摘要：DS28DG02是帶有PIO、實時時鐘(RTC)、復位、電池監(jiān)控器和看門狗的2kb SPI? EEPROM，它組合了便攜式設備和嵌入式應用中需要的多種功能。本應用筆記對產(chǎn)品數(shù)據(jù)資料進行補充說明，給出SPI接口及其寫保護方案的詳細信息，闡述怎樣使用器件的12個PIO和RTC鬧鐘功能。文檔還包括電池選擇指南、RTC晶振焊盤屏蔽，以及報警事件的軟件響應等。

通信接口

DS28DG02是從機EEPROM器件，通常由微控制器構(gòu)成的主機利用它通過串行外設接口(SPI)來訪問其資源。SPI最初由Motorola針對MC68HCxx系列微控制器而建立。表1列出了標準SPI信號名稱以及它們的功能。

表1. SPI信號名稱

Motorola名稱	功能	其他名稱
SCLK	串行時鐘，推挽驅(qū)動，由主機產(chǎn)生。如果滿足上升時間和下降時間規(guī)范，可以使用開漏驅(qū)動。	SCK, SK, C
MISO	從機至主機數(shù)據(jù)線，“主機輸入，從機輸出”。由從機驅(qū)動的高阻抗推挽輸出連接至主機的串行輸入。	SO, DO, Q
MOSI	主機至從機數(shù)據(jù)線，“主機輸出，從機輸入”。由主機驅(qū)動的高阻抗推挽輸出連接至從機的串行輸入。	SI, DI, D
低電平有效SS	從機選擇，推挽輸出，由主機產(chǎn)生。	CSZ, 低電平有效CS

基本的SPI通信在主機和從機同時采用了移位寄存器。移位寄存器的輸入和輸出相連，形成一個環(huán)回，如圖1所示。時鐘信號在主機驅(qū)動下，將8比特串行數(shù)據(jù)塊由主機傳送至從機，同時由從機傳送至主機，從而實現(xiàn)了SPI全雙工協(xié)議。但是，大部分SPI從機，包括DS28DG02，在接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)前，首先需要一條命令。同樣，在半雙工模式下，數(shù)據(jù)由主機傳送到從機或者由從機傳送到主機。


圖1. SPI通信概念

SPI規(guī)范定義了四種模式，由SPI主機中的控制位CPOL和CPHA進行選擇。在怎樣參考這些模式上還沒有標準。表2列出了SPI文檔中常用的模式定義。

表2. SPI模式定義

SPI模式	CPOL	CPHA	說明
0或者(0,0)	0	0	時鐘空閑狀態(tài)為低電平。在時鐘上升沿采集數(shù)據(jù)，在時鐘下降沿移位輸出。
1或者(0,1)	0	1	時鐘空閑狀態(tài)為低電平。在時鐘下降沿采集數(shù)據(jù)，在時鐘上升沿移位輸出。
2或者(1,0)	1	0	時鐘空閑狀態(tài)為高電平。在時鐘下降沿采集數(shù)據(jù)，在時鐘上升沿移位輸出。
3或者(1,1)	1	1	時鐘空閑狀態(tài)為高電平。在時鐘上升沿采集數(shù)據(jù)，在時鐘下降沿移位輸出。

DS28DG02支持SPI模式(0,0)和(1,1)。這些模式中，在時鐘上升沿采集(同步輸入)數(shù)據(jù)，在時鐘下降沿移位輸出(可能會改變)。CSZ下降沿的時鐘狀態(tài)告訴DS28DG02主機使用了哪一SPI模式。如果試圖在模式(1,0)或者(0,1)中進行通信，則無法確定器件的行為。

關于SPI協(xié)議以及時序的其他信息，請參考DS28DG02數(shù)據(jù)資料中的SPI接口一節(jié)，也可以在互聯(lián)網(wǎng)上搜索關鍵詞“SPI slave timing”。通過網(wǎng)絡搜索到的文檔大部分是關于微控制器的，根據(jù)內(nèi)部寄存器設置，這些微控制器能夠?qū)崿F(xiàn)SPI主機或者從機。第三方文檔很好地介紹了SPI概念，解釋了SPI主機的設置，這些文檔有：

http://www.mct.net/faq/spi.html (一般信息)
http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2585.pdf (主機設置)

