基于SD2001E時(shí)鐘芯片的工作原理及性能特性分析

實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路在以單片機(jī)為核心構(gòu)成的智能儀器儀表、測(cè)控系統(tǒng)、工業(yè)控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但現(xiàn)有的時(shí)鐘電路存在著外圍電路（如需外接晶振、電池）和接口電路（并行接口）復(fù)雜、功能單一等缺點(diǎn)。SD2001E則是在內(nèi)部集成了實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、串行非易失性SRAM、可充電電池、晶振及電池管理電路的新型實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。該芯片與單片機(jī)的接口電路采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I2C總線，從而簡(jiǎn)化了接口電路設(shè)計(jì)。利用該芯片無(wú)需擴(kuò)展任何外圍元件，即可構(gòu)成一個(gè)高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘及具有256Kb非易失性SRAM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路。

1 主要特性及引腳說(shuō)明

SD2001E時(shí)鐘芯片的主要特性如下：

*年、月、日、星期、時(shí)、分、秒的BCD碼輸入/輸出；

*I2C總線接口（包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘部分和SRAM部分）；

*自動(dòng)日歷到2099年（包括閏年自動(dòng)換算功能）；

*內(nèi)置晶振，出廠前已對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，保證精度為±4×10 -6，即時(shí)鐘年誤差小于2min；

*低功耗，典型值為1.0μA（VDD=3.5V）；

*工作電壓為3.0～5.5V（其中NVRAM在 4.5～5.5V工作）；

*可設(shè)置的兩路鬧鐘輸出及32 768Hz～1Hz的方波信號(hào)輸出；

*可設(shè)置的每分鐘固定中斷輸出或選定頻率固定中斷輸出；

*內(nèi)置充電電路和充電電池，充滿一次可保持內(nèi)部時(shí)鐘走時(shí)時(shí)間超過(guò)1年以上，可滿充電次數(shù)達(dá)200次；

*內(nèi)置電源管理電路，當(dāng)VDD≥3.0V，內(nèi)部電池不耗電；

*內(nèi)置穩(wěn)定電路及電池掉電檢測(cè)電路；

*內(nèi)置256Kb的非易失性SRAM，其擦寫(xiě)次數(shù)為100 億次，且沒(méi)有內(nèi)部寫(xiě)延時(shí)。

SD2001E采用24腳DIP封裝形式。各引腳的功能如表1所列，其外形及引腳排列如圖1所示。

表1 SD2001E引腳說(shuō)明

2 工作原理

SD2001E內(nèi)部包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘與NVRAM兩部分，內(nèi)部原理框圖如圖2所示。

2.1 實(shí)時(shí)時(shí)鐘

SD2001E實(shí)時(shí)時(shí)鐘是基于I2C總線的器件，故對(duì)該器件的操作必須嚴(yán)格遵守總線時(shí)序。當(dāng)CPU發(fā)出起始條件，建立與實(shí)時(shí)時(shí)鐘連接后，CPU通過(guò)SDA總線連續(xù)輸出4位器件地址、3位操作指令和1位讀/寫(xiě)指令，其格式如下：

實(shí)時(shí)時(shí)鐘器件的地址固定為“0110”，接下來(lái)的3位操作指令構(gòu)成了對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘部分的8條操作指令，具體指令含義如表2所列。

表2 SD2001E實(shí)時(shí)時(shí)鐘指令表

CPU通過(guò)發(fā)送不同操作指令，選擇相應(yīng)的寄存器從而完成相應(yīng)的操作功能。SD2001E實(shí)時(shí)時(shí)鐘部分共包括4個(gè)寄存器，分別分別如下：

（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)寄存器

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)寄存器是一個(gè)56位的存儲(chǔ)器。它以BCD碼方式存儲(chǔ)，包括年、月、日、星期、時(shí)、分、秒的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式如圖3所示。任何讀/寫(xiě)操作或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)存取命令都通過(guò)發(fā)送或接收年數(shù)據(jù)的第一位“LBS”執(zhí)行的。

*年數(shù)據(jù)（00～99）：設(shè)置最后兩位數(shù)字（00～99），通過(guò)自動(dòng)日歷功能計(jì)至2099年。

*月數(shù)據(jù)（01～12）：每月包含天數(shù)通過(guò)自動(dòng)日歷功能來(lái)更改。1、3、5、7、8、10、12為1～31；4、6、9、11為1～30；2（閏年）為1～29；2（普通）為1～28。

*天數(shù)（01～31）。

*星期數(shù)據(jù)（00～06）：七進(jìn)制計(jì)數(shù)器，對(duì)應(yīng)于星期內(nèi)每一天來(lái)設(shè)置。

