51单片机综合学习系统之DS1302时钟应用篇

2015-01-24 15:30
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大家好，通过以前的学习，我们已经对51单片机综合学习系统的使用方法及学习方式有所了解与熟悉，学会了使用AD模数转换的基本知识，体会到了综合学习系统的易用性与易学性，这一期我们将一起学习DS1302时钟的基本原理与应用实例。

先看一下我们将要使用的51单片机综合学习系统能完成哪些实验与产品开发工作：分别有流水灯，数码管显示，液晶显示，按键开关，蜂鸣器奏乐，继电器控制，IIC总线，SPI总线，PS/2实验，AD模数转换，光耦实验，串口通信，红外线遥控，无线遥控，温度传感，步进电机控制等等。主体系统如图1所示，其配套书本教程《单片机快速入门》如图2所示。

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图1 51单片机综合学习系统主机部分图片

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图2 51单片机综合学习系统配套书本教程——《单片机快速入门》

上图是我们将要使用的51单片机综合学习系统硬件平台，如图1所示，本期实验我们用到了综合系统主机、板载的DS1302时钟芯片，综合系统其它功能模块原理与使用详见前几期《电子制作》杂志及后期连载教程介绍。

在很多单片机系统中都要求带有实时时钟电路，如**常见的数字钟、钟控设备、数据记录仪表，这些仪表往往需要采集带时标的数据，同时一般它们也会有一些需要保存起来的重要数据，有了这些数据，便于用户后期对数据进行观察、分析。本小节就介绍市面上常见的时钟芯片DS1302的应用。DS1302是美国DALLAS公司推出的一款高性能、低功耗、带内部RAM的实时时钟芯片(RTC)，也就是一种能够为单片机系统提供日期和时间的芯片。通过本小节的学习，我们将会把RTC相关的一些技术粗略介绍一下，然后介绍DS1302与单片机之间的软硬件应用。

DS1302时钟芯片简介

DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，可以通过串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息，每个月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM标志位决定采用24或12小时时间格式。DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需三根I/O线：复位（RST）、I/O数据线、串行时钟（SCLK）。时钟/RAM的读/写数据以一字节或多达31字节的字符组方式通信。DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时，功耗小于1mW。

DS1302的内部结构

DS1302的外部引脚功能说明如图3所示：

图3 DS1302封装图	X1，X2	32.768kHz晶振引脚
	GND	地
	RST	复位
	I/O	数据输入/输出
	SCLK	串行时钟
	VCC1	电池引脚
	VCC2	主电源引脚

DS1302的内部结构如图4所示，主要组成部分为：移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟以及RAM。虽然数据分成两种，但是对单片机的程序而言，其实是一样的，就是对特定的地址进行读写操作。

ds1302

图4 DS1302的内部结构图

DS1302含充电电路，可以对作为后备电源的可充电电池充电，并可选择充电使能和串入的二极管数目，以调节电池充电电压。不过对我们目前而言，**需要熟悉的是和时钟相关部分的功能，对于其它参数请参阅数据手册。

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DS1302的工作原理

DS1302工作时为了对任何数据传送进行初始化，需要将复位脚（RST）置为高电平且将8位地址和命令信息装入移位寄存器。数据在时钟（SCLK）的上升沿串行输入，前8位**访问地址，命令字装入移位寄存器后，在之后的时钟周期，读操作时输出数据，写操作时输出数据。时钟脉冲的个数在单字节方式下为8+8（8位地址+8位数据），在多字节方式下为8加**多可达248的数据。

DS1302的寄存器和控制命令

对DS1302的操作就是对其内部寄存器的操作，DS1302内部共有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式。此外，DS1302还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器以外的寄存器。日历、时间寄存器及控制字如表1所示：

寄存器名称	7	6	5	4	3	2	1	0
寄存器名称	1	RAM/CK	A4	A3	A2	A1	A0	RD/W
秒寄存器	1	0	0	0	0	0	0
分寄存器	1	0	0	0	0	0	1
小时寄存器	1	0	0	0	0	1	0
日寄存器	1	0	0	0	0	1	1
月寄存器	1	0	0	0	1	0	0
星期寄存器	1	0	0	0	1	0	1
年寄存器	1	0	0	0	1	1	0
写保护寄存器	1	0	0	0	1	1	1
慢充电寄存器	1	0	0	1	0	0	0
时钟突发寄存器	1	0	1	1	1	1	1

表1：日历、时钟寄存器与控制字对照表

**后一位RD/W为“0”时表示进行写操作，为“1”时表示读操作。

DS1302内部寄存器列表如表2所示：

寄存器名称	命令字		取值范围	各位内容
寄存器名称	写	读	取值范围	7	6	5	4	3	2	1	0
秒寄存器	80H	81H	00-59	CH	10SEC			SEC
分寄存器	82H	83H	00-59	0	10MIN			MIN
小时寄存器	84H	85H	01-12或00-23	12/24	0	A	HR	HR
日期寄存器	86H	87H	01-28,29,30,31	0	0	10DATE		DATE
月份寄存器	88H	89H	01-12	0	0	0	10M	MONTH
周寄存器	8AH	8BH	01-07	0	0	0	0	0	DAY
年份寄存器	8CH	8DH	00-99	10YEAR				YEAR

表2：DS14302内部主要寄存器分布表

DS1302内部的RAM分为两类，一类是单个RAM单元，共31个，每个单元为一个8位的字节，其命令控制字为COH~FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的RAM，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH（写）、FFH（读）。

我们现在已经知道了控制寄存器和RAM的逻辑地址，接着就需要知道如何通过外部接口来访问这些资源。单片机是通过简单的同步串行通讯与DS1302通讯的，每次通讯都**由单片机发起，无论是读还是写操作，单片机都**先向DS1302写入一个命令帧，这个帧的格式如表1所示，**高位BIT7固定为1，BIT6决定操作是针对RAM还是时钟寄存器，接着的5个BIT是RAM或时钟寄存器在DS1302的内部地址，**后一个BIT表示这次操作是读操作抑或是写操作。

物理上，DS1302的通讯接口由3个口线组成，即RST，SCLK，I/O。其中RST从低电平变成高电平启动一次数据传输过程，SCLK是时钟线，I/O是数据线。具体的读写时序参考图5，但是请注意，无论是哪种同步通讯类型的串行接口，都是对时钟信号敏感的，而且一般数据写入有效是在上升沿，读出有效是在下降沿（DS1302正是如此的，但是在芯片手册里没有明确说明），如果不是**确定，则把程序设计成这样：平时SCLK保持低电平，在时钟变动前设置数据，在时钟变动后读取数据，即数据操作总是在SCLK保持为低电平的时候，相邻的操作之间间隔有一个上升沿和一个下降沿。

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