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文章节选自：《ARM Cortex-M0从这里开始》 作者：zhaojun_xf https://bbs.eeworld.com.cn/thread-324656-1-1.html
数字时钟芯片
数字时钟芯片的种类很多，市场上比较流行的有三线的DS1302、I2C总线的PCF8563等。其中，DS1302价格比较低廉、容易购买，非常适合DIY。下面将用数字时钟芯片DS1302设计电子时钟。
1 DS1302概述
DS1302 是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、月、年和星期等信息。DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：（1）RES（复位），（2）I/O（数据线），（3）SCLK（串行时钟）。
1. DS1302的特点：
实时时钟具有能计算2100 年之前的秒、分、时、日、星期、月、年的能力、还有闰年调整的能力；
31×8位暂存数据存储RAM；
串行I/O口方式使得管脚数量最少；
宽范围工作电压2.0 ~5.5V；
工作电流2.0V时，小于300nA；
读/写时钟或RAM数据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组方式；
8脚DIP封装或可选的8脚SOIC封装根据表面装配；
与TTL兼容Vcc = 5V；
2. DS1302管脚描述
DS1302有DIP和SOIC两种封装，引脚排列如图8-5所示。
表8-2是DS1302的管脚描述。
3. DS1302指令与寄存器说明
DS1302有多条控制指令，其中比较常用的指令如表8-3所示。对于DS1302的数据格式均是采用BCD编码，高位没有使用的用“0”填充。
寄存器说明：
CH：时钟停止位
CH = 0 振荡器工作允许；
CH = 1 振荡器停止；
WP：写保护位
WP = 0 寄存器数据能够写入；
WP = 1 寄存器数据不能写入；
TCS：涓流充电选择
TCS = 1010 使能涓流充电；
TCS = 其他 禁止涓流充电；
DS：二极管选择位
DS = 01 选择一个二极管；
DS = 10 选择两个二极管；
DS = 00或11，即使TCS = 1010，充电功能也被禁止。
2 硬件电路的设计
对于DS1302的连接非常简单，只需要把它的3条控制线与LPC1114的3条GPIO相连就可以了，具体的硬件连接如图8-6所示。这里使用了一个3V纽扣电池作为备用电池，保证时钟在系统断电下也能够正常工作。
3 软件的实现
DS1302的控制并不难，只需要按照其时序和控制格式编写程序就能实现时钟控制。由于DS1302是专一的时钟芯片，并不需要开发者对时间进行控制。在应用中只要设置好正确的时间后，就可以直接从芯片中读取时间值来。
1. 指令和数据定义
为了方便控制，首先在头文件中定义DS1302的控制命令、数据格式，再定义个全面变量，用于存放时钟值，如程序清单8-1所示。
/****************************** 程序清单8-1 **********************************/
/********************************************************************************
* 【宏定义】 macro definition
********************************************************************************/
/*************** 指令格式 ******************************/
#define DS1302_READ_SEC (0x81) // 读秒
#define DS1302_READ_MIN (0x83) // 读分
#define DS1302_READ_HOUR (0x85) // 读时
#define DS1302_READ_DATE (0x87) // 读日
#define DS1302_READ_MON (0x89) // 读月
#define DS1302_READ_WEEK (0x8B) // 读周
#define DS1302_READ_YEAR (0x8D) // 读年
#define DS1302_WRITE_SEC (0x80) // 写秒
#define DS1302_WRITE_MIN (0x82) // 写分
#define DS1302_WRITE_HOUR (0x84) // 写时
#define DS1302_WRITE_DATE (0x86) // 写日
#define DS1302_WRITE_MON (0x88) // 写月
#define DS1302_WRITE_WEEK (0x8A) // 写周
#define DS1302_WRITE_YEAR (0x8C) // 写年
#define DS1302_READ_CALENDAR (0xBF) // 读多字节
#define DS1302_WRITE_CALENDAR (0xBE) // 写多字节
#define DS1302_READ_PROTECT (0x8F) // 读保护
#define DS1302_WRITE_PROTECT (0x8E) // 写保护
#define DS1302_READ_CHARGE (0x91) // 读充电指令
#define DS1302_WRITE_CHARGE (0x90) // 写充电指令
/*************** 数据格式 ******************************/
#define DS1302_PROTECT_DIS (0x00) // 00000000 寄存器数据能够写入
#define DS1302_PROTECT_EN (0x80) // 10000000 寄存器数据不能写入
#define DS1302_CHARGE_DIS0 (0xA4) // 101001xx 充电开一个二极管
#define DS1302_CHARGE_DIS1 (0xA8) // 101010xx 充电开两个二极管
#define DS1302_CHARGE_EN (0x00) // 0000xxxx 充电关
#define DS1302_OSC_DIS (0x00) // 0xxxxxxx 振荡器工作允许
#define DS1302_OSC_EN (0x80) // 1xxxxxxx 振荡器停止
#define DS1302_MODE_12 (0x80) // 1xxxxxxx 12小时制
#define DS1302_MODE_24 (0x00) // 0xxxxxxx 24小时制
#define DS1302_MODE_AM (0x00) // xxx0xxxx 上午
#define DS1302_MODE_PA (0x10) // xxx1xxxx 下午