寫保護方案

SPI存儲器采用3級方案來保護存儲器不會受到無意的或者未授權(quán)的改動：SPI狀態(tài)寄存器中的WEN位；使用SPI狀態(tài)寄存器中控制位的塊寫保護；使用引腳狀態(tài)和SPI狀態(tài)寄存器中使能位的硬件寫保護。DS28DG02獨有的寄存器寫保護和塊寫保護在同一級上，但是采用了不同的存儲器區(qū)。表3列出了控制位及其對存儲器的影響。

表3. 寫保護控制

級	控制位	受保護的存儲器
1	WEN	所有的可寫存儲器地址以及SPI狀態(tài)寄存器
2	BP1:BP0	地址000h至0FFh
2	RPROT	地址120h至135h
3	WPEN (結(jié)合WPZ引腳狀態(tài))	SPI狀態(tài)寄存器，僅非易失位。

1級：SPI狀態(tài)寄存器中的WEN位
在上電，成功完成寫功能命令后，或者通過SPI命令WRDI (寫禁止)，該位被清位。設置WEN位的唯一方法是通過SPI命令WREN(寫使能)。注意：在SPI主機出現(xiàn)故障時，WEN位能夠防止可寫存儲器失效。

2級：SPI狀態(tài)寄存器中的BP1:BP0位
這一常用的寫保護方法使用SPI狀態(tài)寄存器(BP1:BP0)的兩個非易失位對EEPROM的所有位、上半部分、上四分之一部分進行寫保護，也可以不進行寫保護。控制位在SPI狀態(tài)寄存器中，可受到硬件寫保護。沒有硬件寫保護時，可以通過軟件控制來修改塊寫保護。注意：塊寫保護將某些EEPROM配置為只讀，而將其他的EEPROM留給主機存儲數(shù)據(jù)，在最終產(chǎn)品正常工作時可修改這些數(shù)據(jù)。

2級：SPI狀態(tài)寄存器中的RPROT位
這是DS28DG02的一個特殊功能，該方法使用SPI狀態(tài)寄存器的非易失RPROT位對地址120h以及更高地址范圍的用戶可寫字節(jié)進行寫保護。如果RPROT是1，對這些地址進行寫保護。這保護了RTC、RTC鬧鐘寄存器、多功能控制/設置寄存器，以及報警/狀態(tài)寄存器，防止對PIO進行寫操作。這一級寫保護并不保護PIO相關寄存器的上電默認值，這些數(shù)值存儲在10Ah至10Fh中。RPROT位在SPI狀態(tài)寄存器中，可受到硬件寫保護。沒有硬件寫保護時，可以通過軟件控制來修改RPROT。注意：寄存器寫保護可防止對RTC及其警報的意外改動，還可以防止對最終產(chǎn)品中定義DS28DG02功能的寄存器的改動(例如，看門狗、電池監(jiān)控器、RTC)。

3級：SPI狀態(tài)寄存器中的WPEN位
該方法使用WPZ引腳以及SPI狀態(tài)寄存器中的WPEN位。該功能只保護SPI狀態(tài)寄存器的非易失位，特別是塊保護位BP1:BP0、RPROT和WPEN。WPEN位被置為1時，使能WPZ引腳來控制SPI狀態(tài)寄存器中的所有非易失位，包括WPEN。對于出廠SPI存儲器，WPEN位讀0。這樣，即使WPZ引腳連接至地，也可以對電路板測試儀上的存儲器進行編程。在最后一步中，對存儲器編程后，測試儀設置2級保護，將WPEN位寫入1，從而激活硬件寫保護。只要WPZ引腳的邏輯狀態(tài)保持為0，SPI狀態(tài)寄存器的非易失位將保持寫保護不變。要修改任一非易失位，必須將WPZ引腳的邏輯狀態(tài)改為1，例如，通過跳接器，將引腳臨時連接至VCC。注意：硬件寫保護對2級保護進行永久設置，但還是留有一個后門(WPZ引腳)，以便今后的改正。

