年误差小于年误差小于1 1 1 1分钟高精度时钟分钟高精度时钟 DS3231DS3231DS3231DS3231的设计及应用的设计及应用 深圳市凌雁电子 有限公司 1 1 1 1 前言前言 在许多单片机的测控系统和家用电器中都含有时钟显示部分 最廉价的是直接使用单片机中的定时器 辅 以一定的中断服务程序 构成时钟显示部分 这种方式是几乎不需要增加新的硬件即可实现 缺点是计时误差 大 同时电源掉电不能保持时钟继续运行 在相对要求较高的场合 则使用廉价的时钟芯片 如 DS1302等等 辅以备用电池 计时精度略高 可满足一般的要求 在这篇文章中 我们重点介绍高精度时钟电路 DS3231的设计和应用 在 DS1302普及型时钟芯片 晶体均需 外置 由于晶体的离散性 很难选择到精度很高的器件 同时 也没有温度补偿电路 不同的温度环境下 晶体的特性也在变 化 直接影响着时钟的振荡频率 较大的误差在所在所难免 而 DS3231高精度时钟芯片 将晶体和温度补偿均集成在芯片 中 为提高计时精度提供了可能 实册证明 使用 DS3231时 钟芯片 误差可做到一年小于一分钟 甚至部分显示器误差可 小于20秒 一年 这对有相对精确时钟要求的应用场合是个理 想的选择 2 2 2 2 DS3231DS3231DS3231DS3231时钟芯片结构原理时钟芯片结构原理 DS3231是一款高精度 I2C 实时时钟 RTC 器件 具有集成 的温度补偿晶体振荡器 TCXO 该器件包含电池输入端 断开 主电源时仍可保持精确计时 集成的晶体振荡器可提高器件的 长期精确度 DS3231的寄存器能保存秒 分 时 星期 日 期 月 年和闹钟设置等信息 少于31天的月份 可自动调整 月末日期 包括闰年补偿 时钟的工作格式为24小时或带 AM PM 指示的12小时格式 DS3231提供两个可编程日历闹钟和 一路可编程方波输出 DS3231与单片机通过 I2C 双向串行总线 传输地址与数据 下图为 DS3231典型应用电路 图中可看出 DS3231几乎不需要外部元件 3 3 3 3 DS3231DS3231DS3231DS3231时钟芯片结构时钟芯片结构 如图1所示 DS3231的主要组成部分有8个模块 划分为4个功能组 TCXO 电源控制 按钮复位和 RTC 1 1 1 1 32323232 kHzkHzkHzkHz 的的 TCXOTCXOTCXOTCXO TCXO 包括温度传感器 振荡器和控制逻辑 控制器读取片上温度传感器输出 使用查表法确定所需的 电容 加上 AGE 寄存器的老化修正 然后设置电容选择寄存器 仅在温度变化或者用户启动的温度转换完成 时 才加载包括 AGE 寄存器变化的新值 VCC 初次上电时就会读取温度值 然后每隔64 s 读取一次 2 2 2 2 DS3231DS3231DS3231DS3231的内部寄存器及功能的内部寄存器及功能 DS3231寄存器地址为00h 12h 分别用于存放秒 分 时 星期 日期及闹钟设置信息 在多字节访 问期间 如果地址达到 RAM 空间的结尾12h 处 将发生卷绕 此时定位到开始位置即00h 单元 DS3231的 时间和日历信息通过读取相应的寄存器来设置和初始化 用户辅助缓冲区用于防止内部寄存器更新时可能出 现的错误 读取时间和日历寄存器时 用户缓冲区在任何 START 条件下或者寄存器指针返回到零时与内部 寄存器同步 时间信息从这些辅助寄存器读取 此时时钟继续保持运行状态 这样在读操作期间发生主寄存 器更新时可以避免重新读取寄存器 以控制寄存器 地址为0EH 为例 可以控制实时时钟 闹钟和方波输出 其各 bit 定义如下表 BIT7位 使能振荡器 EOEC 设定为逻辑0时 启动振荡器 如果设定为逻辑1 在 DS3231电源切换至 VBAT 时 振荡器停止 初次上电时该位清零 逻辑0 当 DS3231由 VCC 供电时 振荡器与 EOSC 位的状 态无关 始终保持工作状态 