基于单片机的DS1302实时时钟实验 实时时钟芯片DS1302的工作原理

概述

在许多系统当中都需要精确的时钟功能，因此时钟芯片孕育而生。其中美国达拉斯 DALLAS 公司设计的 DS1302 是一款非常流行的数字时钟芯片。DS1302 是一款具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片。它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，并且具有闰年功能。年计数可达到 2100 年。

15.1 DS1302 功能简介

DS1302 内部包含 31 字节的通用 RAM，实现设置备用电池功能。采用 3 线制的串行数据通信接口，并且适用于大多数的微处理器。工作电压范围达到 2~5V，与 5VTTL 电平完全兼容。支持单字节或多字节时钟、RAM 数据读、写操作。当工作电压为 2V 时，工作电流低至 320nA。工业级 DS1302 正常工作温度范围为：-40℃ ~85℃，芯片包括直插和贴片两种封装模式，封装示意图如下所示：

DS1302 典型通信电路如下图所示：

如上图所示，只需 3 根线 CE、I/O、SCLK 便可实现处理器与 DS1302 之间通信，上图中 X1，X2 之间为外接时钟晶振，VCC2 为电源供电端，VCC1 为备用电池端。各管脚定义及功能如下所示：

15.2 单字节操作模式

与 DS1302 进行数据通信时，首先得向 DS1302 传输一个字节的控制指令，控制指令位定义如下所示。

字节的最高位 bit7 必须为 1，否则无法向 DS1302 写入数据。Bit6 为 1 时，表示后续对 31 字节的 RAM 进行读写操作，为 0 时，表示后续将对时钟寄存器进行读写操作。Bit5~bit1 为后续操作的时钟寄存器或 RAM 的地址。最低位 bit0 为 1 时，表示读取 DS1302 的数据，为 0 时，表示向 DS1302 写入数据。对 DS1302 进行单字节模式的读、写操作时序如下图所示。

单字节写操作（Single-Byte Write）时序为首先向 DS1302 写入控制指令，紧接着写入一个字节的数据。写入的顺序为低位在前，高位在后的传输方式，要求在时钟上升沿准备好数据。单字节读操作（Single-Byte Read）时序为首先向 DS1302 写入控制指令，紧接着 SCLK 的的下降沿 DS1302 有数据 D0 输出，因此在接下来的上升沿前读取稳定的 D0 值，依次类推至 D7。根据上图时序要求，往 DS1302 写入一个字节和读取一个字节的函数如下所示：

//写字节
void WrByte_1302(uchar dat)
{
	uchar j;
	bit flag;

	for(j=1;j<=8;j++)
 	{	//从低到高依次将1Byte数据写入DS1302
		flag = dat&0x01;

		IO_1302 = flag;//将要写的位放到总线
		SCLK_1302 = 0;
		SCLK_1302 = 1;//产生一个上升沿，完成1位数据写入

		dat=dat >>1;//将数据移到下一位
	}	
}
//读字节
uchar RdByte_1302(void)
{
	uchar dat,flag,j;
	for(j=1;j<=8;j++)
	{		
		SCLK_1302 = 1;//产生一个下降沿
		SCLK_1302 = 0;

		flag = IO_1302;//读取DS1302发出的一位数据
		dat=(dat >>1)|(flag< < 7);//读出的值最低位在前面
	}
	return dat;	
}

如上所示，写字节函数 WrByte_1302()中，要求单片机在时钟 SCLK_1302 上升沿前将数据放到数据总线 IO_1302 上，然后产生一个 SCLK_1302 上升，完成一 bit 数据的写入，同时要求 1Byte 的数据低位在前，高位在后依次发送。读字节函数 RdByte_1302()中，要求在时钟 SCLK_1302 下降沿之后，将总线 IO_1302 数据读出，同时要求 1Byte 的数据低位在前，高位在后依次读取。

在上述函数的基础上，单字节操作模式的读、写函数如下所示：

//单字节写模式
void WrSingle_1302(uchar addr,uchar dat)
{
	CE_1302 = 1;//拉高片选
	WrByte_1302(addr);//写入地址及控制指令
	WrByte_1302(dat);//写入数据
	CE_1302 = 0;//拉低片选
	SCLK_1302 = 0;//释放始终总线，满足下次操作时序要求(非常重要)

