介紹了美國(guó)Dallas公司推出的低功耗時(shí)鐘器件DS3231的結(jié)構(gòu)和工作原理，DS3231能對(duì)年、月、日、時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)，且具有溫度補(bǔ)償、閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。給出了AVR單片機(jī)ATmega8與DS3231的軟、硬件接口設(shè)計(jì)。

由單片機(jī)構(gòu)成的測(cè)控系統(tǒng)或智能顯示屏經(jīng)常需要用到實(shí)時(shí)日歷或時(shí)鐘信號(hào)。為節(jié)省CPU資源，本文節(jié)紹了串行時(shí)鐘器件DS3231的應(yīng)用及其與AVR單片機(jī)ATmega8的接口，該系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)，計(jì)時(shí)準(zhǔn)確且不隨季節(jié)變化產(chǎn)生誤差的特點(diǎn)。

1.3231的組成及工作原理

如圖1所示，DS3231的主要組成部分有8個(gè)模塊，劃分為4個(gè)功能組：TCXO、電源控制、按鈕復(fù)位和RTC。

DS3231是低成本、高精度I2C實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）器件，具有集成的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO）。該器件包含電池輸入端，斷開(kāi)主電源時(shí)仍可保持精確計(jì)時(shí)。集成的晶體振蕩器可提高器件的長(zhǎng)期精確度。DS3231的寄存器能保存秒、分、時(shí)、星期、日期、月、年和鬧鐘設(shè)置等信息。少于31天的月份，可自動(dòng)調(diào)整月末日期，包括閏年補(bǔ)償。DS3231提供兩個(gè)可編程日歷鬧鐘和一路可編程方波輸出。地址與數(shù)據(jù)通過(guò)I2C雙向串行總線傳輸。

時(shí)鐘和日歷 RTC

可以通過(guò)讀取適當(dāng)?shù)募拇嫫髯止?jié)獲得時(shí)鐘和日歷信息。通過(guò)寫(xiě)入適當(dāng)?shù)募拇嫫髯止?jié)設(shè)定或者初始化時(shí)鐘和日歷數(shù)據(jù)。時(shí)鐘和日歷寄存器的內(nèi)容采用二-十進(jìn)制編碼（BCD）格式。DS3231運(yùn)行于12小時(shí)或者24小時(shí)模式。小時(shí)寄存器的第6位定義為12或24小時(shí)模式選擇位。該位為高時(shí)，選擇12小時(shí)模式。在12小時(shí)模式下，第5位為AM/PM指示位，邏輯高時(shí)為PM。

32 kHz的TCXO

TCXO包括溫度傳感器、振蕩器和控制邏輯。控制器讀取片上溫度傳感器輸出，使用查表法確定所需的電容，加上AGE寄存器的老化修正。然后設(shè)置電容選擇寄存器。僅在溫度變化或者用戶啟動(dòng)的溫度轉(zhuǎn)換完成時(shí)，才加載包括AGE寄存器變化的新值。VCC初次上電時(shí)就會(huì)讀取溫度值，然后每隔64 s讀取一次。

電源控制

電源控制功能由溫度補(bǔ)償電壓基準(zhǔn)（VPF）和監(jiān)視VCC電平的比較器電路提供。當(dāng)VCC高于VPF時(shí)，DS3231由VCC供電，當(dāng)VCC低于VPF但高于VBAT時(shí)，DS3231由VCC供電；當(dāng)VCC低于VPF并低于VBAT時(shí)，DS3231由VBAT供電。為保護(hù)電池，VBAT首次加到器件時(shí)振蕩器并不啟動(dòng)，除非加載VCC，或者向器件寫(xiě)入一個(gè)有效的I2C地址。典型的振蕩器啟動(dòng)時(shí)間在1 s以內(nèi)。在VCC加電后或者有效的I2C地址寫(xiě)入后大約2 s，器件會(huì)測(cè)量一次溫度，并使用計(jì)算的修正值校準(zhǔn)振蕩器。一旦振蕩器運(yùn)行，只要電源（VCC或者VBAT）有效就會(huì)一直保持工作狀態(tài)。器件每隔64 s進(jìn)行一次溫度測(cè)量并校準(zhǔn)振蕩器頻率。

按鈕復(fù)位

DS3231具有連接至RST輸出引腳的按鈕開(kāi)關(guān)功能。若DS3231不在復(fù)位周期，會(huì)持續(xù)監(jiān)視RST信號(hào)的下降沿。如果檢測(cè)到一個(gè)邊沿轉(zhuǎn)換，DS3231通過(guò)拉低RST完成開(kāi)關(guān)去抖。內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)結(jié)束后，DS3231繼續(xù)監(jiān)視RST信號(hào)。如果信號(hào)依舊保持低電平，DS3231持續(xù)監(jiān)視信號(hào)線以檢測(cè)上升沿。一旦檢測(cè)到按鈕釋放，DS3231強(qiáng)制RST為低電平并保持tRST。RST還可用于指示電源故障報(bào)警情況。當(dāng)VCC低于VPF時(shí)，產(chǎn)生內(nèi)部電源故障報(bào)警信號(hào)，并強(qiáng)制拉低RST引腳。當(dāng)VCC返回至超過(guò)VPF電平時(shí)。RST保持低電平大約250 ms（tREC），使供電電源達(dá)到穩(wěn)定。如果在VCC加載時(shí)，振蕩器不工作，將跳過(guò)tREC，RST立刻變?yōu)楦唠娖健?/p>

