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1 引言 由單片機構成的測控系統或智能顯示屏經常需要用到實時日歷或時鐘信號。為節省CPU資源，本文介紹了串行時鐘器件DS3231的應用及其與AVR單片機ATmega8的接口，該系統具有抗干擾能力強，計時準確且不隨季節變化產生誤差的特點。 2 DS3231的結構及工作原理 DS3231是低成本、高精度I2C實時時鐘(RTC)器件，具有集成的溫度補償晶體振蕩器(TCXO)。該器件包含電池輸入端，斷開主電源時仍可保持精確計時。集成的晶體振蕩器可提高器件的長期精確度。DS3231的寄存器能保存秒、分、時、星期、日期、月、年和鬧鐘設置等信息。少于31天的月份，可自動調整月末日期，包括閏年補償。時鐘的工作格式為24小時或帶AM／PM指示的12小時格式。DS3231提供兩個可編程日歷鬧鐘和一路可編程方波輸出。地址與數據通過I2C雙向串行總線傳輸。 2.1 DS3231的組成及工作原理 如圖1所示，DS3231的主要組成部分有8個模塊，劃分為4個功能組：TCXO、電源控制、按鈕復位和RTC。 2.1.1 32 kHz的TCXO TCXO包括溫度傳感器、振蕩器和控制邏輯。控制器讀取片上溫度傳感器輸出，使用查表法確定所需的電容，加上AGE寄存器的老化修正。然后設置電容選擇寄存器。僅在溫度變化或者用戶啟動的溫度轉換完成時，才加載包括AGE寄存器變化的新值。VCC初次上電時就會讀取溫度值，然后每隔64 s讀取一次。 2.1.2 電源控制 電源控制功能由溫度補償電壓基準(VPF)和監視VCC電平的比較器電路提供。當VCC高于VPF時，DS3231由VCC供電，當VCC低于VPF但高于VBAT時，DS3231由VCC供電；當VCC低于VPF并低于VBAT時，DS3231由VBAT供電。為保護電池，VBAT首次加到器件時振蕩器并不啟動，除非加載VCC，或者向器件寫入一個有效的I2C地址。典型的振蕩器啟動時間在1 s以內。在VCC加電后或者有效的I2C地址寫入后大約2 s，器件會測量一次溫度，并使用計算的修正值校準振蕩器。一旦振蕩器運行，只要電源(VCC或者VBAT)有效就會一直保持工作狀態。器件每隔64 s進行一次溫度測量并校準振蕩器頻率。 2.1.3 按鈕復位 DS3231具有連接至RST輸出引腳的按鈕開關功能。若DS3231不在復位周期，會持續監視RST信號的下降沿。如果檢測到一個邊沿轉換，DS3231通過拉低RST完成開關去抖。內部定時器定時結束后，DS3231繼續監視RST信號。如果信號依舊保持低電平，DS3231持續監視信號線以檢測上升沿。一旦檢測到按鈕釋放，DS3231強制RST為低電平并保持tRST。RST還可用于指示電源故障報警情況。當VCC低于VPF時，產生內部電源故障報警信號，并強制拉低RST引腳。當VCC返回至超過VPF電平時。RST保持低電平大約250 ms(tREC)，使供電電源達到穩定。如果在VCC加載時，振蕩器不工作，將跳過tREC，RST立刻變為高電平。 2.1.4 時鐘和日歷RTC 可以通過讀取適當的寄存器字節獲得時鐘和日歷信息。通過寫入適當的寄存器字節設定或者初始化時鐘和日歷數據。時鐘和日歷寄存器的內容采用二-十進制編碼(BCD)格式。DS3231運行于12小時或者24小時模式。小時寄存器的第6位定義為12或24小時模式選擇位。該位為高時，選擇12小時模式。在12小時模式下，第5位為AM／PM指示位，邏輯高時為PM。 2.1.5 鬧鐘 DS3231包含2個定時／日期鬧鐘。鬧鐘1可通過寫入寄存器07h～0Ah設定。鬧鐘2可通過寫入寄存器0Bh～0Dh設定。可對鬧鐘進行編程(通過控制寄存器的鬧鐘使能位和INTCN位)，從而在鬧鐘匹配條件下觸發INT／SQW輸出。