}
//单字节读模式
uchar RdSingle_1302(uchar addr)
{
	uchar dat;

	CE_1302 = 1;//拉高片选
	WrByte_1302(addr);//写入地址及控制指令
	dat = RdByte_1302();//读取一个字节数据
 	CE_1302 = 0;//拉低片选

	return dat;
}

我们这里重点讲述 DS1302 的时钟功能，因此与涓流充电有关的 31 字节 RAM 操作这里不做详细的介绍。与实时时钟有关的寄存器如图所示。

与时钟有关的寄存器总共有 9 个如上图所示，前 7 个分别为：秒、分、时、日、月、星期、年，均为 8 位寄存器。以秒寄存器为例介绍时间的表示法，其中 bit6-bit4 为秒的十位，bit3-bit0 为秒的个位。59 秒时，bit6-bit4=“101”，bit3-bit0=“1001”，其它依此类推。另外，设置“时”寄存器的 bit7 可以设置为 12 小时或 24 小时制。上述寄存器的读写控制指令字节分别如图左侧两列所示。

秒寄存器的 CH(bit7)定义为时钟运行标志位，当该位被设置成 1 时，时钟计时停止，并且 DS1302 进入低功耗模式。当设置为 0 时，启动计时。上电初始状态时，该位状态不定，因此在时钟初始化时确保该位被清 0，保证后续时钟芯片正常运行。

第 8 个寄存器为控制寄存器，WP（bit7）为写保护位，当设置为 1 时，无法向 DS1302 写入数据，上电时该位状态不定，因此，需要对 DS1302 其它寄存器进行写操作之前，务必先将 WP 设置为 0。第 9 个寄存器不影响实现时钟功能，暂不做介绍。

因此，在 DS 1302 应用时要对它进行初始化，首先解除写保护，然后将与时间有关的 7 个寄存器赋初值，将初始化的内容放到函数 Init_1302(Uchar *SetTime)中。另外，我们将从 DS1302 读取 7 个时间值的操作放到函数 GetTime(*CurrentTime)中，如下代码所示。

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

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

	WrSingle_1302(0x8E,0x00);//解除写保护（WP=0）
	
	for(j=0;j<=6;j++)
	{
		WrSingle_1302(0x80+2*j,SetTime[j]);//写入7个时钟数据
	}
	//WrBurst_1302(SetTime);//当采用Burst模式时，使用此语句替代上面for循环语句
}
//获取当前时间值
void GetTime(uchar *CurrentTime)
{
	  uchar j;

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

	for(j=0;j<=6;j++)
	{
		 *CurrentTime = RdSingle_1302(0x81+2*j);//读取7个时钟数据
		 CurrentTime++;
	}
	
	//RdBurst_1302(CurrentTime); //当采用Burst模式时，使用此语句替代上面for循环语句
}

到目前为止，我们已经学习了时钟芯片 DS1302 的功能介绍，以及初始化和时钟获取函数的编写，RY-51 单片机开发板上 DS1302 电路原理图如下所示，三根通信线分别接 4.7K 上拉电阻，分别与单片机的 I/O 口相连接。

按照惯例我们将和 DS1302 有关的函数打包放入"Drive_DS1302.h","Drive_DS1302.c"中，方便后续调用及移植。"Drive_DS1302.h"代码如下：

#ifndef __DS1302_H__
#define __DS1302_H__

//1302初始化
extern void Init_1302(unsigned char *SetTime);
//获取时间
extern void GetTime(unsigned char *CurrentTime);
//单字节模式写
void WrSingle_1302(unsigned char addr,unsigned char dat);
//单字节模式读		  
unsigned char RdSingle_1302(unsigned char addr);
//突发模式写
void WrBurst_1302(unsigned char *SetTime);
//突发模式读
void RdBurst_1302(unsigned char *CurrentTime);

#endif

"Drive_DS1302.c"代码如下：

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

#define uchar unsigned char
#define  uint unsigned int

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

//写字节
void WrByte_1302(uchar dat)
{
	uchar j;
	bit flag;

	for(j=1;j<=8;j++)
 	{	//从低到高依次将1Byte数据写入DS1302
		flag = dat&0x01;

