AVR单片机与串行时钟器件DS3231的接口设计

2 DS3231的结构及工作原理

    DS3231是低成本、高精度I2C实时时钟(RTC)器件，具有集成的温度补偿晶体振荡器(TCXO)。该器件包含电池输入端，断开主电源时仍可保持精确计时。集成的晶体振荡器可提高器件的长期精确度。DS3231的寄存器能保存秒、分、时、星期、日期、月、年和闹钟设置等信息。少于31天的月份，可自动调整月末日期，包括闰年补偿。时钟的工作格式为24小时或带AM／PM指示的12小时格式。DS3231提供两个可编程日历闹钟和一路可编程方波输出。地址与数据通过I2C双向串行总线传输。

2.1 DS3231的组成及工作原理

    如图1所示，DS3231的主要组成部分有8个模块，划分为4个功能组：TCXO、电源控制、按钮复位和RTC。

2.1.1 32 kHz的TCXO

    TCXO包括温度传感器、振荡器和控制逻辑。控制器读取片上温度传感器输出，使用查表法确定所需的电容，加上AGE寄存器的老化修正。然后设置电容选择寄存器。仅在温度变化或者用户启动的温度转换完成时，才加载包括AGE寄存器变化的新值。VCC初次上电时就会读取温度值，然后每隔64 s读取一次。

2.1.2 电源控制

    电源控制功能由温度补偿电压基准(VPF)和监视VCC电平的比较器电路提供。当VCC高于VPF时，DS3231由VCC供电，当VCC低于VPF但高于VBAT时，DS3231由VCC供电；当VCC低于VPF并低于VBAT时，DS3231由VBAT供电。为保护电池，VBAT首次加到器件时振荡器并不启动，除非加载VCC，或者向器件写入一个有效的I2C地址。典型的振荡器启动时间在1 s以内。在VCC加电后或者有效的I2C地址写入后大约2 s，器件会测量一次温度，并使用计算的修正值校准振荡器。一旦振荡器运行，只要电源(VCC或者VBAT)有效就会一直保持工作状态。器件每隔64 s进行一次温度测量并校准振荡器频率。

2.1.3 按钮复位

    DS3231具有连接至RST输出引脚的按钮开关功能。若DS3231不在复位周期，会持续监视RST信号的下降沿。如果检测到一个边沿转换，DS3231通过拉低RST完成开关去抖。内部定时器定时结束后，DS3231继续监视RST信号。如果信号依旧保持低电平，DS3231持续监视信号线以检测上升沿。一旦检测到按钮释放，DS3231强制RST为低电平并保持tRST。RST还可用于指示电源故障报警情况。当VCC低于VPF时，产生内部电源故障报警信号，并强制拉低RST引脚。当VCC返回至超过VPF电平时。RST保持低电平大约250 ms(tREC)，使供电电源达到稳定。如果在VCC加载时，振荡器不工作，将跳过tREC，RST立刻变为高电平。

2.1.4 时钟和日历RTC

    可以通过读取适当的寄存器字节获得时钟和日历信息。通过写入适当的寄存器字节设定或者初始化时钟和日历数据。时钟和日历寄存器的内容采用二-十进制编码(BCD)格式。DS3231运行于12小时或者24小时模式。小时寄存器的第6位定义为12或24小时模式选择位。该位为高时，选择12小时模式。在12小时模式下，第5位为AM／PM指示位，逻辑高时为PM。

2.1.5 闹钟

    DS3231包含2个定时／日期闹钟。闹钟1可通过写入寄存器07h～0Ah设定。闹钟2可通过写入寄存器0Bh～0Dh设定。可对闹钟进行编程(通过控制寄存器的闹钟使能位和INTCN位)，从而在闹钟匹配条件下触发INT／SQW输出。每个定时／日期闹钟寄存器的第7位是屏蔽位。当每个闹钟的屏蔽位均为逻辑0时，只有当计时寄存器中的值与存储于定时／日期闹钟寄存器中的对应值相匹配时才会告警。闹钟也可以编程为每秒、分、时、星期或日期重复告警。当RTC寄存器值与闹钟寄存器的设定值相匹配时，相应的闹钟标志位A1F或A2F置为逻辑1。如果对应的闹钟中断使能位A1IE或A2IE也置为逻辑1，并且INTCN位置为逻辑1，闹钟条件将会触发INT／SQW信号。RTC在时间和日期寄存器每秒更新时都会检测匹配情况。