/********************************************************************************
* 【数据结构】 Data Structures
********************************************************************************/
typedef struct
{
uint8 Sec; // 秒
uint8 Min; // 分
uint8 Hour; // 时
uint8 Date; // 日
uint8 Month; // 月
uint8 Week; // 周
uint8 Year; // 年
} DS1302Clock; // 时钟定义
2. 写操作
写操作完成从数据端口写入一个字节数据到DS1302，数据的写入是通过8次，按顺序写入8个位。
/****************************** 程序清单8-2 **********************************/
/********************************************************************************
* FunctionName : DS1302_WriteByte()
* Description : 往DS1302写入1Byte数据
* EntryParameter : ucDa 写入的数据
* ReturnValue : None
********************************************************************************/
void DS1302_WriteByte(uint8 ucDa)
{
uint8 i;
for(i=8; i>0; i--)
{
DS1302_CLK_CLR(); // 时钟拉低
if (ucDa & 0x01)
{
DS1302_IO_SET(); // 写入1
}
else
{
DS1302_IO_CLR(); // 写入0
}
DS1302_CLK_SET(); // 时钟拉高
ucDa >>= 1; // 写入一位数据
}
}
3. 读操作
读操作是实现从DS1302的数据端口读取一个字节数据，在读取数据之前先要设置数据端口为输入模式；然后8次读取数据端口数据组成一字节数据；读取完数据后需要把数据端口设置成为输出端口，方便其他函数实现写入功能。
/****************************** 程序清单8-3 **********************************/
/********************************************************************************
* FunctionName : DS1302_ReadByte()
* Description : 从DS1302读取1Byte数据
* EntryParameter : None
* ReturnValue : 读取的数据
********************************************************************************/
uint8 DS1302_ReadByte(void)
{
uint8 i,tmp,value;
DS1302_IO_DIR_IN(); // 端口设置为输入
for(i=8; i>0; i--)
{
tmp >>= 1;
DS1302_CLK_SET(); // 时钟信号
DS1302_Delay(1);
DS1302_CLK_CLR(); // 时钟信号
DS1302_Delay(1);
value = DS1302_IO_PIN();
if (value == 1) // 位判断
{
tmp |= 0x80; // 写入"1"
}
}
DS1302_IO_DIR_OUT(); // 设置端口为输出
return(tmp);
}
4.写时钟数据
图8-7所示为写一字节时钟数据的时序图，写入数据必须把CE拉高，然后先写入地址或指令字节，之后写入一字节的相应数据即可。
/****************************** 程序清单8-4 **********************************/
/********************************************************************************
* FunctionName : DS1302_WriteOne()
* Description : 往DS1302地址写入数据。先写地址，后写命令/数据
* EntryParameter : ord - DS1302地址, dat - 要写的数据
* ReturnValue : None
********************************************************************************/
void DS1302_WriteOne(uint8 ord, uint8 dat)
{
DS1302_CE_CLR(); // DS1302_CE = 0
DS1302_CLK_CLR(); // DS1302_CLK = 0
DS1302_CE_SET(); // DS1302_CE = 1
DS1302_WriteByte(ord); // 命令
DS1302_WriteByte(dat); // 写1Byte数据
DS1302_CE_CLR(); // DS1302_CE = 0
DS1302_CLK_SET(); // DS1302_CLK = 1
}
5. 读时钟数据
如图8-8所示为从DS1302读取一字节时钟数据的时序图，读取数据的整个过程中也必须把CE拉高，然后写写入一字节地址或指令，之后就可以从数据端口读取一字节的数据了。
/****************************** 程序清单8-5 **********************************/
/********************************************************************************
* FunctionName : DS1302_ReadOne()
* Description : 读取DS1302某地址的数据，先写地址，后读命令/数据
* EntryParameter : ord - DS1302命令
* ReturnValue : 返回读取数据
********************************************************************************/
uint8 DS1302_ReadOne(uint8 ord)
{
uint8 ucDa;
DS1302_CE_CLR(); // DS1302_CE = 0
