ＤＳ３２３１实时时钟芯片 - DS3231在嵌入式环境文件系统中的应用

ＤＳ３２３１实时时钟芯片

ＤＳ３２３１器件

ＤＳ３２３１是Ｍａｘｉｍ公司生产的一款低成本、超高精度的Ｉ２Ｃ总线实时时钟芯片，该器件不仅能够在一定温度范围内提供优于２ｍｉｎ／年的计时精度，而且省去了制造过程中晶振安装和布线校准的工作。

ＤＳ３２３１实时时钟（ＲＴＣ），具有集成的温补晶体振荡器（ＴＣＸ０）和１个３２．７６８ｋＨｚ的晶振，该晶振包含电池输入端，断开主电源仍然可以保持精确计时。集成晶体振荡器可提供器件的长期精确度，并减少生产的元件数。ＤＳ３２３１提供商级和工业级温度范围，采用１６引脚、３００ｍｉｌ的ＳＯ封装。ＲＴＣ保持秒、分、时、星期、日期、月和年信息。当遇到少于３１天的月份，将自动调整月末日期，包括闰年补偿。时钟可以工作于２４小时模式或带ＡＭ／ＰＭ指示的１２小时。提供２个可编程日历闹钟和１路可编程方波输出。地址与数据通过Ｉ２Ｃ双向串行传输。通过精密的、经过温度补偿的电压基准和比较器来监视ＶＣＣ状态，检测电源故障，提供复位输出，并在必要时自动切换到备用电源。另外，ＲＳＴ监视引脚可作为手动按钮输入，以产生外部复位信号。

ＤＳ３２３１与单片机Ｃ８０５１Ｆ５００的硬件连接

图４为高精度实时时钟芯片ＤＳ３２３１与主控制器Ｃ８０５１Ｆ５００单片机的接口连接电路。

ＤＳ３２３１的主要引脚功能说明：ＶＣＣ用于主电源的ＤＣ引脚；ＩＮＴ／ＳＱＷ为低电平有效中断或方波输出；ＲＳＴ是低电平有效复位引脚；ＧＮＤ为地；ＶＢＡＴ为备用电源输入；ＳＤＡ为串行数据输入、输出；ＳＣＬ为串行时钟输入。

Ｃ８０５１Ｆ５００通过Ｉ２Ｃ总线与ＤＳ３２３１连接，ＤＳ３２３１的ＶＣＣ接系统电源ＶＣＣ，ＶＢＡＴ为备用电源输入，该引脚应该连接一个低泄漏电容去耦。ＩＮＴ／ＳＱＷ为低电平有效中断或方波输出，该漏极开路输出要求外接上拉电阻，如果不使用，可保持开路。微控制器主要通过Ｉ２Ｃ总线向时钟芯片ＤＳ３２３１写时间信息，ＤＳ３２３１以写入的时间信息为基准精确走时。上电后，微控制器从时钟芯片读取时间信息并存入内存供系统使用，器件每隔６４ｓ测量一次温度，通过调节晶振的负载电容，使其在指定温度达到２ｐｐｍ的精度，最终达到提高时钟精度的目的。即使系统断电一段时间后重新上电，时钟芯片内的实时数据仍能被正确读出。

与嵌入式文件系统有关的特性

ＤＳ３２３１电源供电方式

ＤＳ３２３１有两个电源引脚ＶＣＣ和ＶＢＡＴ，分别连接电源ＶＣＣ和备用电池，它们之间的切换由温度补偿电压基准（ＶＰＦ）和监视ＶＣＣ电平的比较器电路控制。当ＶＣＣ高于ＶＰＦ时，ＤＳ３２３１由ＶＣＣ供电，当ＶＣＣ低于ＶＰＦ但高于ＶＢＡＴ时，ＤＳ３２３１由ＶＣＣ供电；当ＶＣＣ低于ＶＰＦ和ＶＢＡＴ时，ＤＳ３２３１由ＶＢＡＴ供电；如果用一节容量为３８ｍＡｈ的电子表用纽扣锂电池作备用电池，在系统掉电时电流损耗最大为３．５μＡ，则至少供电时间为：

