在許多單片機(jī)的測控系統(tǒng)和家用電器中都含有時(shí)鐘顯示部分，最廉價(jià)的是直接使用單片機(jī)中的定時(shí)器，輔以一定的中斷服務(wù)程序，構(gòu)成時(shí)鐘顯示部分，這種方式是幾乎不需要增加新的硬件即可實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是計(jì)時(shí)誤差大，同時(shí)電源掉電不能保持時(shí)鐘繼續(xù)運(yùn)行。在相對要求較高的場合，則使用廉價(jià)的時(shí)鐘芯片（如DS1302等等）輔以備用電池，計(jì)時(shí)精度略高，可滿足一般的要求。

DS3231概述

DS3231是一款高精度I2C實(shí)時(shí)時(shí)鐘器件，具有集成的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器。該器件包含電池輸入端，斷開主電源時(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。時(shí)鐘的工作格式為24小時(shí)或帶AM／PM指示的12小時(shí)格式。DS3231提供兩個(gè)可編程日歷鬧鐘和一路可編程方波輸出。DS3231與單片機(jī)通過I2C雙向串行總線傳輸?shù)刂放c數(shù)據(jù)。

我們重點(diǎn)介紹高精度時(shí)鐘電路DS3231的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。在DS1302普及型時(shí)鐘芯片，晶體均需外置，由于晶體的離散性，很難選擇到精度很高的器件，同時(shí)也沒有溫度補(bǔ)償電路，不同的溫度環(huán)境下，晶體的特性也在變化，直接影響著時(shí)鐘的振蕩頻率，較大的誤差在所在所難免。而DS3231高精度時(shí)鐘芯片，將晶體和溫度補(bǔ)償均集成在芯片中，為提高計(jì)時(shí)精度提供了可能，實(shí)冊證明，使用DS3231時(shí)鐘芯片，誤差可做到一年小于一分鐘，甚至部分顯示器誤差可小于20秒/一年。這對有相對精確時(shí)鐘要求的應(yīng)用場合是個(gè)理想的選擇。

DS3231時(shí)鐘芯片結(jié)構(gòu)原理

DS3231是一款高精度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。時(shí)鐘的工作格式為24小時(shí)或帶AM／PM指示的12小時(shí)格式。DS3231提供兩個(gè)可編程日歷鬧鐘和一路可編程方波輸出。DS3231與單片機(jī)通過I2C雙向串行總線傳輸?shù)刂放c數(shù)據(jù)。

引腳圖

VCC為電源引腳；

INT/SQW為低電平有效中斷或方波輸出：是低電平有效復(fù)位引腳；

N.C.表示無連接，外部必須接地；

GND為地；

VBAT為備用電源輸入；

SDA為串行數(shù)據(jù)輸入輸出；

SCL為串行時(shí)鐘輸入。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

DS3231典型應(yīng)用電路

下圖為DS3231典型應(yīng)用電路，圖中可看出，DS3231幾乎不需要外部元件。

DS3231時(shí)鐘芯片結(jié)構(gòu)

如下圖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。

1. 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。

2. DS3231的內(nèi)部寄存器及功能

DS3231寄存器地址為00h～12h，分別用于存放秒、分、時(shí)、星期、日期及鬧鐘設(shè)置信息。在多字節(jié)訪問期間，如果地址達(dá)到RAM空間的結(jié)尾12h處，將發(fā)生卷繞，此時(shí)定位到開始位置即00h單元。DS3231的時(shí)間和日歷信息通過讀取相應(yīng)的寄存器來設(shè)置和初始化。用戶輔助緩沖區(qū)用于防止內(nèi)部寄存器更新時(shí)可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。讀取時(shí)間和日歷寄存器時(shí)，用戶緩沖區(qū)在任何START條件下或者寄存器指針返回到零時(shí)與內(nèi)部寄存器同步。時(shí)間信息從這些輔助寄存器讀取，此時(shí)時(shí)鐘繼續(xù)保持運(yùn)行狀態(tài)。這樣在讀操作期間發(fā)生主寄存器更新時(shí)可以避免重新讀取寄存器。以控制寄存器（地址為0EH）為例，可以控制實(shí)時(shí)時(shí)鐘、鬧鐘和方波輸出。其各bit定義如下表。