DS1302_CLK_CLR(); // DS1302_CLK = 0
DS1302_CE_SET(); // DS1302_CE = 1
DS1302_WriteByte(ord); // 地址，命令
ucDa = DS1302_ReadByte(); // 读1Byte数据
DS1302_CE_CLR(); // DS1302_CE = 0
DS1302_CLK_SET(); // DS1302_CLK = 1
return(ucDa); // 返回读取数据
}
6. 初始化DS1302
在进行DS1302的操作之前必须初始化DS1302。初始化DS1302包括设置端口为GPIO、设置端口的方向以及写保护操作和关闭涓流充电。
在设置端口为GPIO时需要特别注意，对于有AD功能的GPIO端口，必须设置成为数字输入模式而不是模拟输入模式，否则无法读取端口数据。
/****************************** 程序清单8-6 **********************************/
/********************************************************************************
* FunctionName : DS1302Init()
* Description : 初始化DS18B20
* EntryParameter : None
* ReturnValue : None
********************************************************************************/
void DS1302Init(void)
{
// 设置为GPIO
DS1302_CLK_PIN_MOD();
DS1302_IO_PIN_MOD();
DS1302_CE_PIN_MOD();
// 设置为输出端口
DS1302_CLK_DIR_OUT(); // CLK
DS1302_IO_DIR_OUT(); // IO
DS1302_CE_DIR_OUT(); // CE
DS1302_WriteOne(DS1302_WRITE_PROTECT,DS1302_PROTECT_EN); // 写保护操作
DS1302_WriteOne(DS1302_WRITE_CHARGE,DS1302_CHARGE_EN); // 禁止充电
}
7. 设置时钟
对于时钟的设置，项目中一共提供了两个函数，这两个函数的操作是一样的，不同的只是数据存放的形式不同。一个是把时钟数据放入数组中，一个是把时钟数据放入结构体中。本项目中使用的是第二个函数，代码如程序清单8-7所示。
写入时钟值之前必须先开写入保护功能，再按照顺序写入时钟值，完成后需要恢复保护功能，预防干扰等更改时钟值。
/****************************** 程序清单8-7 **********************************/
/********************************************************************************
* FunctionName : DS1302SetClock1()
* Description : 初始时间格式为: 秒 分 时 日 月 星期 年
* EntryParameter : pSecDa - 初始时间地址。
* ReturnValue : None
********************************************************************************/
void DS1302SetClock1(DS1302Clock *clock)
{
DS1302_WriteOne(DS1302_WRITE_PROTECT,DS1302_PROTECT_DIS); // 控制命令,写操作
DS1302_WriteOne(DS1302_WRITE_SEC, clock->Sec); // 写秒
DS1302_WriteOne(DS1302_WRITE_MIN, clock->Min); // 写分
DS1302_WriteOne(DS1302_WRITE_HOUR,clock->Hour); // 写小时
DS1302_WriteOne(DS1302_WRITE_DATE,clock->Date); // 写日期
DS1302_WriteOne(DS1302_WRITE_MON, clock->Month); // 写月
DS1302_WriteOne(DS1302_WRITE_WEEK,clock->Week); // 写星期
DS1302_WriteOne(DS1302_WRITE_YEAR,clock->Year); // 写年
DS1302_WriteOne(DS1302_WRITE_PROTECT,DS1302_PROTECT_EN); // 控制命令,写保护
}
8. 获取时钟
同样读取时钟值也有两个函数，区别和设置时钟函数是一样的，代码如程序清单8-8所示，这里就不在叙述。
/****************************** 程序清单8-8 **********************************/
/********************************************************************************
* FunctionName : DS1302GetClock1()
* Description : 读取DS1302当前时间,当前时间格式为: 秒 分 时 日 月 星期 年
* EntryParameter : clock - 保存当前时间地址。
* ReturnValue : None
********************************************************************************/
void DS1302GetClock1(DS1302Clock *clock)
{
clock->Sec = DS1302_ReadOne(DS1302_READ_SEC); // 读秒
clock->Min = DS1302_ReadOne(DS1302_READ_MIN); // 读分
clock->Hour = DS1302_ReadOne(DS1302_READ_HOUR); // 读小时
clock->Date = DS1302_ReadOne(DS1302_READ_DATE); // 读日期
clock->Month = DS1302_ReadOne(DS1302_READ_MON); // 读月
clock->Week = DS1302_ReadOne(DS1302_READ_WEEK); // 读星期
clock->Year = DS1302_ReadOne(DS1302_READ_YEAR); // 读年
}
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