概述

在許多系統當中都需要精確的時鐘功能，因此時鐘芯片孕育而生。其中美國達拉斯 DALLAS 公司設計的 DS1302 是一款非常流行的數字時鐘芯片。DS1302 是一款具有涓細電流充電能力的低功耗實時時鐘芯片。它可以對年、月、日、星期、時、分、秒進行計時，并且具有閏年功能。年計數可達到 2100 年。

15.1 DS1302 功能簡介

DS1302 內部包含 31 字節的通用 RAM，實現設置備用電池功能。采用 3 線制的串行數據通信接口，并且適用于大多數的微處理器。工作電壓范圍達到 2~5V，與 5VTTL 電平完全兼容。支持單字節或多字節時鐘、RAM 數據讀、寫操作。當工作電壓為 2V 時，工作電流低至 320nA。工業級 DS1302 正常工作溫度范圍為：-40℃ ~85℃，芯片包括直插和貼片兩種封裝模式，封裝示意圖如下所示：

DS1302 典型通信電路如下圖所示：

如上圖所示，只需 3 根線 CE、I/O、SCLK 便可實現處理器與 DS1302 之間通信，上圖中 X1，X2 之間為外接時鐘晶振，VCC2 為電源供電端，VCC1 為備用電池端。各管腳定義及功能如下所示：

15.2 單字節操作模式

與 DS1302 進行數據通信時，首先得向 DS1302 傳輸一個字節的控制指令，控制指令位定義如下所示。

字節的最高位 bit7 必須為 1，否則無法向 DS1302 寫入數據。Bit6 為 1 時，表示后續對 31 字節的 RAM 進行讀寫操作，為 0 時，表示后續將對時鐘寄存器進行讀寫操作。Bit5~bit1 為后續操作的時鐘寄存器或 RAM 的地址。最低位 bit0 為 1 時，表示讀取 DS1302 的數據，為 0 時，表示向 DS1302 寫入數據。對 DS1302 進行單字節模式的讀、寫操作時序如下圖所示。

單字節寫操作（Single-Byte Write）時序為首先向 DS1302 寫入控制指令，緊接著寫入一個字節的數據。寫入的順序為低位在前，高位在后的傳輸方式，要求在時鐘上升沿準備好數據。單字節讀操作（Single-Byte Read）時序為首先向 DS1302 寫入控制指令，緊接著 SCLK 的的下降沿 DS1302 有數據 D0 輸出，因此在接下來的上升沿前讀取穩定的 D0 值，依次類推至 D7。根據上圖時序要求，往 DS1302 寫入一個字節和讀取一個字節的函數如下所示：

//寫字節
void WrByte_1302(uchar dat)
{
	uchar j;
	bit flag;

	for(j=1;j<=8;j++)
 	{	//從低到高依次將1Byte數據寫入DS1302
		flag = dat&0x01;

		IO_1302 = flag;//將要寫的位放到總線
		SCLK_1302 = 0;
		SCLK_1302 = 1;//產生一個上升沿，完成1位數據寫入

		dat=dat >>1;//將數據移到下一位
	}	
}
//讀字節
uchar RdByte_1302(void)
{
	uchar dat,flag,j;
	for(j=1;j<=8;j++)
	{		
		SCLK_1302 = 1;//產生一個下降沿
		SCLK_1302 = 0;

		flag = IO_1302;//讀取DS1302發出的一位數據
		dat=(dat >>1)|(flag< 

如上所示，寫字節函數 WrByte_1302()中，要求單片機在時鐘 SCLK_1302 上升沿前將數據放到數據總線 IO_1302 上，然后產生一個 SCLK_1302 上升，完成一 bit 數據的寫入，同時要求 1Byte 的數據低位在前，高位在后依次發送。讀字節函數 RdByte_1302()中，要求在時鐘 SCLK_1302 下降沿之后，將總線 IO_1302 數據讀出，同時要求 1Byte 的數據低位在前，高位在后依次讀取。

