實時時鐘DS3231讀取信息出錯的分析

實時時鐘芯片DS3231

Maxim Integrated新型實時時鐘（RTC） DS3231，內(nèi)部集成了TCXO、RTC和32.768kHz晶體，并采用低成本、標準型、16引腳SOIC封裝。在-40°C至+85°C溫度范圍內(nèi)，計時精度為±2分鐘/年。這一出色性能使DS3231成為當前要求高計時精度應(yīng)用的最佳解決方案。而RTC的其它集成功能也擴展了系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，適合那些對計時精度要求極高的應(yīng)用。應(yīng)用包括：服務(wù)器、電表、安防及門禁控制系統(tǒng)、車隊管理、遠程信息處理系統(tǒng)、GPS導航裝 置、POS終端以及ATM。

除計時精度高之外，DS3231還具有一些其它功能， 這些功能擴展了系統(tǒng)主機的附加功能和選擇范圍。該器件內(nèi)部集成了一個非常精確的數(shù)字溫度傳感器，可通過I2C* 接口對其進行訪問（如同時間一樣）。這個溫度傳感器的精度為±3°C。片上控制電路可實現(xiàn)自動電源檢測，并管理主電源和備用電源（即低壓電池）之間的電源 切換。如果主電源掉電，該器件仍可繼續(xù)提供精確的計時和溫度，性能不受影響。當主電源重新加電或電壓值返回到容許范圍內(nèi)時，片上復位功能可用來重新啟動系 統(tǒng)微處理器。

DS3231 RTC主要指標

Device Name Extremely Accurate Real-Time Clock_TCXO_Crystal

Package Size 16-Pin， 300 mil SOIC

Operating Voltage （V） 2.3 to 5.5

Timekeeping Accuracy （over temp）± 3ppm （-40 degrees Celsius to +85 degrees Celsius）

± 1ppm （0 to +40 degrees Celsius）

Current Consumption （μA）1.5 （typ）; 4.0 （max）

在單片機系統(tǒng)設(shè)計中 ，對系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計、信號完整性設(shè)計、時序設(shè)計大都能引起關(guān)注;但對由于備用電池與系統(tǒng)電源上電或電源切換導致個別芯片的時序不穩(wěn)定 ，引起不能正常工作或啟動的問題 ，很多設(shè)計者還是認識不清。下面通過對實時時鐘 DS3231 在使用中出現(xiàn)上電讀異常的實例分析 ，說明由于系統(tǒng)電源上電或電源切換帶來的沖擊波動 ，引起芯片時序不穩(wěn)定導致的系統(tǒng)工作不穩(wěn)定現(xiàn)象。

系統(tǒng)描述

時鐘接口典型電路如圖1所示。CPU通過I2C總線與DS3231連接，DS3231的RST與CPU的RESET相連。DS3231的VCC接系統(tǒng)電源VCC，VBA T接3.6 V可充電NIHI電池，電池通過二極管V1和電阻R1平時處于浮沖狀態(tài)，系統(tǒng)掉電后切換到電池供電。CPU可通過I2C總線向時鐘芯片DS3231寫時間信息，DS3231以寫入的時間信息為基準進行精確走時。整個單片機系統(tǒng)可以隨時從DS3231讀取精確的時間信息。

系統(tǒng)上電讀取信息出錯問題分析及解決

問題描述

系統(tǒng)程序設(shè)計為：上電后CPU從時鐘芯片讀取時間信息放入內(nèi)存供系統(tǒng)使用，然后每隔5 s讀取1次時鐘，刷新CPU系統(tǒng)時間。

系統(tǒng)在CPU的仿真工作下，時鐘芯片DS3231的時間能正常地寫入;系統(tǒng)斷電一段時間后重新上電，時鐘芯片內(nèi)的實時數(shù)據(jù)能正確讀出。

生成固化程序后將程序固化，在100塊批量生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)有37塊板的時鐘芯片上電后讀出的時間有誤，但通過CPU重新寫入時鐘芯片時間信息，并讀取時鐘芯片時間，結(jié)果正確。斷電后重新上電，再讀時間仍是錯誤的。