BIT6位 电池备份的方波使能 BBSOW 当设定为逻辑1并且 DS3231由 VBAT 引脚供电时 在没有加载 VCC 的情况下 该位使能方波输出 当 BB SQW 设定为逻辑0时 若 VCC 降至低于电源故障门限值 则 INT SQW 引脚变为高阻抗 初次上电时 该位清零 逻辑0 BIT5位 转换温度 CONV 该位置为1时 强制温度传感器将温度转换成数字 并执行 TCXO 算法更新 振荡器的电容阵列 只在空闲期间有效 状态位 BSY 1时 禁止设定转换温度位 用户在强制控制器开始新 的 TCXO 操作之前 应检查状态位 BSY 用户启动的温度转换不影响内部64 s 更新周期 用户启动的温度转 换在大约2 ms 内不会影响 BSY 位 CONV 位从写入开始直到转换完成一直保持为1 转换完后 CONV 和 BSY 均变为0 在监视用户启动转换状态时 应使用 CONV 位 BIT4和 BIT3位 频率选择 RS2和 RS1 初次上电时 BIT4和 BIT3设置为逻辑1 方波使能时用于控 制方波输出的频率 RS1 RS2的逻辑值与方波输出频率的关系如表2所列 BIT2位 中断控制 INTCN 该位控制 INT SQW 信号 INTCN 置为0时 INT SQW 引脚输出方 波 INTCN 置为1时 若计时寄存器与任一个闹钟寄存器相匹配 则会触发 INT SQW 信号 如果也使能闹钟 的话 匹配时相应的闹钟标志总是置位 而与 INTCN 位的状态无关 初次上电时 INTCN 位置为逻辑1 BIT1位 闹钟2中断使能 A2IE 该位置为逻辑1时 允许状态寄存器中的闹钟2标志位 A2F 触发 INT SQW 信号 当 INTCN 1时 当 A2IE 位置为0或者 INTCN 置为0时 A2F 位不启动中断信号 初次上电时 A2IE 位清零 逻辑0 BIT0位 闹钟1中断使能 A1IE 该位置为逻辑1时 允许状态寄存器中的闹钟1标志位 A1F 触发 INT SQW 信号 当 INTCN 1时 当 A1IE 位置为0或者 INTCN 置为0时 A1F 位不启动 INT SQW 信号 初次上 电时 A1IE 位清零 逻辑0 3 3 3 3 DS3231DS3231DS3231DS3231的电源控制的电源控制 电源控制功能由温度补偿电压基准 VPF 和监视 VCC 电平的比较器电路提供 当 VCC 高于 VPF 时 DS3231 由 VCC 供电 当 VCC 低于 VPF 但高于 VBAT 时 DS3231由 VCC 供电 当 VCC 低于 VPF 并低于 VBAT 时 DS3231由 VBAT 供电 为保护电池 VBAT 首次加到器件时振荡器并不启动 除非加载 VCC 或者向器件写 入一个有效的 I2C 地址 典型的振荡器启动时间在1 s 以内 在 VCC 加电后或者有效的 I2C 地址写入后大约 2 s 器件会测量一次温度 并使用计算的修正值校准振荡器 一旦振荡器运行 只要电源 VCC 或者 VBAT 有效就会一直保持工作状态 器件每隔64 s 进行一次温度测量并校准振荡器频率 4 4 4 4 DS3231DS3231DS3231DS3231的时钟和日历的时钟和日历 RTCRTCRTCRTC 可以通过读取适当的寄存器字节获得时钟和日历信息 通过写入适当的寄存器字节设定或者初始化时钟 和日历数据 时钟和日历寄存器的内容采用二 十进制编码 BCD 格式 DS3231运行于12小时或者24小时模 式 小时寄存器的第6位定义为12或24小时模式选择位 该位为高时 选择12小时模式 在12小时模式下 第5位为 AM PM 指示位 逻辑高时为 PM 5 5 5 5 DS3231DS3231DS3231DS3231的复位按钮的复位按钮 DS3231具有连接至 RST 输出引脚的按钮开关功能 若 DS3231不在复位周期 会持续监视 RST 信号的 下降沿 如果检测到一个边沿转换 DS3231通过拉低 