在上述函數的基礎上，單字節操作模式的讀、寫函數如下所示：

//單字節寫模式
void WrSingle_1302(uchar addr,uchar dat)
{
	CE_1302 = 1;//拉高片選
	WrByte_1302(addr);//寫入地址及控制指令
	WrByte_1302(dat);//寫入數據
	CE_1302 = 0;//拉低片選
	SCLK_1302 = 0;//釋放始終總線，滿足下次操作時序要求(非常重要)

}
//單字節讀模式
uchar RdSingle_1302(uchar addr)
{
	uchar dat;

	CE_1302 = 1;//拉高片選
	WrByte_1302(addr);//寫入地址及控制指令
	dat = RdByte_1302();//讀取一個字節數據
 	CE_1302 = 0;//拉低片選

	return dat;
}

我們這里重點講述 DS1302 的時鐘功能，因此與涓流充電有關的 31 字節 RAM 操作這里不做詳細的介紹。與實時時鐘有關的寄存器如圖所示。

與時鐘有關的寄存器總共有 9 個如上圖所示，前 7 個分別為：秒、分、時、日、月、星期、年，均為 8 位寄存器。以秒寄存器為例介紹時間的表示法，其中 bit6-bit4 為秒的十位，bit3-bit0 為秒的個位。59 秒時，bit6-bit4=“101”，bit3-bit0=“1001”，其它依此類推。另外，設置“時”寄存器的 bit7 可以設置為 12 小時或 24 小時制。上述寄存器的讀寫控制指令字節分別如圖左側兩列所示。

秒寄存器的 CH(bit7)定義為時鐘運行標志位，當該位被設置成 1 時，時鐘計時停止，并且 DS1302 進入低功耗模式。當設置為 0 時，啟動計時。上電初始狀態時，該位狀態不定，因此在時鐘初始化時確保該位被清 0，保證后續時鐘芯片正常運行。

第 8 個寄存器為控制寄存器，WP（bit7）為寫保護位，當設置為 1 時，無法向 DS1302 寫入數據，上電時該位狀態不定，因此，需要對 DS1302 其它寄存器進行寫操作之前，務必先將 WP 設置為 0。第 9 個寄存器不影響實現時鐘功能，暫不做介紹。

因此，在 DS 1302 應用時要對它進行初始化，首先解除寫保護，然后將與時間有關的 7 個寄存器賦初值，將初始化的內容放到函數 Init_1302(Uchar *SetTime)中。另外，我們將從 DS1302 讀取 7 個時間值的操作放到函數 GetTime(*CurrentTime)中，如下代碼所示。

//1302初始化
void Init_1302(uchar *SetTime)
{
	  uchar j;

	  CE_1302 = 0;//初始化通信引腳
	SCLK_1302 = 0;

	WrSingle_1302(0x8E,0x00);//解除寫保護（WP=0）
	
	for(j=0;j<=6;j++)
	{
		WrSingle_1302(0x80+2*j,SetTime[j]);//寫入7個時鐘數據
	}
	//WrBurst_1302(SetTime);//當采用Burst模式時，使用此語句替代上面for循環語句
}
//獲取當前時間值
void GetTime(uchar *CurrentTime)
{
	  uchar j;

	  CE_1302 = 0;//初始化通信引腳
	SCLK_1302 = 0;

	for(j=0;j<=6;j++)
	{
		 *CurrentTime = RdSingle_1302(0x81+2*j);//讀取7個時鐘數據
		 CurrentTime++;
	}
	
	//RdBurst_1302(CurrentTime); //當采用Burst模式時，使用此語句替代上面for循環語句
}

到目前為止，我們已經學習了時鐘芯片 DS1302 的功能介紹，以及初始化和時鐘獲取函數的編寫，RY-51 單片機開發板上 DS1302 電路原理圖如下所示，三根通信線分別接 4.7K 上拉電阻，分別與單片機的 I/O 口相連接。

