前言
说起DS1302时钟芯片，多少有人曾被它弄伤心过。至少我是弄了好几次才成功读出数据的，因为它的操作时序问题，听说不是标准的SPI协议。这个只是听说，我一向使用模拟 SPI3 线协议和 DS1302 通信。注意：官方的数据手册上也没有提到其协议是否是 SPI。
今天下午在群里面和一网友讨论了很久关于 DS1302 的操作时序问题，还好，最终我们有了一致的观点。我还是写点文章来纪念一下这个曾经多次伤我心的“芯”吧。
下面的内容来自对官方文档的翻译与重点整理。重要的东西我会用红色标注。
特点
- 实时时钟，对年月日，时分秒，星期计数；闰年自己补偿（调整），有效计数到2100年；
- 31*8 位 RAM 高速数据存储器；
- 串行数据输入/输出，3线接口；
- 2.0-5.5V 全操作供电范围；
- 2.0V 时电流低于 300nA；
- 单字节/突发模式的 时钟/RAM 数据读写；
封装
引脚描述
| X1,X2 | 接标准的 32.768kHz 石英晶振 |
| GND | 接地 |
| /RST | 复位引脚，由于在读写操作期间要求为高电平，所以可以作片选来使用 |
| I/O | 3线通信接口的数据输入/输出（双向） |
| SCLK | 串行同步时钟输入 |
| Vcc1 | 提供电池备份电源 |
| Vcc2 | 主电源供应，可以用于给 Vcc1 充电 当 Vcc2 - Vcc1 > 0.2V 时由 Vcc2 供电 当 Vcc2 < Vcc1 时, 由Vcc1供电 |
芯片操作命令字
| BIT7 | 必须为1, 如果是0的话, 将不能写入到DS1302内部 |
| BIT6 | 表示接下来要操作的是时钟/日历数据(如果为0), 还是是RAM(如果为1) |
| BIT5~BIT1 | 指定待读写的寄存器或RAM地址(0~30) |
| BIT0 | 指定是读操作还是写操作, 如果是0则为写, 是1则为读 |
注意：命令字总是从最低位(LSB)开始输入DS1302。
复位和时钟控制
所有的数据传输操作都是是 /RST 为高的时候进行的。/RST 引脚服务于两种功能：
- /RST 打开芯片移位寄存器访问控制逻辑，就是片选；
- /RST 信号用于终止单字节或多字节的数据传输；
A clock cycle is a sequence of a falling edge followed by a rising edge. - 这句话是啥意思，不怎么明白，似懂非懂。
对于数据输入：数据必须在SCLK的上升沿保持有效。先写数据，然后一个SCLK从低到高的跳变。
对于数据输出：数据在SCLK的下降沿从DS1302输出。先SCLK从高到低的跳变，然后取数据。
如果 /RST 是低的话，所有的数据传输被终止，并且此时IO口变为高阻状态。
在上电的时候，/RST 在 Vcc > 2.0V 之前必须保证为0 - 试问：怎么来设计这样的电路？我不怎么懂硬件。
SCLK 在 /RST 由0变为1的时候必须为0。
数据输入到 DS1302
在通过8个SCLK输入一个写命令字后, 在下8个上升沿数据被输入到DS1302 , 数据位从LSB开始 注:先在IO上放置数据, 然后产生一个上升沿. 多余的SCLK将被忽略~
单字节读写操作时序:
数据从 DS1302 输出
（图见上）
在通过8个SCLK输入一个写命令字后, 在下8个上升沿数据从DS1302输出 , 数据位从LSB开始
注意:第1个被输出的数据位是在写完命令字的最后一位的第1个下降沿被输出
多余的SCLK的效果是重复发送数据, 不产生其它影响~
突发模式(多字节操作)
多字节突发读取/写入可用于时钟, 同样可用于RAM的读取, 在命令控制中的位6中指示. 位5到位1==逻辑1.
时钟的9到31号寄存器没有数据存储能力, RAM的31号也没有(0-30).
突发模式从地址0的第0位开始数据传输.
在写时钟寄存器时(共8个), 必须按照寄存器的顺序依次写入.
在写RAM数据时,不需要同时写所有31个寄存器.
时钟/日历
如下图所示. 这些寄存器中的相关数据都是以BCD码的形式保存的.
