基于DS3231的高精度時鐘接口設計

方潔，陳偉

（武漢理工大學 信息工程學院，湖北 武漢 430070）

隨著科技的迅猛發展，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。DS3231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圍內提供優于±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DS3231的高精度時鐘接口設計方案。

1 硬件設計

1.1 DS3231器件

DS3231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。DS3231提供商級和工業級溫度范圍，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1路可編程方波輸出。地址與數據通過I2C雙向串行傳輸。通過精密的、經過溫度補償的電壓基準和比較器來監視VCC狀態，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，監視引腳可作為手動按鈕輸入，以產生外部復位信號。

DS3231的引腳功能說明[1]如下：32 kHz是32 kHz頻率輸出；VCC用于主電源的DC引腳；SQW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為串行數據輸入、輸出；SCL為串行時鐘輸入。

1.2 硬件接口設計

圖1為DS3231時鐘與微控制器連接的典型接口電路[1-2]。

圖1 D3231時鐘與微控制器連接的接口電路

微控制器通過I2C總線與DS3231連接，DS3231的RST與微控制器的相連。DS3231的VCC接系統電源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DS3231寫時間信息，DS3231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使用，器件每隔64 s測量一次溫度，通過調節晶體的負載電容，使其在指定溫度達到0 ppm的精度，最終達到提高時鐘精度的目的[3]。即使系統斷電一段時間后重新上電，時鐘芯片內的實時數據仍能被正確讀出。

2 軟件接口程序設計

DS3231采用I2C總線與系統微控制器進行通信，I2C總線是由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線，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量，降低了互聯成本。它支持多主控，任何能夠進行發送和接收的設備都可以成為主總線[4]。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）實現半雙工同步數據傳輸，確保兩器件之間地址和數據信息的雙向傳輸。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，使硬件系統擴展靈活簡便[5]。為保證通信正常，必須保證I2C總線上的數據能夠順利傳送。在數據開始傳送前，首先讓I2C接口進行初始化。圖2為I2C總線初始化流程。

圖2 初始化DS3231接口程序流程

DS3231的I2C接口的初始化操作可通過微控制器在總線上發送一個有效START條件來實現，因為微控制器產生的START信號能夠終止DS3231的I2C接口當前的數據收、發過程，并將該接口置于START條件后的待命狀態。但要發送一個有效的START條件，必須在DS3231釋放SDA數據線時才能實現。如果SDA數據線處于低電平狀態，這時，可以讓系統微控制器產生一個附加的SCL脈沖來迫使DS3231接口送出下一位數據。假設下一位數據仍然為邏輯“0”，就繼續產生附加的SCL脈沖，經過多個SCL脈沖后，DS3231就會釋放SDA數據總線[6]。

完成I2C總線的初始化后，接著進行控制和狀態寄存器的初始化設置，確定正確的數據范圍，就可以運行相應的測控程序。

3 結束語

本文首先簡介DS3231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器件進行系統設計有一定的借鑒意義[7]。

[1]黃勤河，李景新.RX-8025及其在微機系統中的應用[J].電子設計，2004（5）：87-89.

[2]田春雨，張旭輝，趙玉梅，等.實時時鐘RX-8025的原理及其應用[J].電測與儀表，2003（5）：48-51.

[3]高美珍，毛欲民，劉進軍.AVR單片機與串行時鐘器件DS3231的接口設計[J].電子設計工程，2007，15（5）：47-51.

[4]趙 輝，董德存.I2C總線技術及其應用實例［J］.徽型電胎應用，2005，21（4）：61-63

[5]杜剛強，張 雪，施明賢，等.實時時鐘DS3231讀取信息出錯的分析[J].單片機與嵌入式，2008（6）：70-71.

[6]李根岱.可校準實時時鐘芯片的研究和設計[D].武漢：華中科技大學，2007.

[7]陳 斌.RCT DS1511在信息記錄中的應用[J].電子設計工程,2009,17(2)：85-86.