按照慣例我們將和 DS1302 有關的函數打包放入"Drive_DS1302.h","Drive_DS1302.c"中，方便后續調用及移植。"Drive_DS1302.h"代碼如下：

#ifndef __DS1302_H__
#define __DS1302_H__

//1302初始化
extern void Init_1302(unsigned char *SetTime);
//獲取時間
extern void GetTime(unsigned char *CurrentTime);
//單字節模式寫
void WrSingle_1302(unsigned char addr,unsigned char dat);
//單字節模式讀		  
unsigned char RdSingle_1302(unsigned char addr);
//突發模式寫
void WrBurst_1302(unsigned char *SetTime);
//突發模式讀
void RdBurst_1302(unsigned char *CurrentTime);

#endif

"Drive_DS1302.c"代碼如下：

#include< reg52.h >
#include"Drive_DS1302.h"

#define uchar unsigned char
#define  uint unsigned int

sbit   CE_1302 = P1^2;	//DS1302通信引腳CE，I/O，SCLK定義
sbit   IO_1302 = P1^1;
sbit SCLK_1302 = P1^0;	

//寫字節
void WrByte_1302(uchar dat)
{
	uchar j;
	bit flag;

	for(j=1;j<=8;j++)
 	{	//從低到高依次將1Byte數據寫入DS1302
		flag = dat&0x01;

		IO_1302 = flag;//將要寫的位放到總線
		SCLK_1302 = 0;
		SCLK_1302 = 1;//產生一個上升沿，完成1位數據寫入

		dat=dat >>1;//將數據移到下一位
	}	
}
//讀字節
uchar RdByte_1302(void)
{
	uchar dat,flag,j;
	for(j=1;j<=8;j++)
	{		
		SCLK_1302 = 1;//產生一個下降沿
		SCLK_1302 = 0;

		flag = IO_1302;//讀取DS1302發出的一位數據
		dat=(dat >>1)|(flag< 7);//讀出的值最低位在前面
	}
	return dat;	
}
//單字節寫模式
void WrSingle_1302(uchar addr,uchar dat)
{
	CE_1302 = 1;//拉高片選
	WrByte_1302(addr);//寫入地址及控制指令
	WrByte_1302(dat);//寫入數據
	CE_1302 = 0;//拉低片選
	SCLK_1302 = 0;//釋放始終總線，滿足下次操作時序要求(非常重要)

}
//單字節讀模式
uchar RdSingle_1302(uchar addr)
{
	uchar dat;

	CE_1302 = 1;//拉高片選
	WrByte_1302(addr);//寫入地址及控制指令
	dat = RdByte_1302();//讀取一個字節數據
 	CE_1302 = 0;//拉低片選

	return dat;
}
//突發寫模式
void WrBurst_1302(uchar *SetTime)
{
	uchar j;

	CE_1302 = 1;//拉高片選
	WrByte_1302(0xBE);//Burst模式寫專用指令
	for(j=0;j<=6;j++)
	{
		WrByte_1302(SetTime[j]);//寫入7位時鐘數據
	}
	CE_1302 = 0;//拉低片選	
}
//突發讀模式
void RdBurst_1302(uchar *CurrentTime)
{
	uchar j;

	CE_1302 = 1;//拉高片選
	WrByte_1302(0xBF);//Burst模式讀專用指令
	for(j=0;j<=6;j++)
	{
		*CurrentTime = RdByte_1302();//讀取一個字節數據;
		CurrentTime++;
	}
	CE_1302 = 0;//拉低片選	
}
//1302初始化
void Init_1302(uchar *SetTime)
{
	  uchar j;

	  CE_1302 = 0;//初始化通信引腳
	SCLK_1302 = 0;