*小時(shí)數(shù)據(jù)（00～23或00～11）：12小時(shí)進(jìn)制，0 為AM，1為PM；對(duì)于24小時(shí)進(jìn)制，這一位沒(méi)有意義，但必須設(shè)置為“0”或“1”。

*分?jǐn)?shù)據(jù)（00～59）。

*秒數(shù)據(jù)（00～59）與測(cè)試標(biāo)志。

*TEST：在測(cè)試模式變?yōu)椤?”。

（2）狀態(tài)寄存器

狀態(tài)寄存器是一個(gè)8位寄存器。該寄存器用來(lái)顯示和設(shè)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘的工作模式，狀態(tài)寄存器格式如下。

Power：電源標(biāo)志位，為只讀位。

12/24：設(shè)置12小時(shí)制或24小時(shí)制：0為12小時(shí)制；1為24小時(shí)制。

INT1AE：設(shè)置從INT1腳輸出的報(bào)警中斷的狀態(tài)。設(shè)定報(bào)警時(shí)間并設(shè)此位為“1”時(shí)INT1寄存器開(kāi)始有效，0：報(bào)警中斷輸出禁止；1：報(bào)警中斷輸出允許。

INT1ME：確定INT1腳的輸出為每分鐘邊沿中斷或每分鐘固定中斷。為了設(shè)為每分鐘固定中斷輸出，應(yīng)將INT1ME和INT1FE置1。0：報(bào)警中斷或可選的頻率的固定中斷輸出；1：每分鐘邊沿中斷或每分鐘固定中斷輸出。

INT1FE：設(shè)定INT1腳的輸出為每分鐘固定中斷（周期1分鐘，占空比50%）或選定頻率的固定中斷。如果選定頻率固定中斷輸出被允許時(shí)，INT1寄存器被認(rèn)為是頻率/事件的數(shù)據(jù)，0：報(bào)警中斷或每分鐘邊沿中斷輸出；1：每分鐘固定中斷輸出或選定頻率固定中斷輸出。

INT2AE、INT2ME、INT2FE位用于設(shè)置從 INT2腳輸出的報(bào)警中斷的狀態(tài)，各位含義同上。

（3）兩組報(bào)警時(shí)間/頻率事件設(shè)置寄存器

有兩組16位報(bào)警時(shí)間/頻率事件設(shè)置寄存器，用于設(shè)置報(bào)警時(shí)間或頻率事件，由INTxAE與INTxFE控制。設(shè)定的AM/PM標(biāo)志位必須同12小時(shí)制或24小時(shí)制相對(duì)應(yīng)，否則，設(shè)定的小時(shí)數(shù)將與報(bào)警數(shù)據(jù)不匹配。該寄存器為只寫(xiě)寄存器（x:1或2）。

INTxAE=1時(shí)，INT1和INT2寄存器被認(rèn)為是報(bào)警時(shí)間數(shù)據(jù)，與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)寄存器中小時(shí)和分鐘寄存器設(shè)置相同。它們用BCD碼代表小時(shí)與分鐘。INT1寄存器內(nèi)容如圖4（a）所示。

INTxFE=1時(shí)，INT1與INT2寄存器被視為是頻率事件數(shù)據(jù)（f0～f15位對(duì)應(yīng)頻率為32 768～1Hz），對(duì)相應(yīng)位置“1”，則對(duì)應(yīng)頻率以“與”的方式輸出。INT1寄存器內(nèi)容如圖4（b）所示。

2.2 非易失數(shù)據(jù)寄存器

SD2001E內(nèi)部還具有256Kb的非易失性數(shù)據(jù)寄存器。該存儲(chǔ)器是一種性能優(yōu)良的可擦寫(xiě)100億次且無(wú)內(nèi)部寫(xiě)延時(shí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可用于保存系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)及采集的數(shù)據(jù)。

NVRAM的操作方式如下：首先，CPU發(fā)出開(kāi)始信號(hào)給 SD2001E，然后CPU發(fā)出包括4位控制代碼，1位讀/寫(xiě)指令的8位數(shù)據(jù)，即“從器件地址”，前4位稱為“SRAM器件代碼”，固定為“1010”。接下來(lái)的3位在這里固定為“000”，從器件地址的最低位為讀寫(xiě)控制位，該位為“1”表示對(duì)從器件進(jìn)行讀操作，為“0”表示對(duì)從器件進(jìn)行寫(xiě)操作，接下來(lái)就可對(duì)SD2001E進(jìn)行讀寫(xiě)操作。寫(xiě)操作可分為單字節(jié)寫(xiě)操作和連續(xù)寫(xiě)操作。讀操作有三種操作方式：立即地址讀操作、同地址讀操作、連續(xù)讀操作。其操作過(guò)程和操作時(shí)序與I2C總線SRAM的讀寫(xiě)操作相同，這里不再詳述。

