作者 张小波 1 学习情境2-可调式数字钟 之 基于DS1302与数码管设计的可调数字钟 ☆ 点名，复习 1、 定时器的工作方式有哪些？如何对定时器进行初始化。 2、 数码管动态显示技术的原理？ ☆ 新课讲授 2.2 基于DS1302与数码管设计的可调数字钟 前面我们用定时器产生1秒的时间，从而也设计出了可以调节数字钟，但用这种方法设计出来的电子钟不够准确。这节课我们用美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路DS1302 ，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能。同时，我们还是用数码管作为显示时间的硬件。 2.2.1 DS1302芯片技术资料 DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302的外部引脚分配如图1所示及内部结构如图2所示。DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中。 作者 张小波
2 图 1 DS1302引脚
图 2 DS1302内部结构 1、引脚功能及结构
DS1302的引脚排列，其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1＋0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc≥2.5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，SCLK始终是输入端。 2 、DS1302的寄存器和控制命令 作者 张小波 3 对DS1302的操作就是对其内部寄存器的操作，DS1302内部共有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式。 小时寄存器（85h、84h）的位7用于定义DS1302是运行于12小时模式还是24小时模式。当为高时，选择12小时模式。在12小时模式时，位5是，当为1时，表示PM，当为0时，表示AM。在24小时模式时，位5是第二个10小时位。 秒寄存器（81h、80h）的位7定义为时钟暂停标志（CH）。当该位置为1时，时钟振荡器停止，DS1302处于低功耗状态；当该位置为0时，时钟开始运行。 控制寄存器（8Fh、8Eh）的位7是写保护位（WP），其它7位均置为0。在任何的对时钟和RAM的写操作之前，WP位必须为0。当WP位为1时，写保护位防止对任一寄存器的写操作。 日历、时间寄存器及控制字如表1所示： 表1日历、时钟寄存器与控制字对照表
寄存器名称 7 6 5 4 3 2 1 0 1 RAM/CK A4 A3 A2 A1 A0 RD/W 秒寄存器 1 0 0 0 0 0 0 0/1 分寄存器 1 0 0 0 0 0 1 0/1 小时寄存器 1 0 0 0 0 1 0 0/1 日寄存器 1 0 0 0 0 1 1 0/1 月寄存器 1 0 0 0 1 0 0 0/1 星期寄存器 1 0 0 0 1 0 1 0/1 年寄存器 1 0 0 0 1 1 0 0/1 写保护寄存器 1 0 0 0 1 1 1 0/1 慢充电寄存器 1 0 0 1 0 0 0 0/1 时钟突发寄存器 1 0 1 0 1 1 1 0/1
最后一位RD/W为“0”时表示进行写操作，为“1”时表示读操作。
此外，DS1302还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器以外的寄存器。DS1302 作者 张小波 4 内部的RAM分为两类，一类是单个RAM单元，共31个，每个单元为一个8位的字节，其命令控制 字为COH~FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的RAM，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH（写）、FFH（读）。
表2 DS1302内部主要寄存器分布表 寄存器名称 命令字 取值范围 寄存器定义 写 读 7 6 5 4 3 2 1 0
秒寄存器 80H 81H 00-59 CH 10 SEC SEC 分寄存器 82H 83H 00-59 0 10 MIN MIN 小时寄存器 84H 85H 01-12或00-23 12/24 0 10 HR HR A/P
日寄存器 86H 87H 01-28，29，30，31 0 10 DATE DATE 月寄存器 88H 89H 01-12 0 0 0 10M MONTH 星期寄存器 8AH 8BH 01-07 0 0 0 0 DAY 年寄存器 8CH 8DH 00-99 10year year 写保护寄存器 8EH 8FH WP 0 0 0 0 0 0 0 慢充电寄存器 90H 91H TCS TCS TCS TCS DS DS DS DS
我们现在已经知道了控制寄存器和RAM的逻辑地址，接着就需要知道如何通过外部接
口来访问这些资源。单片机是通过简单的同步串行通讯与DS1302通讯的，每次通讯都必须由单片机发起，无论是读还是写操作，单片机都必须先向DS1302写入一个命令帧，这个帧的格式如图3所示，最高位BIT7固定为1，BIT6决定操作是针对RAM还是时钟寄存器，接着的5个BIT是RAM或时钟寄存器在DS1302的内部地址，最后一个BIT表示这次操作是读操作抑或是写操作。 作者 张小波 5 DS1302是SPI总线驱动方式。它不仅要向寄存器写入控制字，还需要读取相应寄存器的数据。要想与DS1302通信，首先要先了解DS1302的控制字。DS1302 的控制字如图3所示。控制字节的最高有效位(位7)必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；位5至位1（A4～A0）指示操作单元的地址；最低有效位(位0)如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。
图3命令字节格式 在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入
从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。 数据读写时序如图4。
图 4-1 单字节读时序 图 4-2 单字节写时序 物理上，DS1302的通讯接口由3个口线组成，即RST，SCLK，I/O。其中RST从低电
平变成高电平启动一次数据传输过程，SCLK是时钟线，I/O是数据线。具体的读写时序参考 作者 张小波 6 图4，但是请注意，无论是哪种通讯类型的串行接口，都是对时钟信号敏感的，而且一般数据写入有效是在上升沿，读出有效是在下降沿（DS1302正是如此的，但是在芯片手册里没有明确说明），如果不是特别确定，则把程序设计成这样：平时SCLK保持低电平，在时钟变动前设置数据，在时钟变动后读取数据，即数据操作总是在SCLK保持为低电平的时候，相邻的操作之间间隔有一个上升沿和一个下降沿。 3 调试中问题说明 (1) DS1302 与微处理器进行数据交换时，首先由微处理器向电路发送命令字节，命令字节最高MSB(D7)必须为逻辑1，如果D7=0，则禁止写DS1302，即写保护；D6=0，指定时钟数据，D6=1，指定RAM数据；D5～D1指定输入或输出的特定寄存器；最低位LSB(D0)为逻辑0，指定写操作(输入)， D0=1，指定读操作(输出)。 (2) 在DS1302的时钟日历或RAM进行数据传送时，DS1302必须首先发送命令字节。若进行单字节传送，8位命令字节传送结束之后，在下2个SCLK周期的上升沿输入数据字节，或在下8个SCLK周期的下降沿输出数据字节。 (3) 要特别说明的是备用电源B1，可以用电池或者超级电容器(0.1F以上)。虽然DS1302在主电源掉电后的耗电很小，但是，如果要长时间保证时钟正常，最好选用小型充电电池。可以用老式电脑主板上的3.6V充电电池。如果断电时间较短(几小时或几天)时，就可以用漏电较小的普通电解电容器代替。100 μF就可以保证1小时的正常走时。DS1302在第一次加电后，必须进行初始化操作。初始化后就可以按正常方法调整时间。 2.2.2 硬件电路设计 硬件设计时使用了DS1302，电路结构简单，具体如下图所示：