注意：寄存器寫保護被永久使能后，清除看門狗、RTC和電池警報的唯一方法是VCC再次上電。不論VCC電源如何，換掉電池后，清除多功能控制/設置寄存器和RTC及其警報寄存器。如果硬件寫保護和寄存器寫保護都被激活(RPROT = 1，WPEN = 1，WPZ引腳連接至地GND)，用戶可能需要致電設備生產(chǎn)商，以重新配置設備，重新運行。

電池選擇

DS28DG02需要電池來維持存儲在地址134h多功能控制/設置寄存器中的配置信息，并保持RTC運行。如果VCC可永久使用，則不需要電池，VBAT引腳連接至VCC。如果VCC中斷，沒有電池備份，多功能控制/設置寄存器上電時所有位都是0。這會停止RTC，禁止時鐘鬧鐘、看門狗和電池監(jiān)控器。這是正常設置，與不使用RTC和看門狗的應用無關。典型DS28DG02應用至少會使用RTC或者看門狗，因此需要電池，并對電池進行監(jiān)控。

只有切斷VCC，才能節(jié)省電池功耗。有兩種情況需要注意：a) RTC振蕩器停止時(關斷，OSCE = 0)；b) RTC振蕩器接通時(運行，OSCE = 1)。理論上，還有第三種情況和電池監(jiān)控器有關。但是，電池監(jiān)控器(IMAX = 20μA)電池最大負載每小時只持續(xù)2秒時間，因此，平均負載電流為11nA (20μA x 2/3600)，比RTC關斷時的負載低兩倍。電池監(jiān)控器并沒有縮短電池的使用時間，因為只有VCC工作時才進行監(jiān)控，RTC和其他非易失存儲器單元由VCC進行供電，而不是電池供電。

DS28DG02的典型電池電壓為3V，由一塊鋰電池(Li+)或者兩塊串聯(lián)的氧化銀鈕扣電池進行供電。通常以mAh (毫安時)來表示這些電池的容量。通過負載電阻，測量電池電壓下降到規(guī)定閾值的時間來獲得性能指標，方法和某些應用相似。電池生產(chǎn)商的數(shù)據(jù)資料上有詳細信息：

http://www.panasonic.com/industrial/battery/oem/chem/lith/coin1.htm
http://www.rayovac.com/technical/pdfs/pg_lithium.pdf
http://data.energizer.com/DataSheets.aspx

假設電池和電容類似，電池的放電時間為t = Q/I。例如，如果電池為1mAh，放電電流為1μA，那么放電時間為：



按照下面公式，這一結(jié)果與電池容量和放電電流之比相乘：



例如，如果負載電流是10μA，48mAh電池能夠使RTC運行48/10 x 41.66，即200天。+25°C左右，RTC接通時的最大負載電流為4.7μA。因此，同樣的電池可持續(xù)使用：



兩塊電池串聯(lián)可加倍電壓和容量，但并不延長電池使用時間。為確定使用時間，必須將一塊電池的容量帶到公式2中，這是因為電流流過串聯(lián)的每塊電池，以同一速率對每塊電池放電。

使用PIO

DS28DG02有12個PIO通道。在典型應用中，有的PIO被用作輸入，其他的用作輸出，而有的根本就沒有使用。在存儲器映射上“靠近”的PIO (PIO0至PIO7，PIO8至PIO11)在電路板上并不靠近。對于TSSOP，所有偶數(shù)PIO位于封裝的左側(cè)，奇數(shù)PIO位于封裝的右側(cè)。對于TQFN，3個偶數(shù)PIO位于封裝西側(cè)，3個奇數(shù)PIO位于封裝東側(cè)，剩余的6個PIO，包括奇數(shù)和偶數(shù)，位于封裝的南側(cè)。這樣看起來雖然不太尋常，但是并不影響器件的使用。