		IO_1302 = flag;//将要写的位放到总线
		SCLK_1302 = 0;
		SCLK_1302 = 1;//产生一个上升沿，完成1位数据写入

		dat=dat >>1;//将数据移到下一位
	}	
}
//读字节
uchar RdByte_1302(void)
{
	uchar dat,flag,j;
	for(j=1;j<=8;j++)
	{		
		SCLK_1302 = 1;//产生一个下降沿
		SCLK_1302 = 0;

		flag = IO_1302;//读取DS1302发出的一位数据
		dat=(dat >>1)|(flag< < 7);//读出的值最低位在前面
	}
	return dat;	
}
//单字节写模式
void WrSingle_1302(uchar addr,uchar dat)
{
	CE_1302 = 1;//拉高片选
	WrByte_1302(addr);//写入地址及控制指令
	WrByte_1302(dat);//写入数据
	CE_1302 = 0;//拉低片选
	SCLK_1302 = 0;//释放始终总线，满足下次操作时序要求(非常重要)

}
//单字节读模式
uchar RdSingle_1302(uchar addr)
{
	uchar dat;

	CE_1302 = 1;//拉高片选
	WrByte_1302(addr);//写入地址及控制指令
	dat = RdByte_1302();//读取一个字节数据
 	CE_1302 = 0;//拉低片选

	return dat;
}
//突发写模式
void WrBurst_1302(uchar *SetTime)
{
	uchar j;

	CE_1302 = 1;//拉高片选
	WrByte_1302(0xBE);//Burst模式写专用指令
	for(j=0;j<=6;j++)
	{
		WrByte_1302(SetTime[j]);//写入7位时钟数据
	}
	CE_1302 = 0;//拉低片选	
}
//突发读模式
void RdBurst_1302(uchar *CurrentTime)
{
	uchar j;

	CE_1302 = 1;//拉高片选
	WrByte_1302(0xBF);//Burst模式读专用指令
	for(j=0;j<=6;j++)
	{
		*CurrentTime = RdByte_1302();//读取一个字节数据;
		CurrentTime++;
	}
	CE_1302 = 0;//拉低片选	
}
//1302初始化
void Init_1302(uchar *SetTime)
{
	  uchar j;

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

	WrSingle_1302(0x8E,0x00);//解除写保护（WP=0）
	
	for(j=0;j<=6;j++)
	{
		WrSingle_1302(0x80+2*j,SetTime[j]);//写入7个时钟数据
	}
	//WrBurst_1302(SetTime);//当采用Burst模式时，使用此语句替代上面for循环语句
}
//获取当前时间值
void GetTime(uchar *CurrentTime)
{
	  uchar j;

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

	for(j=0;j<=6;j++)
	{
		 *CurrentTime = RdSingle_1302(0x81+2*j);//读取7个时钟数据
		 CurrentTime++;
	}
	
	//RdBurst_1302(CurrentTime); //当采用Burst模式时，使用此语句替代上面for循环语句
}

下面我们利用上面编写的函数以及学习的单片机的知识，开始编写一个小的时钟显示综合应用程序。程序的功能为：上电时由单片机对 DS1302 进行初始化，设置时间为 2017 年、星期日、12 月 31 日、23 时 58 分 56 秒，初始化完成后，每隔 500ms 获取 DS1302 的时间，并将时间显示到 1602 液晶显示器上，主函数程序如下所示：

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

#define uchar unsigned char
#define  uint unsigned int

#define FOSC 11059200 //单片机晶振频率
#define T_1ms (65536 - FOSC/12/1000)  //定时器初始值计算

sbit DU = P2^7;//数码管段选、位选引脚定义
sbit WE = P2^6;
sbit DU_L = P2^3;
	
uchar T_flag  = 0;//定时500ms标志位
uchar str[23]=0;  //字符临时存储变量
unsigned char code SetTime[7]={//2017年,星期日，12月31日,23时58分56秒，时间初始值
	 			0x56,0x58,0x23,0x31,0x12,0x07,0x17};
uchar CurrentTime[7]={0};//存储时间变量

void main()
{
 	Init_1602();//1602初始

	P0 = 0xff;//关闭所有数码管
	WE = 1;
	WE = 0;
	DU_L = 0;