3 SD2001E在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

SD2001E可廣泛應(yīng)用于智能儀器儀表系統(tǒng)、水/電/氣表等IC卡應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、家用電器等嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。利用SD2001E可為系統(tǒng)提供以下功能。

（1）實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷

SD2001E可為系統(tǒng)提供高精度的時(shí)鐘及日歷功能，以滿足具有定時(shí)數(shù)據(jù)采集、輸出控制、數(shù)據(jù)保存及定時(shí)報(bào)警等功能的嵌入式系統(tǒng)需要，同時(shí)也可為系統(tǒng)提供時(shí)間及日期顯示功能。

（2）數(shù)據(jù)保存

嵌入式系統(tǒng)一般均需要涉及到系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)及采集數(shù)據(jù)保存的問(wèn)題。通常的做法是，通過(guò)擴(kuò)展1片E2PROM芯片來(lái)保存設(shè)置參數(shù)及采集的數(shù)據(jù)，但E2PROM存在擦寫(xiě)壽命有限及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性不高等問(wèn)題；而利用 SD2001E片內(nèi)32KB、擦寫(xiě)數(shù)為100億次的高性能NVRAM，則幾乎不用考慮存儲(chǔ)器的擦寫(xiě)壽命及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性問(wèn)題。因而，SD2001E為需頻繁讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域提供了很好的解決方案。

（3）頻率輸出

對(duì)于需要固定頻率輸出或需要以ms或s為單位的定時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域，可以通過(guò)設(shè)置頻率事件數(shù)據(jù)給INT1寄存器，并置INT1ME位為“0”和INT1FE位為“1”。此時(shí)，從INT1引腳將輸出頻率為32 768Hz～1Hz的固定頻率，利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器或中斷次數(shù)軟件計(jì)數(shù)的方法可得到以ms或s為單位的任意時(shí)間輸出。

（4）定時(shí)輸出

當(dāng)系統(tǒng)需要以分鐘為基本單位的定時(shí)輸出時(shí)（如采集周期固定的多路數(shù)據(jù)采集、巡回檢測(cè)系統(tǒng)等），可將SD2001E狀態(tài)寄存器的INT1ME位置為“1”，INT1FE位置為“0”，以選擇為每分鐘邊沿中斷輸出或?qū)NT1ME、INT1FE位同時(shí)置“1”選擇為每分鐘固定中斷輸出。通過(guò)單片機(jī)的計(jì)數(shù)器或中斷次數(shù)軟件計(jì)數(shù)的方法，可得到以min為單位的任意時(shí)間輸出。

（5）定時(shí)報(bào)警

對(duì)于具有定時(shí)報(bào)警輸出要求的系統(tǒng)，可通過(guò)SD2001E的 INT1寄存器來(lái)設(shè)置報(bào)警時(shí)間（小時(shí)和分鐘數(shù)據(jù)），并將狀態(tài)寄存器中的INT1AE位置為“1”、INT1ME位及INT1FE位置為“0”來(lái)實(shí)現(xiàn)。需要指出的是SD2001E定時(shí)報(bào)警中斷為每天一或二次。對(duì)于需要用到長(zhǎng)時(shí)間定時(shí)的報(bào)警系統(tǒng)，如每月或每年一次的報(bào)警系統(tǒng)，可通過(guò)軟件編程的方法設(shè)定報(bào)警中斷的時(shí)間。

4 具體應(yīng)用與軟件編程

下面以AT89C52單片機(jī)為例，給出SD2001E與單片機(jī)的典型接口電路。由于AT89C52單片機(jī)沒(méi)有I2C總線接口，故這里使用AT89C52的P3.3、P3.4口線，來(lái)模擬I2C總線，其中SDA與 P3.4相連，SCL與P3.3相連。SD2001E內(nèi)部SRAM的I2C總線接口SDAE與SDA并聯(lián)，SCLE與SCL并聯(lián)。此外，為了實(shí)現(xiàn)定時(shí)報(bào)警中斷輸出的功能，還將SD2001E INT1端與單片機(jī)的INT0外中斷端相連，具體的硬件連接電路如圖5所示。網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版給出與上述硬件電路對(duì)應(yīng)的子程序，包括SD2001E初始化子程序，實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)讀、寫(xiě)子程序與INT1中斷輸出子程序。程序采用模擬I2C總線軟件包編制。

由于SD2001E高精度時(shí)鐘日歷芯片將可充電池、晶振充電電路及256Kb的NVRAM集成在了一起，又采用了簡(jiǎn)單的I2C總線接口，因而該器件無(wú)需擴(kuò)展任何外圍元件就可構(gòu)成一個(gè)功能完善的時(shí)鐘日歷電路，同時(shí)又可為系統(tǒng)提供一個(gè)容量為32KB的高性能非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，故該器件是嵌入式系統(tǒng)時(shí)鐘電路的良好選擇。

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