如果輸出模式中沒有PIO需要吸收或者源出大電流，可以采用小電流輸出模式。在小電流輸出模式中，對于所有共享同一存儲器地址的PIO，同時進行PIO讀寫。如果第5至第8個PIO需要同時讀或者寫，選擇PIO通道0至通道7，以最適合電路板布板拓撲的方式，將它們分配給應用中的節(jié)點。由于大電流模式寫并不是同時進行，因此，只有優(yōu)化電路板布板時采用PIO。下面的例子介紹了分配PIO通道的一種方法。

配置實例

輸出：	6
輸出類型：	4路推挽，2路開漏
輸出模式：	小電流(同時寫)
輸入：	4
反向讀	無
沒有使用：	2 PIO

以逆時針方向來看DS28DG02的PIO引腳分配，共享同一存儲器地址的PIO順序為0、4、6、2、3、7、5、1。這種順序和封裝類型無關。明顯靠在一起的是第6、第2、第3和第7通道。對于其他的兩路輸出，由于引腳靠近，把第0通道和第4通道分配給它們。這一方法沒有使用第1和第5通道。輸出類型按4個PIO一組進行設置，0至3，4至7以及8至11；同一組中的PIO有同樣的輸出類型。實例中的4路輸出需要采用推挽。對于剛進行的分配，這可以是第0至第3通道，或者第4至第7通道。由于沒有使用第1通道，只有第0、第2和第3通道，因此，無法滿足這種輸出類型。

為滿足輸出類型的要求，必須改變通道分配。第4至第7通道現(xiàn)在被用于推挽(任意選擇)，第2和第3通道為開漏。這樣，沒有使用第0和第1通道。輸入被分配給第8至第11通道，它們也共享同一存儲器地址。

下一步，必須定義這一配置的上電默認寄存器值，并寫入對應的存儲器地址。下表使用以下顏色來解釋所進行的選擇。

?	Value resulting from configuration/application requirements
?	Arbitrary assignment, "don't care" condition
?	(Not assigned, reserved)

PIO輸出狀態(tài)上電默認值

ADDR	b7	b6	b5	b4	b3	b2	b1	b0	?	Hex
10Ah	0	0	1	1	1	1	0	0		3C
10Bh	0	0	0	0	0	0	0	0		00

注意：在這一例子中，假設應用程序需要第2至第5通道以邏輯1上電，第6和第7通道以邏輯0上電。

PIO方向的上電默認值

ADDR	b7	b6	b5	b4	b3	b2	b1	b0	?	Hex
10Ch	0	0	0	0	0	0	1	1		03
10Dh	0	0	0	0	1	1	1	1		0F

PIO反向讀的上電默認值(PIO0至PIO7)

ADDR	b7	b6	b5	b4	b3	b2	b1	b0	?	Hex
10Eh	0	0	0	0	0	0	0	0		00

PIO反向讀的上電默認值(PIO8至PIO11)，PIO輸出類型和輸出模式

ADDR	b7	b6	b5	b4	b3	b2	b1	b0	?	Hex
10Fh	0	0	0	1	0	0	0	0		10

利用數(shù)據(jù)資料中的通信實例定義，將定義為輸出的PIO按下面序列進行更新：

SEL

WREN

DSEL

SEL

WRITEH

<20h>

<1 byte PIO data>

DSEL

要在PIO產(chǎn)生波形模式，并不需要以不同的PIO數(shù)據(jù)來重復整個序列。而是發(fā)送需要的PIO數(shù)據(jù)字節(jié)；第1、第3和第5等字節(jié)被用于更新PIO。由于PIO 8至11被分配為輸入，因此，其他字節(jié)(第2、第4和第6字節(jié)等)不起作用。

下面的序列讀取被定義為輸入的PIO：

SEL

READH

<27h>

<1 bytes PIO data>

DSEL

要快速從PIO重復讀取，并不需要重復整個序列。而是使用起始地址126h，讀取需要的字節(jié)。第1、第3和第5等字節(jié)返回被定義為輸出的通道狀態(tài)。其他字節(jié)(第2、第4和第6字節(jié)等)報告被分配為輸入的PIO 8至11的數(shù)據(jù)。