	TMOD = 0x01;	 //定时器工作模式配置
	TL0  = T_1ms;	//装载初始值
	TH0  = T_1ms >>8;
	TR0  = 1;		 //启动定时器
	ET0  = 1;		 //允许定时器中断
	EA   = 1;		 //开总中断


	Init_1302(SetTime);//1302初始化

	while(1)
	{
		if(T_flag)//500ms定时
		{
			T_flag = 0;
			GetTime(CurrentTime);//获取时间

			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';	 //时
		   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);	//将获得的时间分别显示到1602的第一二行
			Disp_1602_str(2,3,str+11);	
		}
	}
}

//定时器0中断子程序,定时1ms
void timer0() interrupt 1
{
	static uint T_500ms = 0;

	TL0 = T_1ms;//重装初始值
	TH0 = T_1ms >>8;	

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

将程序下查看结果是否与预想的一致吧。

15.3 突发操作模式

上面我们讲解的是以单字节的模式，从 1302 中连续读取时间数据。仔细的同学可能会发现一个问题，就是我们连续读 7 个时间寄存器是有先后顺序的，会有读错数据的风险。例如我们要读的时间为 23 时 59 分 59 秒，最开始时我们把 59 秒读出来了，如果刚好在你读完的时候 59 秒变成了 00 秒，59 分变成了 00 分，23 时变成了 00 时，接下来把分、时依次读出来，因此我们读出来的时间为 00 时 00 分 59 秒，很显然这个时间是不对的。下面我们讲解的突发操作模式有效的解决了这个问题。

在突发操作读模式下，当 DS1302 收到突发读数据指令，DS1302 首先会把 8 个时间寄存器的数据同时读出存放在 8 个二级时间寄存器中，然后依次把 8 个二级时间寄存器的数据输出给单片机，突发读专用指令为 0xBF。同样，当我们需要写 DS1302 时，当收到突发写指令后，DS1302 将接收到的 8 个连续数据存储到 8 个二级时间寄存器中，然后同时将 8 个数据写到时间寄存器中，突发写专用指令为 0xBE。根据上述原理，编写突发写模式和突发读模式函数如下代码所示。

//突发写模式
void WrBurst_1302(uchar *SetTime)
{
	uchar j;

	CE_1302 = 1;//拉高片选
	WrByte_1302(0xBE);//Burst模式写专用指令
	for(j=0;j<=6;j++)
	{
		WrByte_1302(SetTime[j]);//写入7位时钟数据
	}
	CE_1302 = 0;//拉低片选	
}
//突发读模式
void RdBurst_1302(uchar *CurrentTime)
{
	uchar j;

	CE_1302 = 1;//拉高片选
	WrByte_1302(0xBF);//Burst模式读专用指令
	for(j=0;j<=6;j++)
	{
		*CurrentTime = RdByte_1302();//读取一个字节数据;
		CurrentTime++;
	}
	CE_1302 = 0;//拉低片选	
}

如上图所示，首先为向 DS1302 写入突发读或者写指令，然后紧接着是读取或写入 7 个时间数据。前面讲解的都是 8 个连续的数据，我们这里写 7 个的原因是，时间显示这 7 个就足够了。上述完整代码详见完整代码"Drive_DS1302.h"、"Drive_DS1302.c"中。

突发模式的应用与单字节模式类似，只需将如下代码中的for循环语句替换成“RdBurst_1302(CurrentTime)”即可。

//获取当前时间值
void GetTime(uchar *CurrentTime)
{
	  uchar j;

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

	for(j=0;j<=6;j++)
	{
		 *CurrentTime = RdSingle_1302(0x81+2*j);//读取7个时钟数据
		 CurrentTime++;
	}
	
	//RdBurst_1302(CurrentTime); //当采用Burst模式时，使用此语句替代上面for循环语句
}

15.4 本章小结

本章详细介绍了实时时钟芯片DS1302的工作原理，驱动程序的编写，以及DS1302的简单应用。