	WrSingle_1302(0x8E,0x00);//解除寫保護（WP=0）
	
	for(j=0;j<=6;j++)
	{
		WrSingle_1302(0x80+2*j,SetTime[j]);//寫入7個時鐘數據
	}
	//WrBurst_1302(SetTime);//當采用Burst模式時，使用此語句替代上面for循環語句
}
//獲取當前時間值
void GetTime(uchar *CurrentTime)
{
	  uchar j;

	  CE_1302 = 0;//初始化通信引腳
	SCLK_1302 = 0;

	for(j=0;j<=6;j++)
	{
		 *CurrentTime = RdSingle_1302(0x81+2*j);//讀取7個時鐘數據
		 CurrentTime++;
	}
	
	//RdBurst_1302(CurrentTime); //當采用Burst模式時，使用此語句替代上面for循環語句
}

下面我們利用上面編寫的函數以及學習的單片機的知識，開始編寫一個小的時鐘顯示綜合應用程序。程序的功能為：上電時由單片機對 DS1302 進行初始化，設置時間為 2017 年、星期日、12 月 31 日、23 時 58 分 56 秒，初始化完成后，每隔 500ms 獲取 DS1302 的時間，并將時間顯示到 1602 液晶顯示器上，主函數程序如下所示：

#include< reg52.h >
#include"Drive_1602.h"
#include"Drive_DS1302.h"

#define uchar unsigned char
#define  uint unsigned int

#define FOSC 11059200 //單片機晶振頻率
#define T_1ms (65536 - FOSC/12/1000)  //定時器初始值計算

sbit DU = P2^7;//數碼管段選、位選引腳定義
sbit WE = P2^6;
sbit DU_L = P2^3;
	
uchar T_flag  = 0;//定時500ms標志位
uchar str[23]=0;  //字符臨時存儲變量
unsigned char code SetTime[7]={//2017年,星期日，12月31日,23時58分56秒，時間初始值
	 			0x56,0x58,0x23,0x31,0x12,0x07,0x17};
uchar CurrentTime[7]={0};//存儲時間變量

void main()
{
 	Init_1602();//1602初始

	P0 = 0xff;//關閉所有數碼管
	WE = 1;
	WE = 0;
	DU_L = 0;

	TMOD = 0x01;	 //定時器工作模式配置
	TL0  = T_1ms;	//裝載初始值
	TH0  = T_1ms >>8;
	TR0  = 1;		 //啟動定時器
	ET0  = 1;		 //允許定時器中斷
	EA   = 1;		 //開總中斷


	Init_1302(SetTime);//1302初始化

	while(1)
	{
		if(T_flag)//500ms定時
		{
			T_flag = 0;
			GetTime(CurrentTime);//獲取時間

			str[0] = '2';	 
			str[1] = '0';	 
			str[2] = (CurrentTime[6] >>4)+'0';	 //年
			str[3] = (CurrentTime[6]& 0x0F)+'0';
			str[4] = '-';
			str[5] = (CurrentTime[4] >>4)+'0';	 //月
			str[6] = (CurrentTime[4]& 0x0F)+'0';
			str[7] = '-';
			str[8] = (CurrentTime[3] >>4)+'0';	 //日
			str[9] = (CurrentTime[3]& 0x0F)+'0';
		   str[10] = '?';
		   str[11] = (CurrentTime[2] >>4)+'0';	 //時
		   str[12] = (CurrentTime[2]& 0x0F)+'0';
		   str[13] = ':';
		   str[14] = (CurrentTime[1] >>4)+'0';	 //分
		   str[15] = (CurrentTime[1]& 0x0F)+'0';
		   str[16] = ':';	   
		   str[17] = (CurrentTime[0] >>4)+'0';	 //秒
		   str[18] = (CurrentTime[0]& 0x0F)+'0';
		   str[19] = ' ';
		   str[20] = (CurrentTime[5] >>4)+'0';	 //星期
		   str[21] = (CurrentTime[5]& 0x0F)+'0';
		   str[22] = '?';
		    