PIO大電流模式

對于寫操作，PIO可以工作在小電流模式或者大電流模式下。以同樣的方式對所有的PIO線進行模式選擇。在小電流模式中，共享同一字節(jié)地址的所有PIO同時開關。此外，如果以寫入地址120h來開始訪問PIO，對于DS28DG02接收到的每一數(shù)據(jù)字節(jié)，寫地址在120h (PIO0至PIO7)和121h (PIO8至PIO11)之間切換。這種方法支持對PIO的快速寫入，因此，不需要在下一次寫訪問之前執(zhí)行WREN命令。

在大電流和小電流模式下，PIO有相同的電流吸收或者源出能力。然而，在大電流模式(OTM = 1)下，PIO每次一個通道連續(xù)切換；PIO電流擺率受到有源電路的限制。大電流模式并不采用地址切換。地址是從120h遞增到121h，然后是122h，以此類推。要再次寫入地址120h，則需要新的寫序列。

如果DS28DG02有穩(wěn)定的VCC供電，打開PIO后立即產(chǎn)生復位，感應電壓尖峰進入VCC監(jiān)控器，被錯誤地認為出現(xiàn)電源失效。在這種情況下，要么必須使用大電流模式，要么一次開關的通道數(shù)量小于8個，以軟件模擬大電流模式，從而保證電流變化不會超過最大額定±50mA。

RTC晶振和PCB布板

各種封裝類型和尺寸都提供了32kHz表晶振。DS28DG02數(shù)據(jù)資料中的PCB布板假設晶振引腳間距和封裝(TSSOP—0.65mm；TQFN—0.50mm)引腳間距相匹配。這是非常緊湊的間距，可能不太容易獲得這么小的晶振。為適應更大的晶振，需要對PCB布板進行改動，如圖2所示。保持好保護環(huán)和局部地平面非常重要。晶振引腳X1和X2至晶振焊盤的走線應盡量對稱。


圖2. 可供選擇的另一種PCB布板

關于晶振選擇的詳細信息，請參考Maxim應用筆記#616，Considerations for Maxim Real-Time Clock Crystal Selection。該文檔還包括SMD晶振的技術數(shù)據(jù)，以及其他供應商網(wǎng)站的鏈接。

時鐘鬧鐘

DS28DG02能夠從每秒一次到每月一次產(chǎn)生RTC鬧鐘。通過ALMZ引腳發(fā)出報警，電池報警和看門狗報警也使用該引腳。作為時鐘鬧鐘的前提條件，必須運行RTC，并使能時鐘鬧鐘(OSCE = 1, CAE = 1)。

一般而言，要消除時鐘鬧鐘，時鐘狀態(tài)必須與鬧鐘寄存器中的數(shù)值相匹配。有4個RTC鬧鐘寄存器：秒、分鐘、小時、星期日期或者月日期。鬧鐘寄存器中的最高有效位是AM1至AM4，它們控制寄存器是否參與對比。地址133h的DY/DT位規(guī)定剩下的6個比特是否和RTC的星期日期或者月日期進行對比。在其他方面，鬧鐘寄存器和RTC的位分配相匹配。

定義好鬧鐘時間和頻率后，將每個比特(BCD代碼)寫入模板，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為十六進制格式(“Hex”列)，從而產(chǎn)生時鐘鬧鐘寄存器數(shù)據(jù)。然后，通過SPI寫序列，將獲得的數(shù)據(jù)寫入鬧鐘寄存器。下面的例子解釋了這一過程。這里的顏色表示和上面PIO一節(jié)的相同。

實例1：每小時的25分鐘30秒產(chǎn)生鬧鐘

ADDR	b7	b6	b5	b4	b3	b2	b1	b0	?	Hex
130h	0	0	1	1	0	0	0	0		30
131h	0	0	1	0	0	1	0	1		25
132h	1	0	0	0	0	0	0	0		80
133h	0	0	0	0	0	0	0	0		00

注意：對于每小時、每分鐘或者每秒產(chǎn)生鬧鐘，并不采用12/24位(地址132h和12Bh的第6位)。要在每分鐘的30秒時產(chǎn)生鬧鐘，將地址131h的第7位改為1。這不包括來自對比的分鐘。