鬧鐘

DS3231包含2個(gè)定時(shí)／日期鬧鐘。鬧鐘1可通過(guò)寫(xiě)入寄存器07h～0Ah設(shè)定。鬧鐘2可通過(guò)寫(xiě)入寄存器0Bh～0Dh設(shè)定?？蓪?duì)鬧鐘進(jìn)行編程（通過(guò)控制寄存器的鬧鐘使能位和INTCN位），從而在鬧鐘匹配條件下觸發(fā)INT／SQW輸出。每個(gè)定時(shí)／日期鬧鐘寄存器的第7位是屏蔽位。當(dāng)每個(gè)鬧鐘的屏蔽位均為邏輯0時(shí)，只有當(dāng)計(jì)時(shí)寄存器中的值與存儲(chǔ)于定時(shí)／日期鬧鐘寄存器中的對(duì)應(yīng)值相匹配時(shí)才會(huì)告警。鬧鐘也可以編程為每秒、分、時(shí)、星期或日期重復(fù)告警。當(dāng)RTC寄存器值與鬧鐘寄存器的設(shè)定值相匹配時(shí)，相應(yīng)的鬧鐘標(biāo)志位A1F或A2F置為邏輯1。如果對(duì)應(yīng)的鬧鐘中斷使能位A1IE或A2IE也置為邏輯1，并且INTCN位置為邏輯1，鬧鐘條件將會(huì)觸發(fā)INT／SQW信號(hào)。RTC在時(shí)間和日期寄存器每秒更新時(shí)都會(huì)檢測(cè)匹配情況。

2 DS3231的數(shù)據(jù)交換及其格式

DS3231通過(guò)I2C總線的雙向數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。DS3231在I2C總線上作為從器件。I2C主機(jī)通過(guò)執(zhí)行START命令并且在驗(yàn)證器件地址后才可以訪問(wèn)DS3231，然后DS3231的寄存器可以被訪問(wèn)直到執(zhí)行一個(gè)STOP命令為止。DS3231有兩種操作方式：寫(xiě)操作和讀操作。DS3231的地址固定為1101 000。

3. DS3231與AVR單片機(jī)的硬件接口

Atmega系列單片機(jī)片內(nèi)集成2線制串行接口模塊，Atmel稱(chēng)其為T(mén)WI接口。事實(shí)上，TWI與Philips的I2C總線是一回事。AVR硬件實(shí)現(xiàn)的TWI接口是面向字節(jié)和基于中斷的，相對(duì)軟件模擬I2C總線有更好的實(shí)時(shí)性和代碼效率，引腳輸入部分還具有毛刺抑制單元，可去除高頻干擾。圖3是DS3231與AVR單片機(jī)ATmega8的硬件接口電路原理圖。

軟件設(shè)計(jì)中，首先要對(duì)AVR單片機(jī)ATmega8與實(shí)時(shí)鐘器件DS3231進(jìn)行初始化，給DS3231準(zhǔn)確的日期和時(shí)間。不論主控模式還是被控模式，都應(yīng)當(dāng)將TWI控制寄存器TWCR的TWEN位置為1，從而使能TWI模塊。TWEN位被置位后，I/O引腳PC5和PC4轉(zhuǎn)換成SCL和SDA，對(duì)TWI控制寄存器TWCR的操作可在總線上產(chǎn)生START和STOP信號(hào)。對(duì)TWI模塊的操作均為寄存器的讀寫(xiě)操作，Avr-libc沒(méi)有提供專(zhuān)門(mén)的API。

下面的程序是DS3231與AVR單片機(jī)接口部分代碼

#define SLA 0xD0

/*I2C總線主機(jī)模式錯(cuò)誤處理*/

void error（unsigned char type） {

switch （type & 0xF8） {

case 0x20： /*址址寫(xiě)失敗*/

/*stop 停止*/

TWCR = （1 《《 TWINT） | （1 《《 TWEN） | （1 《《 TWSTO）;

break;

case 0x30： /*數(shù)據(jù)寫(xiě)失敗*/

/*stop 停止*/

TWCR = （1 《《 TWINT） | （1 《《 TWEN） | （1 《《 TWSTO）;

break;

case 0x38： /*仲裁失敗*/

TWCR=（1《《TWINT）|（1《《TWEN）|（1《《TWEA）;

break;

case 0x48： /*址址讀失敗*/

/*stop 停止*/

TWCR = （1 《《 TWINT） | （1 《《 TWEN） | （1 《《 TWSTO）;

break;