		  	Disp_1602_str(1,4,str);	//將獲得的時間分別顯示到1602的第一二行
			Disp_1602_str(2,3,str+11);	
		}
	}
}

//定時器0中斷子程序,定時1ms
void timer0() interrupt 1
{
	static uint T_500ms = 0;

	TL0 = T_1ms;//重裝初始值
	TH0 = T_1ms >>8;	

	T_500ms++;
	if(T_500ms >=500)//500ms,置位T_flag
	{
		T_500ms = 0;
		T_flag = 1;	
	}
}

將程序下查看結果是否與預想的一致吧。

15.3 突發操作模式

上面我們講解的是以單字節的模式，從 1302 中連續讀取時間數據。仔細的同學可能會發現一個問題，就是我們連續讀 7 個時間寄存器是有先后順序的，會有讀錯數據的風險。例如我們要讀的時間為 23 時 59 分 59 秒，最開始時我們把 59 秒讀出來了，如果剛好在你讀完的時候 59 秒變成了 00 秒，59 分變成了 00 分，23 時變成了 00 時，接下來把分、時依次讀出來，因此我們讀出來的時間為 00 時 00 分 59 秒，很顯然這個時間是不對的。下面我們講解的突發操作模式有效的解決了這個問題。

在突發操作讀模式下，當 DS1302 收到突發讀數據指令，DS1302 首先會把 8 個時間寄存器的數據同時讀出存放在 8 個二級時間寄存器中，然后依次把 8 個二級時間寄存器的數據輸出給單片機，突發讀專用指令為 0xBF。同樣，當我們需要寫 DS1302 時，當收到突發寫指令后，DS1302 將接收到的 8 個連續數據存儲到 8 個二級時間寄存器中，然后同時將 8 個數據寫到時間寄存器中，突發寫專用指令為 0xBE。根據上述原理，編寫突發寫模式和突發讀模式函數如下代碼所示。

//突發寫模式
void WrBurst_1302(uchar *SetTime)
{
	uchar j;

	CE_1302 = 1;//拉高片選
	WrByte_1302(0xBE);//Burst模式寫專用指令
	for(j=0;j<=6;j++)
	{
		WrByte_1302(SetTime[j]);//寫入7位時鐘數據
	}
	CE_1302 = 0;//拉低片選	
}
//突發讀模式
void RdBurst_1302(uchar *CurrentTime)
{
	uchar j;

	CE_1302 = 1;//拉高片選
	WrByte_1302(0xBF);//Burst模式讀專用指令
	for(j=0;j<=6;j++)
	{
		*CurrentTime = RdByte_1302();//讀取一個字節數據;
		CurrentTime++;
	}
	CE_1302 = 0;//拉低片選	
}

如上圖所示，首先為向 DS1302 寫入突發讀或者寫指令，然后緊接著是讀取或寫入 7 個時間數據。前面講解的都是 8 個連續的數據，我們這里寫 7 個的原因是，時間顯示這 7 個就足夠了。上述完整代碼詳見完整代碼"Drive_DS1302.h"、"Drive_DS1302.c"中。

突發模式的應用與單字節模式類似，只需將如下代碼中的for循環語句替換成“RdBurst_1302(CurrentTime)”即可。

//獲取當前時間值
void GetTime(uchar *CurrentTime)
{
	  uchar j;

	  CE_1302 = 0;//初始化通信引腳
	SCLK_1302 = 0;

	for(j=0;j<=6;j++)
	{
		 *CurrentTime = RdSingle_1302(0x81+2*j);//讀取7個時鐘數據
		 CurrentTime++;
	}
	
	//RdBurst_1302(CurrentTime); //當采用Burst模式時，使用此語句替代上面for循環語句
}

15.4 本章小結

本章詳細介紹了實時時鐘芯片DS1302的工作原理，驅動程序的編寫，以及DS1302的簡單應用。