實例2：24小時格式，每天在22:59:59產(chǎn)生鬧鐘

ADDR	b7	b6	b5	b4	b3	b2	b1	b0	?	Hex
130h	0	1	0	1	1	0	0	1		59
131h	0	1	0	1	1	0	0	1		59
132h	0	0	1	0	0	0	1	0		22
133h	1	0	0	0	0	0	0	0		80

實例3：12小時格式，在每星期的第一天6:30:00PM產(chǎn)生鬧鐘

ADDR	b7	b6	b5	b4	b3	b2	b1	b0	?	Hex
130h	0	0	0	0	0	0	0	0		00
131h	0	0	1	1	0	0	0	0		30
132h	0	1	1	0	0	1	1	0		66
133h	0	1	0	0	0	0	0	1		41

注意：星期日期計數(shù)器使用代碼1至7。星期日期的計數(shù)器值可任意分配。1一般分配給星期天(美國標準)，也可以分配給星期一(歐洲標準)。

看門狗

CPU監(jiān)控電路中一般采用看門狗。技術上，看門狗可以解釋為可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)工作方式。在不穩(wěn)定狀態(tài)時，微控制器周期性地將正脈沖加到看門狗的觸發(fā)輸入WDI上，保持一次觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)。如果微控制器做不到這一點，看門狗超時，復位微控制器。

通過SPI狀態(tài)寄存器的WD1:WD0位來選擇DS28DG02的看門狗超時。在寄存器的寫訪問沒有被阻塞(RPROT = 0)時，向地址134h的WDE位寫入1，激活看門狗。看門狗停止工作時，地址135h的報警和狀態(tài)寄存器的WDA位置位；時鐘鬧鐘和電池監(jiān)控器共享的WDOZ引腳(默認)或者ALMZ引腳(另一選擇)，以及RSTZ引腳進入低電平狀態(tài)。

裝上電池(電池安裝)或者上電復位(如果沒有電池)時禁用了看門狗(WDE = 0)。向WDE位寫入1，看門狗被激活后，即使VCC被切斷，通過電池備用電源，看門狗可一直保持工作。當VCC增大，或者WDE位被置位之后，看門狗內(nèi)部計數(shù)器被清零，這樣，在看門狗需要重新觸發(fā)前，微控制器有時間完成其上電。

報警響應

在地址135h的DS28DG02報警和狀態(tài)寄存器留有6個比特來指示重要事件。在出現(xiàn)這類事件時，微控制器應特別對待，分別進行響應，如下所示。如果RPROT = 0，向該寄存器寫入0，所有報警被清除。

RST：復位標志	在RSTZ引腳上有脈沖時，該位被置位，例如，VCC增大時的上電復位，手動復位，或者看門狗報警等。控制器執(zhí)行其正常上電來進行響應。
WDA：看門狗報警	看門狗報警復位微控制器，對RST也會有相同的響應。微控制器能夠計數(shù)看門狗報警事件的次數(shù)。
CLKA：時鐘鬧鐘	對于時鐘鬧鐘，微控制器有專門的響應。
BOR：電池接通復位標志	連接電池后，多功能控制/設置寄存器、RTC以及RTC鬧鐘寄存器被清零。這是一種錯誤狀態(tài)，需要進行初始化，例如，通過用戶輸入(時間)和存儲在EEPROM中的備份數(shù)值來恢復丟失的數(shù)值。如果使能了硬件寫保護，并且RPROT = 1，除非用戶知道怎樣禁用硬件寫保護，否則需要將設備送回，以便進行維修服務。微控制器通過WPZV位來監(jiān)視硬件寫保護。
POR：上電復位標志	上電復位在RSTZ引腳產(chǎn)生一個脈沖。微控制器執(zhí)行其正常上電來進行響應。
BATA：電池報警	該報警指示備用電池接近最終使用壽命。這一狀態(tài)要求用戶注意換電池。根據(jù)不同的應用，可以對電池報警事件進行計數(shù)，達到一定計數(shù)值后，在換電池之前，設備停止工作。

結(jié)論

在需要存儲器、RTC、PIO以及電源監(jiān)控器和看門狗等CPU監(jiān)控功能的便攜式設備和其他應用中，DS28DG02是非常靈活并且使用方便的元件。