ｔ＝３８×１０－３／３．５×１０－６＝１０８５７ｈ

按照这个理论，可以粗略估计备用电池供电时间，能够满足实际需要。

ＤＳ３２３１采用Ｉ２Ｃ总线通信方式

单片机Ｃ８０５１Ｆ５００通过读取时钟芯片ＤＳ３２３１的值来给文件系统提供日期时间，也可以写入ＤＳ３２３１一个任意的时间初始值，让其依据设定值开始计时，这就要求研究这两者之间的通信模式。ＤＳ３２３１工作于读和写两种模式。

（１）ＤＳ３２３１写模式

通过ＳＤＡ线和ＳＣＬ线来接收串行数据和时钟，收到每个字节后，发送应答位，ＳＴＡＲＴ和ＳＴＯＰ条件作为串行数据传输的开始和结束。软件设计流程如图５所示。首先调用ＳＴＡＲＴ＿ＩＩＣ（）函数使单片机产生开始条件，再通过ＳｅｎｄＢｙｔｅ（）函数，发送ＤＳ３２３１写地址，然后发出应答信号，接下来单片机向ＤＳ３２３１发送一个字地址（秒、分、时、日、月、年地址），产生应答信号后，再发送一个字节数据（秒、分、时、日、月、年数据）至ＤＳ３２３１设定初始化时间。产生应答信号后，调用ＳＴＯＰ＿ＩＩＣ函数来使单片机产生终止数据写入条件。

（２）ＤＳ３２３１读模式

接收和处理字节的方式与写模式相同，但是在这种模式下，方向位指示的传输方向是相反的。ＤＳ３２３１向ＳＤＡ发送串行数据，并由ＳＣＬ输入串行时钟。软件设计流程如图６所示。单片机产生ＳＴＡＲＴ条件后，通过ＳｅｎｄＢｙｔｅ（）函数发送ＤＳ３２３１写地址，产生应答信号后，发送一个字地址（秒、分、时、日、月、年地址）；产生应答信号后再通过ＳｅｎｄＢｙｔｅ（）函数发送ＤＳ３２３１读地址；产生应答信号后，通过函数ＲｃｖＢｙｔｅ（）从ＤＳ３２３１读取一个字节数据（秒、分、时、日、月、年数据）来获取时间；产生应答信号后，最后调用ＳＴＯＰ＿ＩＩＣ函数来使单片机产生终止数据读取条件。

系统测试及结果

在系统测试中，Ｃ８０５１Ｆ５００选用了２２．１１８４００ＭＨｚ的外部晶振，存储介质选用了金士顿８ＧＢＳＤＨＣ卡，分别在主电源供电５Ｖ和ＬＩＴＨＩＵＭＣＥＬＬＧＲ１２２０纽扣电池供电３Ｖ的情况下，对１９８０年之后的年、月、日、时、分、秒等时间信息进行设定任意初始值，并在ＰＣ机上查看了存储在ＳＤ卡中的数据文件的创建、修改、访问等具体时间信息。测试结果表明，不论在主电源供电还是备用纽扣电池供电情况下，存储在ＳＤＨＣ卡上的文件能够精确显示年、月、日、时、分、秒等时间信息。

本文提出的通过ＤＳ３２３１高精度时钟芯片给嵌入式文件系统提供实时时间的方案具有可行性，解决了存储在ＳＤ卡上的采集数据文件没有实时时间的问题，并且在系统掉电情况下，通过一个纽扣锂电池仍然能够长时间连续不断地提供精确的年、月、日、时、分、秒等时间信息，满足了舰舵参数采集设计中对存储在ＳＤ卡上的数据文件的创建、修改、访问等时间信息的实际要求。