RST 完成开关去抖 内部定时器定时结束后 DS3231 继续监视 RST 信号 如果信号依旧保持低电平 DS3231持续监视信号线以检测上升沿 一旦检测到按钮释 放 DS3231强制 RST 为低电平并保持 tRST RST 还可用于指示电源故障报警情况 当 VCC 低于 VPF 时 产生内部电源故障报警信号 并强制拉低 RST 引脚 当 VCC 返回至超过 VPF 电平时 RST 保持低电平大约 250 ms tREC 使供电电源达到稳定 如果在 VCC 加载时 振荡器不工作 将跳过 tREC RST 立刻变为高 电平 6 6 6 6 DS3231DS3231DS3231DS3231的闹钟和报警功能的闹钟和报警功能 DS3231包含2个定时 日期闹钟 闹钟1可通过写入寄存器07h 0Ah 设定 闹钟2可通过写入寄存器 0Bh 0Dh 设定 可对闹钟进行编程 通过控制寄存器的闹钟使能位和 INTCN 位 从而在闹钟匹配条件下触 发 INT SQW 输出 每个定时 日期闹钟寄存器的第7位是屏蔽位 当每个闹钟的屏蔽位均为逻辑0时 只 有当计时寄存器中的值与存储于定时 日期闹钟寄存器中的对应值相匹配时才会告警 闹钟也可以编程为每 秒 分 时 星期或日期重复告警 当 RTC 寄存器值与闹钟寄存器的设定值相匹配时 相应的闹钟标志位 A1F 或 A2F 置为逻辑1 如果对应的闹钟中断使能位 A1IE 或 A2IE 也置为逻辑1 并且 INTCN 位置为逻辑1 闹钟条件将会触发 INT SQW 信号 RTC 在时间和日期寄存器每秒更新时都会检测匹配情况 7 7 7 7 DS3231DS3231DS3231DS3231的的 I I I I2 2 2 2C C C C 总线时序 数据交换及其格式及编程注意事项总线时序 数据交换及其格式及编程注意事项 DS3231在 I2C 总线上作为从器件 通过执行 START 命令并且在验证器件地址后才可以访问 然后寄存 器可以被访问直到执行一个 STOP 命令为止 所有在 I2C 总线上传输的地址包长度均为9位 它包括7个地址位 1个 R W 控制位和1个应答位 ACK 如果 R W 为1 则执行读操作 如果 R W 为0 则执行写操作 从机寻址后 必须在第9个 SCL ACK 周期 通过拉低 SDA 做出应答 若从机忙或者无法响应主机 则应在 ACK 周期内保持 SDA 为高 然后主机发出 STOP 状态或者 REP START 状态重新开始发送 地址包包括从机地址和称为 SLA R 或者 SLA W 的 READ 或者 WRITE 位 地址字节的 MSB 首先被发送 所有1111xxxx 的地址均保留 以便将来使用 所有在 I2C 总线上传送的数据包长度均为9位 它包括8个数据位和1个应答位 在数据传送中 主机产 生时钟及 START 与 STOP 状态 而接收器响应接收 应答是由 ACK 在第9个 SCL 周期拉低 SDA 实现的 如 果接收器拉高 SDA 则发送 NACK 信号 如果接收器由于某种原因不能接收更多数据 应在最后一个数据字 节后发出 NACK 信号告诉发送器停止发送 首先发送数据的 MSB 下图为 DS3231与 MCUI2C 总线数据交换时序 DS3231通过双向数据线 SDA 和时钟线 SCL 与外界进行数据交换 从其时序关系可看出 DS3231 有两种操作方式 写操作 把 SDA 数据线上的数据按 RAM 指定的首地址 Word Address 依次写入 N 个字节数据 主器件 首先传输从器件的地址字节 紧跟着是一系列数据字节 从器件每收到一个字节后返回一个应答位 ACK 其 格式下图所示 读操作 按 RAM 指定的首地址依次读取 N 个字节数据 主器件首先传送从器件地址 从器件返回 一个应答位 随后是从器件传输的一系列数据字节 主器件收到除最后一个字节外的所有字节后返回一个应 答位 在收到最后一个字节后 返回一个 非应