}

}

/*I2C總線多字節(jié)寫(xiě)入

*n為需寫(xiě)入字節(jié)數(shù)

*addr為DS3231的寄存器地址

*數(shù)組dd中為需寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

*注意，數(shù)組dd中的數(shù)據(jù)必須是BCD編碼格式

*/

unsigned char twi_ds_write（unsigned char addr，

unsigned char dd［］，int n） {

int i;

TWBR = 2;

/*start 啟動(dòng)*/

TWCR = （1 《《 TWINT）| （1 《《 TWSTA）| （1 《《 TWEN）;

while （！（TWCR & （1 《《 TWINT）））;

if （（TWSR & 0xF8）！= 0x08） {

error（TWSR）;

return 0;

}

/*SLA_W芯片地址*/

TWDR = SLA;

TWCR = （1 《《 TWINT） | （1 《《 TWEN）;

while （?。═WCR & （1 《《 TWINT）））;

if （（TWSR & 0xF8） ！= 0x18） {

error（TWSR）;

return 0;

}

/*addr 操作地址*/

TWDR = addr;

TWCR = （1 《《 TWINT） | （1 《《 TWEN）;

while （?。═WCR & （1 《《 TWINT）））;

if （（TWSR & 0xF8） ！= 0x28） {

error（TWSR）;

return 0;

}

/*dd 寫(xiě)入second，minute等數(shù)據(jù)*/

for（i=0;i《n;i++）

{

TWDR = dd［i］;

TWCR = （1 《《 TWINT）| （1 《《 TWEN）;

while （?。═WCR & （1 《《 TWINT）））;

if （（TWSR & 0xF8）！= 0x28） {

error（TWSR）;

return 0;

}

}

/*stop 停止*/

TWCR = （1 《《 TWINT） | （1《《TWEA）|（1 《《 TWEN） | （1 《《

TWSTO）;

return 1;

}

/*I2C總線多字節(jié)讀取

*addr為DS3231寄存器起始地址，數(shù)組dd存放讀取的n字節(jié)數(shù)據(jù)

*/

unsigned char twi_ds_read（unsigned char addr， unsigned char dd［］，int

n） {

int i;

TWBR = 2;

/*start 啟動(dòng)*/

TWCR=（1《《TWINT）|（1《《TWSTA）|（1《《TWEN）;

while（?。═WCR&（1《《TWINT）））;

if （（TWSR & 0xF8） ！= 0x08） {

error（TWSR）;

return 0;

}

/*SLA_W芯片地址*/

TWDR = SLA;

TWCR = （1 《《 TWINT） | （1 《《 TWEN）;

while（！（TW R & （ 《《 TWINT）））;

if（（TWSR & xF ） ！= x ） {

error（TWSR）;

return 0;

}

/*addr 操作地址*/

TWDR = addr;

TWCR = （1 《《 TWINT）| （1 《《 TWEN）;

while （?。═WCR & （1 《《 TWINT）））;

if （（TWSR & 0xF8）！= 0x28） {

error（TWSR）;

return 0;

}

/*start 啟動(dòng)*/

TWCR = （1 《《 TWINT）| （1 《《 TWSTA）| （1 《《 TWEN）;

while （！（TWCR & （1 《《 TWINT）））;

if （（TWSR & 0xF8）！= 0x10） {

error（TWSR）;

return 0;

}

/*SLA_R 芯片地址*/

TWDR = SLA+1;

TWCR = （1 《《 TWINT）| （1 《《 TWEN）;

while （！（TWCR & （1 《《 TWINT）））;

if （（TWSR & 0xF8）！= 0x40） {

error（TWSR）;

return 0;

}

/*讀取前n-1個(gè)數(shù)據(jù)*/

for（i=0;i《n-1;i++）

{

TWCR = （1 《《 TWINT）|（1《《TWEA）|（1 《《 TWEN）;

while （?。═WCR & （1 《《 TWINT）））;

if （（TWSR & 0xF8） ！= 0x50） {

error（TWSR）;

return 0;

}

dd［i］ = TWDR;

}

/*讀取第n個(gè)數(shù)據(jù)*/

TWCR = （1 《《 TWINT）| （1 《《 TWEN）;

while （?。═WCR & （1 《《 TWINT）））;

if （（TWSR & 0xF8）！= 0x58） {

error（TWSR）;

return 0;

}

dd［n-1］ = TWDR;

/*stop 停止*/

TWCR = （1 《《 TWINT）|（1《《TWEA） | （1 《《 TWSTO） | （1 《《

TWEN）;

return 1;

}

選用實(shí)時(shí)時(shí)鐘器件DS3 3 和 VR單片機(jī) T 設(shè)計(jì)了一個(gè)日歷時(shí)鐘系統(tǒng)，該系統(tǒng)體積小，通用性強(qiáng)。DS3231具有集成的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO），計(jì)時(shí)準(zhǔn)確且不隨季節(jié)的變化而產(chǎn)生誤差。該系統(tǒng)適用于智能顯示屏以及實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)。