每個定時／日期鬧鐘寄存器的第7位是屏蔽位。當每個鬧鐘的屏蔽位均為邏輯0時，只有當計時寄存器中的值與存儲于定時／日期鬧鐘寄存器中的對應值相匹配時才會告警。鬧鐘也可以編程為每秒、分、時、星期或日期重復告警。當RTC寄存器值與鬧鐘寄存器的設定值相匹配時，相應的鬧鐘標志位A1F或A2F置為邏輯1。如果對應的鬧鐘中斷使能位A1IE或A2IE也置為邏輯1，并且INTCN位置為邏輯1，鬧鐘條件將會觸發INT／SQW信號。RTC在時間和日期寄存器每秒更新時都會檢測匹配情況。 2.2 DS3231的內部寄存器及功能 DS3231寄存器地址為00h～12h，分別用于存放秒、分、時、星期、日期及鬧鐘設置信息。在多字節訪問期間，如果地址達到RAM空間的結尾12h處，將發生卷繞，此時定位到開始位置即00h單元。DS3231的時間和日歷信息通過讀取相應的寄存器來設置和初始化。輔助(用戶)緩沖區用于防止內部寄存器更新時可能出現的錯誤。讀取時間和日歷寄存器時，用戶緩沖區在任何START條件下或者寄存器指針返回到零時與內部寄存器同步。時間信息從這些輔助寄存器讀取，此時時鐘繼續保持運行狀態。這樣在讀操作期間發生主寄存器更新時可以避免重新讀取寄存器。以控制寄存器(地址為0EH)為例，可以控制實時時鐘、鬧鐘和方波輸出。其各位定義如表1。 BIT7位：使能振蕩器(EOEC)。設定為邏輯0時，啟動振蕩器。如果設定為邏輯1，在DS3231電源切換至VBAT時，振蕩器停止。初次上電時該位清零(邏輯0)。當DS3231由VCC供電時，振蕩器與EOSC位的狀態無關，始終保持工作狀態。 BIT6位：電池備份的方波使能(BBSOW)。當設定為邏輯1并且DS3231由VBAT引腳供電時，在沒有加載VCC的情況下，該位使能方波輸出。當BB-SQW設定為邏輯0時，若VCC降至低于電源故障門限值，則INT／SQW引腳變為高阻抗。初次上電時，該位清零(邏輯0)。 BIT5位：轉換溫度(CONV)。該位置為1時，強制溫度傳感器將溫度轉換成數字，并執行TCXO算法更新振蕩器的電容陣列。只在空閑期間有效。狀態位BSY=1時，禁止設定轉換溫度位。用戶在強制控制器開始新的TCXO操作之前。應檢查狀態位BSY。用戶啟動的溫度轉換不影響內部64 s更新周期。用戶啟動的溫度轉換在大約2 ms內不會影響BSY位。CONV位從寫入開始直到轉換完成一直保持為1，轉換完后，CONV和BSY均變為0。在監視用戶啟動轉換狀態時，應使用CONV位。 BIT4和BIT3位：頻率選擇(RS2和RS1)，初次上電時，BIT4和BIT3設置為邏輯1。方波使能時用于控制方波輸出的頻率。RS1、RS2的邏輯值與方波輸出頻率的關系如表2所列。 BIT2位：中斷控制(INTCN)。該位控制INT／SQW信號。INTCN置為0時，INT／SQW引腳輸出方波；INTCN置為1時，若計時寄存器與任一個鬧鐘寄存器相匹配，則會觸發INT／SQW信號(如果也使能鬧鐘的話)。匹配時相應的鬧鐘標志總是置位，而與INTCN位的狀態無關。初次上電時，INTCN位置為邏輯1。 BIT1位：鬧鐘2中斷使能(A2IE)。該位置為邏輯1時，允許狀態寄存器中的鬧鐘2標志位(A2F)觸發INT／SQW信號(當INTCN=1時)。當A2IE位置為0或者INTCN置為0時，A2F位不啟動中斷信號。初次上電時，A2IE位清零(邏輯0)。 BIT0位：鬧鐘1中斷使能(A1IE)。該位置為邏輯1時，允許狀態寄存器中的鬧鐘1標志位(A1F)觸發INT／SQW信號(當INTCN=1時)。當A1IE位置為0或者INTCN置為0時，A1F位不啟動INT／SQW信號。初次上電時，A1IE位清零(邏輯0)。 2.3 DS3231的數據交換及其格式 DS3231在I2C總線上作為從器件。通過執行START命令并且在驗證器件地址后才可以訪問。