討論一款老掉牙的實時時鐘芯片DS1302

今天我們來討論一款老掉牙的實時時鐘芯片 DS1302 。什么是實時時鐘（RealTime Clock, RTC）呢？為什么我們需要它呢？假設(shè)你使用單片機實現(xiàn)萬年歷應(yīng)用，一般的做法是這樣的：設(shè)置中斷后判斷1秒是否到來，如果到來就將秒數(shù)加1，然后再考慮一些進位處理，例如，每60秒則分鐘加1，每60分則小時加1， 24小時或12小時制也要區(qū)分對待，每12個月則年加1，還要考慮閏月閏年。雖然考慮的事情好像有些多，但是在資訊非常發(fā)達的今天，從網(wǎng)絡(luò)上搜索出現(xiàn)成的代碼也絕不是難事。

當(dāng)然，利用代碼來實現(xiàn)這些算法并不是惟一途徑，你也可以使用實時時鐘芯片來減輕編程負擔(dān)，只要我們把芯片內(nèi)的年月日時分秒等參數(shù)設(shè)置為當(dāng)前時間，啟動后內(nèi)部會自動開始計數(shù)，理論上芯片記錄的時間將與我們的時間 實時同步 ，進位的問題也由芯片自行處理，我們只需要在必要的時候從芯片中讀取一些時間值即可，實在不要太簡單。

DS1302就是一款使用廣泛的RTC芯片，我們來看看與時間相關(guān)的寄存器有哪些，如下圖所示（DS1302內(nèi)部另外還有31個字節(jié)的RAM，本文不涉及）：

首先我們關(guān)注一下地址，可能不少人會想：這些地址怎么這么怪呢？你這個廠家設(shè)計芯片時就不能靠譜點嗎？地址從0x00開始連續(xù)增加會死呀？竟然還分為不同的讀寫地址，我看這個芯片設(shè)計者是閑得“淡”疼，簡單的問題復(fù)雜化！

然而實際上，這9個寄存器地址的確是 0x0 ～0x8 ，并且讀寫的也確實是同一個地址的數(shù)據(jù)，只不過數(shù)據(jù)手冊在標記這些地址時，把發(fā)送串行數(shù)據(jù)中的其它一些位也考慮進來了。我們來看看如何往DS1302中寫入一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，相應(yīng)的時序如下圖所示：

可以看到，單個字節(jié)數(shù)據(jù)寫入到DS1302需要兩個字節(jié)，前一個字節(jié)用來確定寫數(shù)據(jù)的目的地址。后一個字節(jié)就是需要寫入的數(shù)據(jù)。請注意： 兩個字節(jié)都是以低位先行的方式發(fā)送 ，正常情況下確定地址的前一個字節(jié)如下圖所示

讀寫數(shù)據(jù)時最高位（第7位）必須為1，最低位用來表示讀（RD=1）還是寫（ **WR=0** ）數(shù)據(jù)。我們剛剛提過，DS1302內(nèi)部額外還有31個字節(jié)的RAM，可作為通用的RAM使用，第6位表示往RAM（RAM=1）還是RTC（ **CK=0** ）中寫入（或讀?。?shù)據(jù)，**前面表格中標注的寫或讀地址就是把這****8** **位都考慮進來了** 。

如果你往RTC中寫入數(shù)據(jù)，第7位總是1，第6位與第0位總是0，所以寫的地址總是偶數(shù)，讀的地址總是奇數(shù)。是不是閑得“淡”疼呢？還真不是，因為從本質(zhì)上來講，讀寫信號以及訪問區(qū)域（RAM/CK）選擇位也可以算是地址線。例如，以前討論的HD44780有一個RS引腳表示寫入的是數(shù)據(jù)還是指令，但是你也可以認為它是一條地址線，它決定你將代碼寫入數(shù)據(jù)寄存器還是指令寄存器。

好吧！地址的事情已經(jīng)談妥了，咱們來一一介紹DS1302內(nèi)部與時間有關(guān)的寄存器：

（1 ）【地址0x80 】秒鐘寄存器（Seconds ） ：DS1302中RTC寄存器都是以BCD碼來保存的，也就是說，個位與十位分別占用一些位。在8位秒鐘寄存器中，BIT3～0用來保存秒鐘的個位，BIT6～4用保存秒鐘的十位，因為秒數(shù)是不可能大于5的，所以用3位已然足夠，而最高位BIT7表示時鐘掛起位（ ClockHalt, CH ） ，當(dāng)CH=1時，時鐘暫時處于掛起狀態(tài)（暫停計數(shù)），當(dāng)CH=0時，計數(shù)才會開始運行。 **這個寄存器的設(shè)計還是很巧妙的** ，也就是說，只要我們往秒寄存器寫入實際的秒鐘數(shù)時，CH位都會被清零。換句話說，一般情況下，我們都會先初始化年月日時分等其它寄存器，而秒鐘寄存器留待最后設(shè)置，同時也開啟了芯片計數(shù)。

（2 ）【地址0x82 】分鐘寄存器（Minutes ） ：與秒鐘寄存器一樣，BIT3～0用來保存分鐘的 個數(shù) ，BIT6～4用保存分鐘的 十位 ，最高位是無效的。

