引腳，接單片機(jī)的IO口，7腳SCLK是通信時鐘引腳，接單片機(jī)的IO口，8腳VCC1是備用電源引腳？紤]到KST-51開發(fā)板是一套以學(xué)習(xí)為目的的板子，加上備用電池對航空運輸和攜帶不方便，所以8腳可以直接懸空，斷電后不需要DS1302再運行了，或者是在8腳接一個10uF的電容，經(jīng)過試驗可以運行1分鐘左右的時間，如果大家想運行時間再長，可以加大電容的容量，如圖5和圖6所示。
圖5 DS1302無備用電源
圖6 DS1302電容作備用電源
涓流充電功能，課程也不講了，大家也作為選學(xué)即可，我們使用的時候直接用5V電源接一個二極管，在有主電源的情況下給電容充電，在主電源掉電的情況下，這個電容可以給DS1302大約供電1分鐘左右，這種電路的最大用處是在電池供電系統(tǒng)中更換主電池的時候保持實時時鐘的運行不中斷，1分鐘的時間對于更換電池足夠了。此外，通過我們的使用經(jīng)驗，在DS1302的主電源引腳串聯(lián)一個1K電阻可以有效的防止電源對DS1302的沖擊，R6就是，而R9，R26，R32都是上拉電阻。
我們把8個引腳功能分別介紹，如表1所示。
表1 DS1302引腳功能圖
引腳編號 | 引腳名稱 | 引腳功能 |
1 | Vcc2 | 主電源引腳，當(dāng)Vcc2比Vcc1高0.2V以上時，DS1302由VCC2供電，當(dāng)Vcc2低于Vcc1時，由Vcc1供電。 |
2 | X1 | 這兩個引腳需要接一個32.768K的晶振，給DS1302提供一個基準(zhǔn)。特別注意，要求這個晶振的引腳負(fù)載電容必須是6pF，而不是要加6pF的電容。如果使用有源晶振的話，接到X1上即可，X2懸空。 |
3 | X2 | |
4 | GND | 接地。 |
5 | CE | DS1302的輸入引腳。當(dāng)讀寫DS1302的時候，這個引腳必須是高電平，DS1302這個引腳內(nèi)部有一個40k的下拉電阻。 |
6 | I/O | 這個引腳是一個雙向通信引腳，讀寫數(shù)據(jù)都是通過這個引腳完成。DS1302這個引腳的內(nèi)部含有一個40k的下拉電阻。 |
7 | SCLK | 輸入引腳。SCLK是用來作為通信的時鐘信號。DS1302這個引腳的內(nèi)部含有一個40k的下拉電阻。 |
8 | Vcc1 | 備用電源引腳。 |
DS1302的電路一個重點就是時鐘電路，它所使用的晶振是一個32.768k的晶振，晶振外部也不需要額外添加其他的電容或者電阻電路了。時鐘的精度，首先取決于晶振的精度以及晶振的引腳負(fù)載電容。如果晶振不準(zhǔn)或者負(fù)載電容過大過小，都會導(dǎo)致時鐘誤差過大。在這一切都搞定后，最終一個考慮因素是晶振的溫漂。隨著溫度的變化，晶振往往精度會發(fā)生變化，因此，在實際的系統(tǒng)中，其中一種方法就是經(jīng)常校對。比如我們所用的電腦的時鐘，通常我們會設(shè)置一個選項“將計算機(jī)設(shè)置于internet時間同步”。選中這個選項后，一般可以過一段時間，我們的計算機(jī)就會和internet時間校準(zhǔn)同步一次。
3、DS1302寄存器介紹
DS1302的一條指令一個字節(jié)8位，其中第七位(即最高位)是固定1，這一位如果是0的話，那寫進(jìn)去是無效的。第六位是選擇RAM還是CLOCK的，我前邊說過，我們這里主要講CLOCK時鐘的使用，它的RAM功能我們不用，所以如果選擇CLOCK功能，第六位是0，如果要用RAM，那第六位就是1。從第五到第一位，決定了寄存器的5位地址，而第零位是讀寫位，如果要寫，這一位就是0，如果要讀，這一位就是1，如圖7所示。
圖7 DS1302命令字節(jié)
DS1302時鐘的寄存器，其中8個和時鐘有關(guān)的，5位地址分別是00000一直到00111這8個地址，還有一個寄存器的地址是01000，這是涓流充電所用的寄存器，我們這里不講。在DS1302的數(shù)據(jù)手冊里的地址，直接把第七位、第六位和第零位值給出來了，所以指令就成了80H、81H那些了，最低位是1，那么表示讀，最低位是0表示寫，如圖8所示。
圖8 DS1302的時鐘寄存器
寄存器一：最高位CH是一個時鐘停止標(biāo)志位。如果我們的時鐘電路有備用電源部分，上電后，我們要先檢測一下這一位，如果這一位是0，那說明我們的時鐘在系統(tǒng)掉電后，由于備用電源的供給，時鐘是持續(xù)正常運行的；如果這一位是1，那么說明我們的時鐘在系統(tǒng)掉電后，時鐘部分不工作了。若我們的Vcc1懸空或者是電池沒電了，當(dāng)我們下次重新上電時，讀取這一位，那這一位就是1，我們可以通過這一位判斷時鐘在單片機(jī)系統(tǒng)掉電后是否持續(xù)運行。剩下的7位高3位是秒的十位，低4位是秒的個位，這里注意再提一次，DS1302內(nèi)部是BCD碼，而秒的十位最大是5，所以3個二進(jìn)制位就夠了。
寄存器二：bit7沒意義，剩下的7位高3位是分鐘的十位，低4位是分鐘的個位。