問題分析

圖 2 為時鐘芯片的電源切換原理及開關(guān)時序。

電源控制功能由溫度補償電壓基準（VPF）和監(jiān)視VCC電平的比較器電路提供。當VCC高于V PF時，DS3231由VCC供電;當VCC低于V PF但高于VBA T時，DS3231由VCC供電;當VCC低于V PF且低于VBAT時，DS3231由VBA T供電。引腳RST用來指示電源故障報警情況。當VCC低于V PF時，會產(chǎn)生內(nèi)部電源故障報警信號，并強制拉低RST引腳。當VCC返回并超過V PF電平時，RST引腳保持低電平大約250 ms（tREC），以使供電電源穩(wěn)定下來。如果在VCC加載時振蕩器沒有工作（參考電源控制部分），則會跳過tREC，RST立刻變?yōu)楦唠娖健?/p>

系統(tǒng)正常運行時DS3231內(nèi)部由VCC供電，如圖3（a）所示。在系統(tǒng)斷電時VCC消失，DS3231切換到VBA T，如圖3（b）所示。在系統(tǒng)上電時由VBAT切換到VCC供電，如圖3（c）所示。

上電后通過CPU重新寫入當前時間信息，斷電一段時間后重新上電，使用仿真器進入仿真調(diào)試狀態(tài)。程序單步執(zhí)行，從時鐘芯片內(nèi)讀取的時間是正確的當前時間，表明時鐘在電池狀態(tài)下正確走時。

既然斷電后時鐘能正確走時、保持，并且上電后能在仿真下正確讀取時間信息，說明系統(tǒng)斷電時刻沒有造成時鐘芯片內(nèi)數(shù)據(jù)混亂。我們認為是上電時刻造成了時鐘芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)混亂。

解決方法

通過上面的分析，可知是上電時刻的電源切換沖擊造成的，采取下面的措施進行解決。

①如圖4所示，在DS3231的VCC上串聯(lián)一個小電阻，減緩圖3（c）中電源切換時從VBA T到VCC的上升沿斜率。串聯(lián)電阻后，37片DS3231中有30片在程序固化后能正常讀取時鐘信息，其余7片仍然無法正確讀取。

②如圖5所示，將DS3231的VCC接地，VBAT直接接電池后，系統(tǒng)上電后DS3231芯片內(nèi)的電源將不再進行切換。程序固化后，37片DS3231都能正常讀取時鐘信息，說明電源切換確實影響到DS3231的正常工作。

③仿真程序狀態(tài)與固化程序狀態(tài)的區(qū)別在于：仿真下，系統(tǒng)上電后程序沒有立刻執(zhí)行，而是等待人工干預(yù)，這一段時間使得DS3231內(nèi)部電源切換造成的波動徹底穩(wěn)定下來;而固化程序則是系統(tǒng)一上電立刻從DS3231中讀取時鐘，這時時鐘還沒有穩(wěn)定下來。將程序修改為上電后不立刻讀取時鐘，而是執(zhí)行一段程序延時，或先執(zhí)行其他任務(wù)后再讀取時鐘。這樣，37塊時鐘芯片都能正常讀取時鐘信息。

原因分析

由于DS3231內(nèi)的VCC與VBAT在上電時刻的切換產(chǎn)生電源波動沖擊，使得DS3231在短時間內(nèi)不能按正常時序工作，而對DS3231進行讀/寫的CPU已正常啟動，并執(zhí)行對DS3231的讀/寫操作，因而造成DS3231內(nèi)存儲器的數(shù)據(jù)混亂。

單片機系統(tǒng)中，在上電時刻由于CPU與外圍接口芯片對上電初始時序的要求不同，使得系統(tǒng)不能正常工作的情況較為常見。可以通過改變不同芯片的上電時序，或程序上電運行后的延時等措施，確保CPU與不同外設(shè)芯片的時序配合。