（3 ）【地址0x84 】小時寄存器（Hour ） ：該寄存器的低4位保存小時的個位，而小時的十位則取決于時間是24還是12小時制。BIT7=1時為12小時制，那么小時的十位不可能大于1（ 1 ～12 ），它只需要一位（BIT4）表示即可，只是還多了一個BIT5用來表示下午（PM=1）還是上午（AM=0）；而BIT7=0時為24小時制，十位數(shù)最大值可能為2（ **0** **～23** ），所以用BIT5～BIT4表示小時的十位。

（4 ）【地址0x86 】日期寄存器（Data ） ：日期表示一個月份有多少天，其范圍為1～31，十位最大值為3，所以用BIT5～4表示十位，BIT3～0表示個位。

（5 ）【地址0x88 】月份寄存器（Month ） ：月份范圍是1～12，所以用BIT4表示十位，BIT3～0表示個位。

（6 ）【地址0x8A 】星期寄存器（Day ） ：星期的范圍是1～7，所以用BIT2～BIT0表示即可。可能有些人在想：為什么星期數(shù)用Day而不用Week之類的呢？我還以為是天數(shù)呢！因為英文的星期1～7都是以Day結(jié)尾，例如，Monday，Sunday， Friday等等。英文詢問今天星期幾即“What day is today？”

（7 ）【地址0x8C 】年份寄存器（Year ） ：DS1302的年份范圍是00～99，所以分別用高4位與低4位分別表示十位與個位。

（8 ）【地址0x8E 】寫保護寄存器（Write Protect, WP ） ： 該寄存器只有最高位有效，為1表示開啟寫保護，為0表示解除寫保護。在往RTC（或RAM）中寫入數(shù)據(jù)前，必須將該位清0。

（9 ）【地址0x90 】充電寄存器 ：與時間計數(shù)無關(guān)，咱們最后討論。

我們使用VisualCom軟件平臺來仿真一下，相應(yīng)的仿真效果如下圖所示：

調(diào)出的DS1302器件有一個能夠方便我們觀察RTC內(nèi)部狀態(tài)的屏幕，其實就是一塊能夠顯示4行20個字符的液晶顯示模組（LCM2004），從屏幕上看到信息就是從DS1302中讀取出來并寫入到LCM2004中的。當(dāng)然，一些特殊的寄存器狀態(tài)還是得觀察“內(nèi)存”窗口，相應(yīng)的預(yù)置數(shù)據(jù)如下圖所示：

VisualCom軟件平臺中的預(yù)置數(shù)據(jù)格式均按照正常位序定義，共16位有效，高8位設(shè)置訪問地址，低8位則是寫入的數(shù)據(jù)，如下圖所示：

首先我們解除了寫保護。因為無論你寫什么、往哪里寫，寫保護都需要解除（將WP位清零），所以需要寫入的數(shù)據(jù)為“ 0b10001110_0000000 （0x8E00 ） ”，如下圖所示

寫保護解鎖后，咱們就可以為所欲為了，在依次寫入年份、星期、月份、日期、小時、分鐘后，我們才設(shè)置了 秒鐘 ，也就同時啟動了芯片的計數(shù)，簡單吧！

最后我們談?wù)?充電寄存器 ，它是用來做什么的呢？有電腦使用經(jīng)驗的讀者都知道，當(dāng)我們將電腦徹底關(guān)機（電）后再開機，時間仍然還在繼續(xù)跑的，對不對？因為電腦的處理器也有RTC功能，當(dāng)電腦處于開機時，RTC由外部電源供電，而在斷電狀態(tài)下，RTC則由主板上的電池（最常見的是鈕扣電池 CR2032 ）供電。換句話說，RTC單元的供電總是不會斷開的，所以計數(shù)功能也從來沒有停止過，類似的供電電路如下圖所示：

圖中RTC_VDD是RTC單元的供電電源，電路系統(tǒng)上電后VCC是有電的，同時也給RTC單元供電，斷電后則由電池供電，兩個二極管可以防止VCC與電池之間出現(xiàn)漏電狀態(tài)。

DS1302有兩個電源供電引腳，VCC2為主電源供電（相當(dāng)于上圖的 VCC ），VCC1為輔助電源供電。當(dāng)VCC2沒有電源供電時，掛在VCC1引腳的電池將給RTC供電，如圖所示：

如果電池是可充電型的，當(dāng)VCC2主電源有供電時，我們就可以使用充電寄存器來控制充電參數(shù)，我們來看看VCC2與VCC1之間的內(nèi)部電路，如下圖所示：

可以看到，VCC2與VCC1之間有三級開關(guān)，TCS3～TCS0控制主電源是否往輔助電源供電，DS1～DS0控制串聯(lián)的二極管個數(shù)，ROUT1～ROUT0控制串聯(lián)的電阻值，數(shù)據(jù)手冊有下表所示的功能表：

如果你使用可充電電池，并且決定使用充電功能，應(yīng)該通過選擇合適的二極管數(shù)量與阻值 來限制最大充電電流 。假設(shè)供電電源為5V，并且使用1個二極管與2K歐姆電阻串聯(lián)方式，則最大充電電流為IMAX=（5V-0.7V）/2K≈2.2mA。