基于DS3231的高精度时钟接口设计

2010-07-13方洁陈伟

电子设计工程 2010年2期

方洁，陈伟

（武汉理工大学信息工程学院，湖北武汉 430070）

随着科技的迅猛发展，一些相应的精密仪器也随之问世，这些仪器中通常都需要设置准确的时钟，以保证时段的正确切换。DS3231是Maxim/Dallas公司生产的一款低成本、超高精度的I2C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±2 min/a的计时精度，而且省去制造过程中晶体安装和布线校准工序。这里给出一种基于DS3231的高精度时钟接口设计方案。

1 硬件设计

1.1 DS3231器件

DS3231是低成本，高精度I2C实时时钟（RTC），具有集成的温补晶体振荡器（TCXO）和1个32.768 kHz的晶体。该晶体包含电池输入端，断开主电源仍可保持精确计时。集成晶体振荡器可提高器件的长期精确度，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、300 mil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。时钟的工作格式可以是24小时或带-AM/PM指示的12小时格式。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，监视引脚可作为手动按钮输入，以产生外部复位信号。

DS3231的引脚功能说明[1]如下：32 kHz是32 kHz频率输出；VCC用于主电源的DC引脚；SQW为低电平有效中断或方波输出；是低电平有效复位引脚；N.C.表示无连接，外部必须接地；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。

1.2 硬件接口设计

图1为DS3231时钟与微控制器连接的典型接口电路[1-2]。

图1 D3231时钟与微控制器连接的接口电路

微控制器通过I2C总线与DS3231连接，DS3231的RST与微控制器的相连。DS3231的VCC接系统电源VCC，VBAT为备用电池输入，该引脚应连接一个低泄漏电容进行去耦。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64 s测量一次温度，通过调节晶体的负载电容，使其在指定温度达到0 ppm的精度，最终达到提高时钟精度的目的[3]。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。

2 软件接口程序设计

DS3231采用I2C总线与系统微控制器进行通信，I2C总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备，由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用空间少，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。它支持多主控，任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线[4]。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。I2C总线通过两根连线（串行时钟线SCL和双向传送SDA）实现半双工同步数据传输，确保两器件之间地址和数据信息的双向传输。它采用器件地址的硬件设置方法（即每个器件具有一个确定的ID），通过软件寻址，从而避免器件的片选信号线寻址，使硬件系统扩展灵活简便[5]。为保证通信正常，必须保证I2C总线上的数据能够顺利传送。在数据开始传送前，首先让I2C接口进行初始化。图2为I2C总线初始化流程。

图2 初始化DS3231接口程序流程

DS3231的I2C接口的初始化操作可通过微控制器在总线上发送一个有效START条件来实现，因为微控制器产生的START信号能够终止DS3231的I2C接口当前的数据收、发过程，并将该接口置于START条件后的待命状态。但要发送一个有效的START条件，必须在DS3231释放SDA数据线时才能实现。如果SDA数据线处于低电平状态，这时，可以让系统微控制器产生一个附加的SCL脉冲来迫使DS3231接口送出下一位数据。假设下一位数据仍然为逻辑“0”，就继续产生附加的SCL脉冲，经过多个SCL脉冲后，DS3231就会释放SDA数据总线[6]。

完成I2C总线的初始化后，接着进行控制和状态寄存器的初始化设置，确定正确的数据范围，就可以运行相应的测控程序。