BIT7位：使能振蕩器（EOEC）。設(shè)定為邏輯0時(shí)，啟動(dòng)振蕩器。如果設(shè)定為邏輯1，在DS3231電源切換至VBAT時(shí)，振蕩器停止。初次上電時(shí)該位清零 （邏輯0） 。當(dāng)DS3231由VCC供電時(shí)，振蕩器與EOSC位的狀態(tài)無關(guān)，始終保持工作狀態(tài)。

BIT6位：電池備份的方波使能（BBSOW）。當(dāng)設(shè)定為邏輯1并且DS3231由VBAT引腳供電時(shí)，在沒有加載VCC的情況下，該位使能方波輸出。當(dāng)BB-SQW設(shè)定為邏輯0時(shí)，若VCC降至低于電源故障門限值，則INT／SQW引腳變?yōu)楦咦杩埂３醮紊想姇r(shí)，該位清零（邏輯0）。

BIT5位：轉(zhuǎn)換溫度（CONV）。該位置為1時(shí)，強(qiáng)制溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字，并執(zhí)行TCXO算法更新振蕩器的電容陣列。只在空閑期間有效。狀態(tài)位BSY=1時(shí)，禁止設(shè)定轉(zhuǎn)換溫度位。用戶在強(qiáng)制控制器開始新的TCXO操作之前。應(yīng)檢查狀態(tài)位BSY。用戶啟動(dòng)的溫度轉(zhuǎn)換不影響內(nèi)部64 s更新周期。用戶啟動(dòng)的溫度轉(zhuǎn)換在大約2 ms內(nèi)不會(huì)影響B(tài)SY位。CONV位從寫入開始直到轉(zhuǎn)換完成一直保持為1，轉(zhuǎn)換完后，CONV和BSY均變?yōu)?。在監(jiān)視用戶啟動(dòng)轉(zhuǎn)換狀態(tài)時(shí)，應(yīng)使用CONV位。

BIT4和BIT3位：頻率選擇（RS2和RS1），初次上電時(shí)，BIT4和BIT3設(shè)置為邏輯1。方波使能時(shí)用于控制方波輸出的頻率。RS1、RS2的邏輯值與方波輸出頻率的關(guān)系如表2所列。

BIT2位：中斷控制（INTCN）。該位控制INT／SQW信號。INTCN置為0時(shí)，INT／SQW引腳輸出方波；INTCN置為1時(shí)，若計(jì)時(shí)寄存器與任一個(gè)鬧鐘寄存器相匹配，則會(huì)觸發(fā)INT／SQW信號（如果也使能鬧鐘的話）。匹配時(shí)相應(yīng)的鬧鐘標(biāo)志總是置位，而與INTCN位的狀態(tài)無關(guān)。初次上電時(shí)，INTCN位置為邏輯1。

BIT1位：鬧鐘2中斷使能（A2IE）。該位置為邏輯1時(shí)，允許狀態(tài)寄存器中的鬧鐘2標(biāo)志位（A2F）觸發(fā)INT／SQW信號（當(dāng)INTCN=1時(shí)）。當(dāng)A2IE位置為0或者INTCN置為0時(shí)，A2F位不啟動(dòng)中斷信號。初次上電時(shí)，A2IE位清零（邏輯0）。

BIT0位：鬧鐘1中斷使能（A1IE）。該位置為邏輯1時(shí)，允許狀態(tài)寄存器中的鬧鐘1標(biāo)志位（A1F）觸發(fā)INT／SQW信號（當(dāng)INTCN=1時(shí)）。當(dāng)A1IE位置為0或者INTCN置為0時(shí)，A1F位不啟動(dòng)INT／SQW信號。初次上電時(shí)，A1IE位清零（邏輯0）。

3. DS3231的電源控制

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地址寫入后大約2 s，器件會(huì)測量一次溫度，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)行一次溫度測量并校準(zhǔn)振蕩器頻率。

4. DS3231的時(shí)鐘和日歷RTC

可以通過讀取適當(dāng)?shù)募拇嫫髯止?jié)獲得時(shí)鐘和日歷信息。通過寫入適當(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。