寄存器说明:
| 秒寄存器 | 第7位为时钟停摆标志位; 10SEC和SEC分别代表秒的十位和个位. |
| 分寄存器 | 10MIN和MIN分别代表分的十位和个位. |
| 时寄存器 | 第7位为12/24小时时制选择位,见下面的描述. |
| 日寄存器 | 10DATE和DATE分别用来表示日的十位和个位. |
| 月寄存器 | 10M和MONTH分别用来表示月份的十位和个位. |
| 星期寄存器 | DAY用来表示星期 |
| 年寄存器 | 10YEAR表示年的十位,最大为99, 表示2099年; YEAR表示年份的个位. |
| 控制寄存器 | 见写保护位描述. |
| 涓流充电器寄存器 | 见涓流充电器描述. |
时钟停摆标志
秒寄存器的第7位被定义为时钟停摆标志.
当该位被置为1的时候, 时钟停摆, DS1302被置于低功耗模式, 当前电源损耗低于100nA.
当该位被写清除的时候, 时钟就开始摆动. 开始上电时该位未定义.
上午-下午/12-24小时制
时寄存器的第7位被定义为12小时/24小时选择位. 当该位为高, 选择12小时制.
在12小时制模式中, 第5位为AM/PM标志, 逻辑高表示PM.
在24小时制模式中, 第5位为第2个'10'小时位(仅该位时表示20-23小时, 懂了吧?).
写保护位
控制寄存器的第7位为写保护标志位. 第6到第0位被强制为0, 读的时候也是0. 上电初始化状态未定义.写之前记得去除写保护位.
涓流充电寄存器
TCS:涓流寄存器选择位, 必须为1010才能选通. 上电时被禁用.
DS:二极管选择位,第2,3位, 选择在Vcc2和Vcc1之间连接1个还是2个二极管. 1就是1个,2就是两个. 00或11无效.
RS:电阻选择位,第1,0位, 选择连接到Vcc1和Vcc2之间的电阻的大小. 如下表所示:
| RS Bits | Resistor | Typical Value |
|---|---|---|
| 00 | None | None |
| 01 | R1 | 2kΩ |
| 10 | R2 | 4kΩ |
| 11 | R3 | 8kΩ |
二极管和电阻的选择取决于用户当前需要的最大充电电流.
最大充电电流可以按照如下公式来计算, 假定Vcc2=5.0V,并且有一个super cap(超级电容)连接到Vcc1.,
涓流充电器被初始化为:1个二极管和R1选中:
Imax = (5.0V-diode drop) / R1
~= (5.0 - 0.7v) / 2kΩ
~= 2.2mA
时钟/日历 突发模式
该模式下, 时钟/日历寄存器的前8个可以被连续地读或写, 从地址0的第0位开始.
涓流寄存器无法在突发模式下访问.
在开始读之前,当前时间值被传送到第2套内部寄存器中.因此读到的数据被锁定了, 此时真正的时间寄存器仍然在走,以免在读完之前对新的时间造成干扰
RAM
静态RAM大小为31*8位, 可以连续寻址于RAM地址空间.
RAM突发模式
RAM命令字指定RAM突发模式.
在突发模式下, 31个字节的RAM寄存器可以被连续地读或写, 从0地址的第0位开始.
晶振选择
（略）
读写操作详细时序图
示例代码
代码是在 STM32f103C8T6 上面测试的, 运行效果很好~
#ifndef __DS1302_H__
#define __DS1302_H__
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
#define DS1302_BURST_MODE 1
#pragma pack(push,1)
typedef struct{
uint8_t second;
uint8_t minute;
uint8_t hour;
uint8_t day;
uint8_t month;
uint8_t week;
uint8_t year;
}DS1302;
#pragma pack(pop)
void ds1302_init(void);
void ds1302_time(DS1302* pds,uint8_t dowhat);
uint8_t ds1302_ram(uint8_t addr,uint8_t dowhat, uint8_t dat);
void ds1302_charger(uint8_t tcs,uint8_t ds, uint8_t rs);
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif//!__DS1302_H__
#include "stm32f10x.h"
#include "ds1302.h"
/*************************************************************************
文件名称:ds1302.c/ds1302.h
文件功能:DS1302时钟芯片模块操作代码
文件作者:女孩不哭
文件版本:
2013-04-06,18:08:00 for MSP430F149
2013-11-10,06:03:47 for STM32F103X
文件说明:
*. 概要:
*. 获取时间, 不支持单个寄存器的读取, 必须全部读走
*. 读写RAM, 0-30, 共31个字节, 只支持单字节读取
*. 模块的配置
*. 根据是否需要突发模式决定是否定义DS1302_BURST_MODE宏,在头文件中定义为好
*. 配置文件下面提到的 '端口配置'
*. 按需配置ds1302_init初始化函数
*. IO端口的配置:
很多的单片机的IO口在输入与输出时需要进行一些配置,请按需要配置spi3_io_switch函数
如果你的单片机是51, 则不需要配置; 是MSP430, STM32等就需要配置了,参见该函数的说明
*. 模块文件使用方法:
*. 按需调用 ds1302_init 初始化模块相关总线
*. 如需配置DS1302的时间,调用ds1302_time并将dowhat=1,结构体需完全初始化
*. 获取当前时间:调用ds1302_time,并将dowhat=0,结构体无需初始化
*. 关于DS1302结构体:
*. 该结构体按照芯片顺序分布成员变量,不能对该结构体作不相关的任何修改
*. 成员的值已经进行了相应的数据转换, 成员的值即为实际值, 即:
比如2013年, 则year成员的值为13D, 而不是0x13
比如25号, 则day的值为25D, 而不是0x25
*. 其它:
*. 不需要管写保护位, 程序已处理
*************************************************************************/
/*************************内部函数声明************************************/
uint8_t ds1302_read(uint8_t cmd);
void ds1302_write(uint8_t cmd,uint8_t dat);
uint8_t ds1302_base_conv(uint8_t dowhat,uint8_t dat);
void spi3_io_switch(int8_t in_out);
uint8_t spi3_recv_byte(void);
void spi3_send_byte(uint8_t dat);
/************************************************************************/
/***********************端口配置*********************************************/