2.2 DS3231的内部寄存器及功能

    DS3231寄存器地址为00h～12h，分别用于存放秒、分、时、星期、日期及闹钟设置信息。在多字节访问期间，如果地址达到RAM空间的结尾12h处，将发生卷绕，此时定位到开始位置即00h单元。DS3231的时间和日历信息通过读取相应的寄存器来设置和初始化。辅助(用户)缓冲区用于防止内部寄存器更新时可能出现的错误。读取时间和日历寄存器时，用户缓冲区在任何START条件下或者寄存器指针返回到零时与内部寄存器同步。时间信息从这些辅助寄存器读取，此时时钟继续保持运行状态。这样在读操作期间发生主寄存器更新时可以避免重新读取寄存器。以控制寄存器(地址为0EH)为例，可以控制实时时钟、闹钟和方波输出。其各位定义如表1。

    BIT7位：使能振荡器(EOEC)。设定为逻辑0时，启动振荡器。如果设定为逻辑1，在DS3231电源切换至VBAT时，振荡器停止。初次上电时该位清零(逻辑0)。当DS3231由VCC供电时，振荡器与EOSC位的状态无关，始终保持工作状态。

    BIT6位：电池备份的方波使能(BBSOW)。当设定为逻辑1并且DS3231由VBAT引脚供电时，在没有加载VCC的情况下，该位使能方波输出。当BB-SQW设定为逻辑0时，若VCC降至低于电源故障门限值，则INT／SQW引脚变为高阻抗。初次上电时，该位清零(逻辑0)。

    BIT5位：转换温度(CONV)。该位置为1时，强制温度传感器将温度转换成数字，并执行TCXO算法更新振荡器的电容阵列。只在空闲期间有效。状态位BSY=1时，禁止设定转换温度位。用户在强制控制器开始新的TCXO操作之前。应检查状态位BSY。用户启动的温度转换不影响内部64 s更新周期。用户启动的温度转换在大约2 ms内不会影响BSY位。CONV位从写入开始直到转换完成一直保持为1，转换完后，CONV和BSY均变为0。在监视用户启动转换状态时，应使用CONV位。

    BIT4和BIT3位：频率选择(RS2和RS1)，初次上电时，BIT4和BIT3设置为逻辑1。方波使能时用于控制方波输出的频率。RS1、RS2的逻辑值与方波输出频率的关系如表2所列。

    BIT2位：中断控制(INTCN)。该位控制INT／SQW信号。INTCN置为0时，INT／SQW引脚输出方波；INTCN置为1时，若计时寄存器与任一个闹钟寄存器相匹配，则会触发INT／SQW信号(如果也使能闹钟的话)。匹配时相应的闹钟标志总是置位，而与INTCN位的状态无关。初次上电时，INTCN位置为逻辑1。

    BIT1位：闹钟2中断使能(A2IE)。该位置为逻辑1时，允许状态寄存器中的闹钟2标志位(A2F)触发INT／SQW信号(当INTCN=1时)。当A2IE位置为0或者INTCN置为0时，A2F位不启动中断信号。初次上电时，A2IE位清零(逻辑0)。

    BIT0位：闹钟1中断使能(A1IE)。该位置为逻辑1时，允许状态寄存器中的闹钟1标志位(A1F)触发INT／SQW信号(当INTCN=1时)。当A1IE位置为0或者INTCN置为0时，A1F位不启动INT／SQW信号。初次上电时，A1IE位清零(逻辑0)。