5. DS3231的復(fù)位按鈕

DS3231具有連接至RST輸出引腳的按鈕開關(guān)功能。若DS3231不在復(fù)位周期，會(huì)持續(xù)監(jiān)視RST信號的下降沿。如果檢測到一個(gè)邊沿轉(zhuǎn)換，DS3231通過拉低RST完成開關(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。如果信號依舊保持低電平，DS3231持續(xù)監(jiān)視信號線以檢測上升沿。一旦檢測到按鈕釋放，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，并強(qiáng)制拉低RST引腳。當(dāng)VCC返回至超過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tREC，RST立刻變?yōu)楦唠娖健?/p>

6. DS3231的鬧鐘和報(bào)警功能

DS3231包含2個(gè)定時(shí)／日期鬧鐘。鬧鐘1可通過寫入寄存器07h～0Ah設(shè)定。鬧鐘2可通過寫入寄存器0Bh～0Dh設(shè)定。可對鬧鐘進(jìn)行編程（通過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。RTC在時(shí)間和日期寄存器每秒更新時(shí)都會(huì)檢測匹配情況。

7. DS3231的 I2C 總線時(shí)序，數(shù)據(jù)交換及其格式及編程注意事項(xiàng)

DS3231在I2C總線上作為從器件。通過執(zhí)行START命令并且在驗(yàn)證器件地址后才可以訪問。然后寄存器可以被訪問直到執(zhí)行一個(gè)STOP命令為止。

所有在I2C總線上傳輸?shù)牡刂钒L度均為9位，它包括7個(gè)地址位，1個(gè)R／W控制位和1個(gè)應(yīng)答位ACK，如果R／W為1，則執(zhí)行讀操作；如果R／W為0，則執(zhí)行寫操作。從機(jī)尋址后，必須在第9個(gè)SCL（ACK）周期通過拉低SDA做出應(yīng)答，若從機(jī)忙或者無法響應(yīng)主機(jī)，則應(yīng)在ACK周期內(nèi)保持SDA為高。然后主機(jī)發(fā)出STOP狀態(tài)或者REP START狀態(tài)重新開始發(fā)送。地址包包括從機(jī)地址和稱為SLA+R或者SLA+W的READ或者WRITE位。地址字節(jié)的MSB首先被發(fā)送。所有1111xxxx的地址均保留。以便將來使用。

所有在I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)包長度均為9位，它包括8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)應(yīng)答位。在數(shù)據(jù)傳送中，主機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘及START與STOP狀態(tài)，而接收器響應(yīng)接收。應(yīng)答是由ACK在第9個(gè)SCL周期拉低SDA實(shí)現(xiàn)的。如果接收器拉高SDA，則發(fā)送NACK信號。如果接收器由于某種原因不能接收更多數(shù)據(jù)，應(yīng)在最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后發(fā)出NACK信號告訴發(fā)送器停止發(fā)送，首先發(fā)送數(shù)據(jù)的MSB。

下圖為DS3231與MCUI2C總線數(shù)據(jù)交換時(shí)序：

DS3231通過雙向數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從其時(shí)序關(guān)系可看出，DS3231有兩種操作方式：

寫操作：把SDA數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)按RAM指定的首地址（Word Address）依次寫入N個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。主器件首先傳輸從器件的地址字節(jié)，緊跟著是一系列數(shù)據(jù)字節(jié)。從器件每收到一個(gè)字節(jié)后返回一個(gè)應(yīng)答位ACK。其格式下圖所示。

上述讀寫操作信號中：S為起始信號（START），1101 000為DS3231的口地址，A為應(yīng)答信號ACK，A為非應(yīng)答信號NACK，P為停止信號（STOP）。主器件產(chǎn)生所有的串行時(shí)鐘和START、STOP條件，通過傳輸STOP和重發(fā)START條件使其停止。

DS3231與AT89C2051單片機(jī)的接口電路

其實(shí)，可以使用AT89C2051單片機(jī)的任何兩個(gè)I/O口與DS3231相連接，復(fù)位部分也可取消。編程時(shí)需認(rèn)真分析DS3231的時(shí)序，哪怕一個(gè)應(yīng)答位的編程時(shí)序錯(cuò)誤，也不能正確讀寫DS3231。同時(shí)需注意，因?yàn)镃51單片機(jī)的特點(diǎn)，在將SDA拉低后（此時(shí)為輸出口），如果下一步是當(dāng)做輸入口，結(jié)束任務(wù)后應(yīng)將此端口拉高，否則DS3231的輸出不能使該輸出口置1。