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年误差小于1111分钟高精度时钟DS3231DS3231DS3231DS3231的设计及应用深圳市凌雁电子有限公司[1].[1].[1].[1].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。1.1.1.1.32323232kHzkHzkHzkHz的TCXOTCXOTCXOTCXOTCXO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64s读取一次。2.2.2.2.DS3231DS3231DS3231DS3231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64s更新周期。用户启动的温度转换在大约2ms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1s以内。在VCC加电后或者有效的I2C地址写入后大约2s，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64s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250ms(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IIII2222CCCC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REPSTART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(WordAddress)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“非应答位”NACK。其格式下图所示。上述读写操作信号中：S为起始信号(START)，1101000为DS3231的口地址，A为应答信号ACK，A为非应答信号NACK，P为停止信号(STOP)。主器件产生所有的串行时钟和START、STOP条件，通过传输STOP和重发START条件使其停止。4.4.4.4.DS3231DS3231DS3231DS3231与AT89C2051AT89C2051AT89C2051AT89C2051单片机的接口电路其实，可以使用AT89C2051单片机的任何两个I/O口与DS3231相连接，复位部分也可取消。编程时需认真分析DS3231的时序，哪怕一个应答位的编程时序错误，也不能正确读写DS3231。同时需注意，因为C51单片机的特点，在将SDA拉低后（此时为输出口），如果下一步是当做输入口，结束任务后应将此端口拉高，否则DS3231的输出不能使该输出口置1。更详细的数