2.3 DS3231的数据交换及其格式

    DS3231在I2C总线上作为从器件。通过执行START命令并且在验证器件地址后才可以访问。然后寄存器可以被访问直到执行一个STOP命令为止。

    所有在I2C总线上传输的地址包长度均为9位，它包括7个地址位，1个R／W控制位和1个应答位ACK，如果R／W为1，则执行读操作；如果R／W为0，则执行写操作。从机寻址后，必须在第9个SCL(ACK)周期通过拉低SDA做出应答，若从机忙或者无法响应主机，则应在ACK周期内保持SDA为高。然后主机发出STOP状态或者REP START状态重新开始发送。地址包包括从机地址和称为SLA+R或者SLA+W的READ或者WRITE位。地址字节的MSB首先被发送。所有1111xxxx的地址均保留。以便将来使用。

    所有在I2C总线上传送的数据包长度均为9位，它包括8个数据位和1个应答位。在数据传送中，主机产生时钟及START与STOP状态，而接收器响应接收。应答是由ACK在第9个SCL周期拉低SDA实现的。如果接收器拉高SDA，则发送NACK信号。如果接收器由于某种原因不能接收更多数据，应在最后一个数据字节后发出NACK信号告诉发送器停止发送，首先发送数据的MSB。

    DS3231通过双向数据线SDA和时钟线SCL与外界进行数据交换，从其时序关系可看出，DS3231有两种操作方式：

    (1) 写操作：把SDA数据线上的数据按RAM指定的首地址(Word Address)依次写入N个字节数据。主器件首先传输从器件的地址字节，紧跟着是一系列数据字节。从器件每收到一个字节后返回一个应答位ACK。其格式如图2所示。

    (2) 读操作：按RAM指定的首地址依次读取N个字节数据，主器件首先传送从器件地址。从器件返回一个应答位。随后是从器件传输的一系列数据字节。主器件收到除最后一个字节外的所有字节后返回一个应答位。在收到最后一个字节后，返回一个“非应答位”NACK。其格式如图3所示。

    上述读写操作信号中：S为起始信号(START)，1101 000为DS1307的口地址，A为应答信号ACK，A为非应答信号NACK，P为停止信号(STOP)。主器件产生所有的串行时钟和START、STOP条件，通过传输STOP和重发START条件使其停止。

3 DS3231与AVR单片机的硬件接口

    ATmega系列单片机片内集成2线制串行接口模块。Atmel称其为TWI接口。事实上，TWI与Philips的I2C总线是一回事。AVR硬件实现的TWI接口是面向字节和基于中断的，相对软件模拟I2C总线有更好的实时性和代码效率，引脚输入部分还具有毛刺抑制单元，可去除高频干扰。图4是DS3231与AVR单片机ATmega8的硬件接口电路原理图。

4 DS3231与AVR单片机的软件接口

    软件设计中，首先要对AVR单片机ATMega8与实时钟器件DS3231进行初始化。给DS3231准确的日期和时间。不论主控模式还是被控模式，都应当将TWI控制寄存器TWCR的TWEN位置为1，从而使能TWI模块。TWEN位被置位后，I／O引脚 PC5和PC4转换成SCL和SDA，对TWI 控制寄存器TWCR的操作可在总线上产生START和STOP信号，从START到STOP认为是主控模式的行为。将TWI地址寄存器TWAR的第一位TWGCE置为有效，同时将TWI控制寄存器TWCR的TWEA(应答允许)位置1，TWI模块就可以在总线上对其寻址做出应答，并置状态字。对TWI模块的操作均为寄存器的读写操作，Avr-libc没有提供专门的API，可以利用基于US-ART的标准I／O实现对DS3231读写日历和时钟的操作。下面的程序是DS3231与AVR单片机接口部分代码：

5 结束语

    选用实时时钟器件DS3231和AVR单片机ATmega8设计了一个日历时钟系统，该系统体积小，通用性强。DS3231具有集成的温度补偿晶体振荡器(TCXO)，计时准确且不随季节的变化而产生误差。该系统适用于智能显示屏以及实时测控系统。