然后寄存器可以被訪問直到執行一個STOP命令為止。 所有在I2C總線上傳輸的地址包長度均為9位，它包括7個地址位，1個R／W控制位和1個應答位ACK，如果R／W為1，則執行讀操作；如果R／W為0，則執行寫操作。從機尋址后，必須在第9個SCL(ACK)周期通過拉低SDA做出應答，若從機忙或者無法響應主機，則應在ACK周期內保持SDA為高。然后主機發出STOP狀態或者REP START狀態重新開始發送。地址包包括從機地址和稱為SLA+R或者SLA+W的READ或者WRITE位。地址字節的MSB首先被發送。所有1111xxxx的地址均保留。以便將來使用。 所有在I2C總線上傳送的數據包長度均為9位，它包括8個數據位和1個應答位。在數據傳送中，主機產生時鐘及START與STOP狀態，而接收器響應接收。應答是由ACK在第9個SCL周期拉低SDA實現的。如果接收器拉高SDA，則發送NACK信號。如果接收器由于某種原因不能接收更多數據，應在最后一個數據字節后發出NACK信號告訴發送器停止發送，首先發送數據的MSB。 DS3231通過雙向數據線SDA和時鐘線SCL與外界進行數據交換，從其時序關系可看出，DS3231有兩種操作方式： (1) 寫操作：把SDA數據線上的數據按RAM指定的首地址(Word Address)依次寫入N個字節數據。主器件首先傳輸從器件的地址字節，緊跟著是一系列數據字節。從器件每收到一個字節后返回一個應答位ACK。其格式如圖2所示。 (2) 讀操作：按RAM指定的首地址依次讀取N個字節數據，主器件首先傳送從器件地址。從器件返回一個應答位。隨后是從器件傳輸的一系列數據字節。主器件收到除最后一個字節外的所有字節后返回一個應答位。在收到最后一個字節后，返回一個“非應答位”NACK。其格式如圖3所示。 上述讀寫操作信號中：S為起始信號(START)，1101 000為DS1307的口地址，A為應答信號ACK，A為非應答信號NACK，P為停止信號(STOP)。主器件產生所有的串行時鐘和START、STOP條件，通過傳輸STOP和重發START條件使其停止。 3 DS3231與AVR單片機的硬件接口 ATmega系列單片機片內集成2線制串行接口模塊。Atmel稱其為TWI接口。事實上，TWI與Philips的I2C總線是一回事。AVR硬件實現的TWI接口是面向字節和基于中斷的，相對軟件模擬I2C總線有更好的實時性和代碼效率，引腳輸入部分還具有毛刺抑制單元，可去除高頻干擾。圖4是DS3231與AVR單片機ATMega8的硬件接口電路原理圖。 4 DS3231與AVR單片機的軟件接口 軟件設計中，首先要對AVR單片機ATMega8與實時鐘器件DS3231進行初始化。給DS3231準確的日期和時間。不論主控模式還是被控模式，都應當將TWI控制寄存器TWCR的TWEN位置為1，從而使能TWI模塊。TWEN位被置位后，I／O引腳 PC5和PC4轉換成SCL和SDA，對TWI 控制寄存器TWCR的操作可在總線上產生START和STOP信號，從START到STOP認為是主控模式的行為。將TWI地址寄存器TWAR的第一位TWGCE置為有效，同時將TWI控制寄存器TWCR的TWEA(應答允許)位置1，TWI模塊就可以在總線上對其尋址做出應答，并置狀態字。對TWI模塊的操作均為寄存器的讀寫操作，Avr-libc沒有提供專門的API，可以利用基于US-ART的標準I／O實現對DS3231讀寫日歷和時鐘的操作。下面的程序是DS3231與AVR單片機接口部分代碼： 5 結束語 選用實時時鐘器件DS3231和AVR單片機ATmega8設計了一個日歷時鐘系統，該系統體積小，通用性強。DS3231具有集成的溫度補償晶體振蕩器(TCXO)，計時準確且不隨季節的變化而產生誤差。該系統適用于智能顯示屏以及實時測控系統。 |