#define DS1302_RST_H GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_0)
#define DS1302_RST_L GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_0)
#define DS1302_SCK_H GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_2)
#define DS1302_SCK_L GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_2)
#define DS1302_IOP_H GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_1)
#define DS1302_IOP_L GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_1)
#define DS1302_IOP GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD,GPIO_Pin_1)
/************************************************************************/
/**************************************************
函 数:ds1302_init
功 能:初始化DS1302的总线
参 数:
返 回:
说 明:
**************************************************/
void ds1302_init(void)
{
GPIO_InitTypeDef gpio;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOD,ENABLE);
gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2;
gpio.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOD,&gpio);
}
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#ifdef DS1302_BURST_MODE
/**************************************************
函 数:ds1302_time
功 能:突发方式多字节时间读取,快速
参 数:
pds-DS1302结构体
dowhat:0-读,1-写
返 回:
说 明:只支持24小时进制
**************************************************/
void ds1302_time(DS1302* pds,uint8_t dowhat)
{
uint8_t cx=7;
uint8_t* p = (uint8_t*)pds;
if(dowhat==0){//--------------------突发方式多字节读取
DS1302_RST_L;
DS1302_SCK_L;
DS1302_RST_H;
spi3_send_byte(0xBF); //突发读命令字
while(cx--){
*p++ = ds1302_base_conv(1,spi3_recv_byte()&0x7F);
}
DS1302_RST_L;
}else{//----------------------------突发方式多字节写入
ds1302_write(0x8E,0x00); //去写保护
DS1302_RST_L;
DS1302_SCK_L;
DS1302_SCK_H;
spi3_send_byte(0xBE); //突发方式多字节写入
while(cx--){
spi3_send_byte(ds1302_base_conv(0,*p++));
}
DS1302_RST_L;
ds1302_write(0x8E,0x80);
}
}
#else // ---- 非突发方式
/**************************************************
函 数:ds1302_time
功 能:非突发方式读取所有时间数据
参 数:
pds-时间结构体
dowhat-读还是写:0-读,1-写
返 回:
说 明:只针对24小时制作处理,未处理12小时制
**************************************************/
void ds1302_time(DS1302* pds,uint8_t dowhat)
{
uint8_t* p=(uint8_t*)pds;
uint8_t wp=0x8E;
uint8_t start_addr;
uint8_t cx=7;
if(dowhat == 0){//--------------------读时间
start_addr = 0x81;
while(cx--){
//由于&0x7F, 所以年份不能超过2079年
*p++ = ds1302_base_conv(1,ds1302_read(start_addr)&0x7F);
start_addr += 2;
}
}else{//-----------------------------写时间
start_addr=0x80;
ds1302_write(wp,0x00); //去写保护
while(cx--){
ds1302_write(start_addr,ds1302_base_conv(0,*p++));
start_addr += 2;
}
ds1302_write(wp,0x80);
}
}
#endif//DS1302_BURST_MODE
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
/**************************************************
函 数:ds1302_ram
功 能:读取/写入RAM的值
参 数:
addr:0-30的RAM地址
dowhat:0-读取,1-写入
dat:若是写入, 则为待写入的数据; 读取时无效
返 回:若为读取,返回读取到的数据; 写操作总是返回0xFF
说 明:
**************************************************/
uint8_t ds1302_ram(uint8_t addr,uint8_t dowhat, uint8_t dat)
{
uint8_t cmd = 0x80 + 0x40;
uint8_t wp = 0x8E;
cmd += (addr&0x1F)<<1;
if(dowhat == 0){//--------------读取RAM
cmd += 1;
return ds1302_read(cmd);
}else{//------------------------写入RAM
cmd += 0;
ds1302_write(wp,0x00);
ds1302_write(cmd,dat);
ds1302_write(wp,0x80);
return 0xFF;
}
}
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
/**************************************************
函 数:ds1302_charger
