基于DS3231的高精度時鐘接口設計

摘要：為避免電路系統(tǒng)在上電或斷電后出現(xiàn)計時不準確的異常狀況，提出采用高精度時鐘芯片DS3231的解決方案。介紹DS3231的特點、工作原理以及引腳功能，設計其與微控制器進行通信時的軟件、硬件接口，并給出相應的原理圖與流程圖，此方案對DS3231在一般的電路系統(tǒng)設計中具有通用性。由于DS3231是目前精度最高，并集成有溫補振蕩器和晶體的實時時鐘芯片，因此該方案對那些對計時精度要求極高的應用具有一定的借鑒意義。
關鍵詞：DS3231；I2C總線；實時時鐘；接口；通信

    隨著科技的迅猛發(fā)展，一些相應的精密儀器也隨之問世，這些儀器中通常都需要設置準確的時鐘，以保證時段的正確切換。DS323l是Maxim／Dallas公司生產的一款低成本、超高精度的I2C實時時鐘芯片，該器件不僅能夠在一定溫度范同內提供優(yōu)于±2 min／a的計時精度，而且省去制造過程中晶體安裝和布線校準工序。這里給出一種基于DS323l的高精度時鐘接口設計方案。

1 硬件設計
1．1 DS3231器件
    DS323l是低成本，高精度I2C實時時鐘(RTC)，具有集成的溫補晶體振蕩器(TCXO)和1個32．768 kHz的晶體。該晶體包含電池輸入端，斷開主電源仍可保持精確計時。集成晶體振蕩器可提高器件的長期精確度，并減少生產的元件數(shù)。DS3231提供商級和工業(yè)級溫度范圍，采用16引腳、300 mil的SO封裝。RTC保持秒、分、時、星期、日期、月和年信息。當遇到少于31天的月份，將自動調整月末日期，包括閏年補償。時鐘的工作格式可以是24小時或帶-AM／PM指示的12小時格式。提供2個可編程日歷鬧鐘和l路可編程方波輸出。地址與數(shù)據通過I2C雙向串行傳輸。通過精密的、經過溫度補償?shù)碾妷夯鶞屎捅容^器來監(jiān)視VCC狀態(tài)，檢測電源故障，提供復位輸出，并在必要時自動切換到備用電源。另外，監(jiān)視引腳可作為手動按鈕輸入。以產生外部復位信號。
    DS323l的引腳功能說明如下：32 kHz是32 kHz頻率輸出；VCC用于主電源的DC引腳；為低電平有效中斷或方波輸出：是低電平有效復位引腳；N．C．表示無連接，外部必須接地；GND為地；VBAT為備用電源輸入；SDA為串行數(shù)據輸入、輸出；SCL為串行時鐘輸入。
1．2硬件接口設計
    圖1為DS323l時鐘與微控制器連接的典型接口電路。

    微控制器通過I2C總線與DS3231連接，DS3231的與微控制器的相連。DS3231的VCC接系統(tǒng)電源VCC，VBAT為備用電池輸入，該引腳應連接一個低泄漏電容進行去耦。為低電平有效中斷或方波輸出，該漏極開路輸出要求外接上拉電阻，如果不使用，可保持開路。微控制器主要通過I2C總線向時鐘芯片DS323l寫時間信息，DS323l以寫入的時間信息為基準精確走時。上電后，微控制器從時鐘芯片讀取時間信息并存入內存供系統(tǒng)使用，器件每隔64 s測量一次溫度，通過調節(jié)晶體的負載電容，使其在指定溫度達到O ppm的精度，最終達到提高時鐘精度的目的。即使系統(tǒng)斷電一段時間后重新上電，時鐘芯片內的實時數(shù)據仍能被正確讀出。

2 軟件接口程序設計
    DS323l采用I2C總線與系統(tǒng)微控制器進行通信，I2C總線是由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備，由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用空間少。減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本。它支持多主控，任何能夠進行發(fā)送和接收的設備都可以成為主總線。一個主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率。
    I2C總線通過兩根連線(串行時鐘線SCL和雙向傳送SDA)實現(xiàn)半雙工同步數(shù)據傳輸，確保兩器件之間地址和數(shù)據信息的雙向傳輸。它采用器件地址的硬件設置方法(即每個器件具有一個確定的ID)，通過軟件尋址，從而避免器件的片選信號線尋址，使硬件系統(tǒng)擴展靈活簡便。為保證通信正常，必須保證I2C總線上的數(shù)據能夠順利傳送。在數(shù)據開始傳送前，首先讓I2C接口進行初始化。圖2為I2C總線初始化流程。

    DS3231的I2C接口的初始化操作可通過微控制器在總線上發(fā)送一個有效START條件來實現(xiàn)，因為微控制器產生的START信號能夠終止DS3231的I2C接口當前的數(shù)據收、發(fā)過程，并將該接口置于START條件后的待命狀態(tài)。但要發(fā)送一個有效的START條件，必須在DS323l釋放SDA數(shù)據線時才能實現(xiàn)。如果SDA數(shù)據線處于低電平狀態(tài)，這時，可以讓系統(tǒng)微控制器產生一個附加的SCL脈沖來迫使DS323l接口送出下一位數(shù)據。假設下一位數(shù)據仍然為邏輯“0”，就繼續(xù)產生附加的SCL脈沖，經過多個SCL脈沖后，DS323l就會釋放SDA數(shù)據總線。
    完成I2C總線的初始化后，接著進行控制和狀態(tài)寄存器的初始化設置，確定正確的數(shù)據范圍，就可以運行相應的測控程序。

3 結束語
    本文首先簡介DS323l的特點、工作原理及引腳功能，設計了高精度時鐘器件DS3231與微控制器之間通信的硬件接口與軟件接口，本設計具有一定的通用性，對應用DS3231器件進行系統(tǒng)設計有一定的借鑒意義。