ATmega8單片機(jī)與時鐘器件DS3231的接口設(shè)計(jì)

介紹了美國Dallas公司推出的低功耗時鐘器件DS3231的結(jié)構(gòu)和工作原理，DS3231能對年、月、日、時、分、秒計(jì)時，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)成的測控系統(tǒng)或智能顯示屏經(jīng)常需要用到實(shí)時日歷或時鐘信號。為節(jié)省CPU資源，本文節(jié)紹了串行時鐘器件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個模塊，劃分為4個功能組：TCXO、電源控制、按鈕復(fù)位和RTC。

DS3231是低成本、高精度I2C實(shí)時時鐘（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，斷開主電源時仍可保持精確計(jì)時。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、星期、日期、月、年和鬧鐘設(shè)置等信息。少于31天的月份，可自動調(diào)整月末日期，包括閏年補(bǔ)償。DS3231提供兩個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I2C雙向串行總線傳輸。

時鐘和日歷 RTC

可以通過讀取適當(dāng)?shù)募拇嫫髯止?jié)獲得時鐘和日歷信息。通過寫入適當(dāng)?shù)募拇嫫髯止?jié)設(shè)定或者初始化時鐘和日歷數(shù)據(jù)。時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小時或者24小時模式。小時寄存器的第6位定義為12或24小時模式選擇位。該位為高時，選擇12小時模式。在12小時模式下，第5位為AM/PM指示位，邏輯高時為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的溫度轉(zhuǎn)換完成時，才加載包括AGE寄存器變化的新值。VCC初次上電時就會讀取溫度值，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，DS3231由VCC供電，當(dāng)VCC低于VPF但高于VBAT時，DS3231由VCC供電；當(dāng)VCC低于VPF并低于VBAT時，DS3231由VBAT供電。為保護(hù)電池，VBAT首次加到器件時振蕩器并不啟動，除非加載VCC，或者向器件寫入一個有效的I2C地址。典型的振蕩器啟動時間在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。

按鈕復(fù)位

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，會持續(xù)監(jiān)視RST信號的下降沿。如果檢測到一個邊沿轉(zhuǎn)換，DS3231通過拉低RST完成開關(guān)去抖。內(nèi)部定時器定時結(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，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。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，振蕩器不工作，將跳過tREC，RST立刻變?yōu)楦唠娖健?/p>

鬧鐘

DS3231包含2個定時／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?？蓪︳[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。每個定時／日期鬧鐘寄存器的第7位是屏蔽位。當(dāng)每個鬧鐘的屏蔽位均為邏輯0時，只有當(dāng)計(jì)時寄存器中的值與存儲于定時／日期鬧鐘寄存器中的對應(yīng)值相匹配時才會告警。鬧鐘也可以編程為每秒、分、時、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，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，鬧鐘條件將會觸發(fā)INT／SQW信號。RTC在時間和日期寄存器每秒更新時都會檢測匹配情況。

2 DS3231的數(shù)據(jù)交換及其格式

DS3231通過I2C總線的雙向數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線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)通過執(zhí)行START命令并且在驗(yàn)證器件地址后才可以訪問DS3231，然后DS3231的寄存器可以被訪問直到執(zhí)行一個STOP命令為止。DS3231有兩種操作方式：寫操作和讀操作。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稱其為TWI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，相對軟件模擬I2C總線有更好的實(shí)時性和代碼效率，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AVR單片機(jī)ATmega8與實(shí)時鐘器件DS3231進(jìn)行初始化，給DS3231準(zhǔn)確的日期和時間。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TWI控制寄存器TWCR的操作可在總線上產(chǎn)生START和STOP信號。對TWI模塊的操作均為寄存器的讀寫操作，Avr-libc沒有提供專門的API。