功 能:设置涓流充电器寄存器
参 数:
tcs - 固定为 0x0A
ds - 二极管的个数,0-2
rs - 电阻的个数,0-3
返 回:
说 明:
**************************************************/
void ds1302_charger(uint8_t tcs,uint8_t ds, uint8_t rs)
{
uint8_t wp = 0x8E;
uint8_t tc = 0x90;
uint8_t cmd = 0;
cmd = tcs<<4 | (ds&0x03)<<2 | (rs&0x03);
ds1302_write(wp,0x00);
ds1302_write(tc,cmd);
ds1302_write(wp,0x80);
}
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
/**************************************************
函 数:ds1302_read
功 能:读DS1302寄存器或RAM,通过spi3总线
参 数:cmd - 命令字
返 回:寄存器值或RAM数据
说 明:单字节读函数
**************************************************/
uint8_t ds1302_read(uint8_t cmd)
{
uint8_t dat;
DS1302_RST_L;
DS1302_SCK_L;
DS1302_RST_H;
spi3_send_byte(cmd);
dat=spi3_recv_byte();
DS1302_RST_L;
return dat;
}
/**************************************************
函 数:ds1302_write
功 能:写DS1302寄存器或RAM,通过spi3总线
参 数:
cmd - 命令字
dat - 数据
返 回:
说 明:
**************************************************/
void ds1302_write(uint8_t cmd,uint8_t dat)
{
DS1302_RST_L;
DS1302_SCK_L;
DS1302_RST_H;
spi3_send_byte(cmd);
spi3_send_byte(dat);
//DS1302_SCK_H;
DS1302_RST_L;
}
/**************************************************
函 数:ds1302_base_conv
功 能:用于BCD与DEC之间的相互转换
参 数:dowhat:0-DEC->BCD,1-BCD->DEC
返 回:
说 明:
**************************************************/
uint8_t ds1302_base_conv(uint8_t dowhat,uint8_t dat)
{
if(dowhat==1){//----------BCD->DEC
return ((dat>>4)*10)+(dat&0x0f);
}else{//----------------DEC->BCD
if(dat==0) return 0x00;
else return ((dat/10)<<4)+(dat%10);
}
}
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
/**************************************************
函 数:spi3_io_switch
功 能:切换端口的输入输出状态
参 数:in_out:0-输入,1-输出
返 回:
说 明:该函数按需配置,可能为空
**************************************************/
void spi3_io_switch(int8_t in_out)
{
GPIO_InitTypeDef gpio;
gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
gpio.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
if(in_out==0) gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
else gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_Init(GPIOD,&gpio);
}
/**************************************************
函 数:spi3_recv_byte
功 能:从3线spi总线读取1字节数据
参 数:
返 回:读取到的1字节数据
说 明:
**************************************************/
uint8_t spi3_recv_byte(void)
{
uint8_t cx=8;
uint8_t dat=0;
spi3_io_switch(0);
while(cx--){
DS1302_SCK_H;
DS1302_SCK_L;
dat>>=1;
if(DS1302_IOP) dat |= 0x80;
}
return dat;
}
/**************************************************
函 数:spi3_send_byte
功 能:向3线spi总线写入1字节数据
参 数:dat - 待写入的数据
返 回:
说 明:
**************************************************/
void spi3_send_byte(uint8_t dat)
{
uint8_t cx=8;
spi3_io_switch(1);
while(cx--){
if(dat&0x01) DS1302_IOP_H;
else DS1302_IOP_L;
DS1302_SCK_L;
DS1302_SCK_H;
dat >>= 1;
}
}
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#include "stm32f10x.h"
#include "ds1302.h"
#include <stdio.h>
int main(void)
{
DS1302 ds;
char buf[128];
ds1302_init();
ds.year = 13;
ds.month = 11;
ds.day = 10;
ds.hour = 4;
ds.minute = 46;
ds.second = 0;
ds.week = 7;
//ds1302_time(&ds,1);//是否需要初始化
while(1){
ds1302_time(&ds,0);
sprintf(buf,"%02d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d %d",
ds.year,ds.month,ds.day,
ds.hour,ds.minute,ds.second,
ds.week);
//buf里面包含时间字符串, 输出即可~
//some delay
}
}
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