寄存器三：bit7是1的話代表是12小時制，是0的話代表是24小時制，bit6固定是0，bit5在12小時制下0代表的是上午，1代表的是下午，在24小時制下和bit4一起代表了小時的十位，低4位代表的是小時的個位。
寄存器四：高2位固定是0，bit5和bit4是日期的十位，低4位是日期的個位。
寄存器五：高3位固定是0，bit4是月的十位，低4位是月的個位。
寄存器六：高5位固定是0，低3位代表了星期。
寄存器七：高4位代表了年的十位，低4位代表了年的個位。這里特別注意，這里的00到99年指的是2000年到2099年。
寄存器八：bit7是一個保護(hù)位，如果這一位是1，那么是禁止給任何其他的寄存器或者那31個字節(jié)的RAM寫數(shù)據(jù)的。因此在寫數(shù)據(jù)之前，這一位必須先寫成0。
4、DS1302通信時序介紹
DS1302我們前邊也有提起過，是三根線，分別是CE、I/O和SCLK，其中CE是使能線，SCLK是時鐘線，I/O是數(shù)據(jù)線。前邊我們學(xué)過SPI通信，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)沒發(fā)現(xiàn)，這個DS1302的通信線定義和SPI怎么這么像呢？
事實上，DS1302的通信是SPI的變異種類，它用了SPI的通信時序，但是通信的時候沒有完全按照SPI的規(guī)則來，下面我們一點點解剖一下DS1302的變異SPI通信方式。
先看一下單字節(jié)寫入操作，如圖9所示。
圖9 DS1302單字節(jié)寫操作
然后我們在對比一下再對比一下CPOL=0并且CPHA=0的情況下的SPI的操作時序，如圖10所示。
圖10 CPOL=0/CPHA=0通信時序
圖9和圖10的通信時序，其中CE和SSEL的使能控制是反的，對于通信寫數(shù)據(jù)，都是在SCK的上升沿，從機(jī)進(jìn)行采樣，下降沿的時候，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。DS1302的時序里，單片機(jī)要預(yù)先寫一個字節(jié)指令，指明要寫入的寄存器的地址以及后續(xù)的操作是寫操作，然后再寫入一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。
對于單字節(jié)讀操作，我就不做對比了，把DS1302的時序圖貼出來給大家看一下，如圖11所示。
圖11 DS1302單字節(jié)讀操作
讀操作有兩處特別注意的地方。第一，DS1302的時序圖上的箭頭都是針對DS1302來說的，因此讀操作的時候，先寫第一個字節(jié)指令，上升沿的時候DS1302來鎖存數(shù)據(jù)，下降沿我們用單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。到了第二個字?jǐn)?shù)據(jù)，由于我們這個時序過程相當(dāng)于CPOL=0/CPHA=0，前沿發(fā)送數(shù)據(jù)，后沿讀取數(shù)據(jù)，第二個字節(jié)是DS1302下降沿輸出數(shù)據(jù)，我們的單片機(jī)上升沿來讀取，因此箭頭從DS1302角度來說，出現(xiàn)在了下降沿。
第二個需要注意的地方就是，我們的單片機(jī)沒有標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，和I2C一樣需要用IO口來模擬通信過程。在讀DS1302的時候，理論上SPI是上升沿讀取，但是我們的程序是用IO口模擬的，所以數(shù)據(jù)的讀取和時鐘沿的變化不可能同時了，必然就有一個先后順序。通過實驗發(fā)現(xiàn)，如果先讀取IO線上的數(shù)據(jù)，再拉高SCLK產(chǎn)生上升沿，那么讀到的數(shù)據(jù)一定是正確的，而顛倒順序后數(shù)據(jù)就有可能出錯。這個問題產(chǎn)生的原因還是在于DS1302的通信協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)SPI協(xié)議存在的差異造成的，如果是標(biāo)準(zhǔn)SPI的數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)會一直保持到下一個周期的下降沿才會變化，所以讀取數(shù)據(jù)和上升沿的先后順序就無所謂了；但DS1302的IO線會在時鐘上升沿后被DS1302釋放，也就是撤銷強推挽輸出變?yōu)槿跸吕瓲顟B(tài)，而此時在51單片機(jī)引腳內(nèi)部上拉的作用下，IO線上的實際電平會慢慢上升，從而導(dǎo)致在上升沿產(chǎn)生后再讀取IO數(shù)據(jù)的話就可能出錯。因此這里的程序我們按照先讀取IO數(shù)據(jù)，再拉高SCLK產(chǎn)生上升沿的順序。
下面我們就寫一個程序，先將2013年10月8號星期二12點30分00秒這個時間寫到DS1302內(nèi)部，讓DS1302正常運行，然后在不停的讀取DS1302的當(dāng)前時間，并顯示在我們的液晶屏上。
編輯：admin 最后修改時間：2018-05-16
