DS1337 時鐘芯片在 C8051F 上的實現(xiàn)
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一、DS1337介紹
DS1337串行實時時鐘芯片是一種低功耗、全部采用BCD碼的時鐘日歷芯片，它帶有兩個可編程的定時鬧鐘和一個可編程的方波輸出。其地址和數(shù)據(jù)可通過I2C總線串行傳輸，能提供秒、分、時、日、星期、月和年等信息。
本文引用地址：http://www.ekcard.cn/article/201710/365833.htm1.1 DS1337的引腳說明
DS1337的引腳排列示意圖如圖1所示。各引腳的功能如下：
圖1 DS1337引腳示意圖
VCC，GND：直流電源和接地端，VCC的輸入范圍在1.8~5.5V之間。X1，X2：標(biāo)準(zhǔn)的32.768kHz的石英晶振接入端，內(nèi)部晶振電路設(shè)計要求晶振特定電容負(fù)載為6pF。另外，這兩個引腳還可以有其它接法，即：X1腳連接外部振蕩信號源，而將X2腳懸空。
SCL：串行時鐘輸入，用來在總線上同步數(shù)據(jù)傳輸。
SDA：串行數(shù)據(jù)輸入輸出，SDA是I2C總線接口的數(shù)據(jù)輸入輸出引腳，開漏輸出，使用時要求接一個上拉電阻。
SQW/INTB：方波/中斷輸出，可通過對DS1337的內(nèi)部控制寄存器進(jìn)行編程來控制這個引腳是輸出方波還是輸出中斷信號。該引腳是開漏輸出，使用時要接一個外部的上拉電阻。
INTA：中斷輸出端，使能時，如果鬧鐘寄存器的設(shè)定值與當(dāng)前時間匹配，該腳會輸出一個低電平。該引腳也是開漏輸出，要接上拉電阻。
1.2 時間寄存器
常用的時間寄存器地址為00H~06H。設(shè)置和初始化時間和日歷可通過寫相應(yīng)的寄存器字段來實現(xiàn)，寄存器的數(shù)據(jù)格式以BCD碼表示。DS1337既可以工作在12小時模式下，也可以工作在24小時模式下。小時寄存器的位6被定義為12小時模式或24小時模式選擇位，該位為1時，選擇12小時模式。在12小時模式時，位5是AM/PM標(biāo)志位，該位為1時表示PM。當(dāng)在24小時模式時，位5是第二個十位（表示20到23小時）。月寄存器的第7位是世紀(jì)位，當(dāng)年寄存器從0到99溢出時，該位發(fā)生變化。
1.3 控制寄存器和狀態(tài)寄存器
DS1337中有一個控制寄存器和一個狀態(tài)寄存器，可用于控制實時時鐘、鬧鐘和方波的輸出。
控制寄存器地址為0EH。其中：
EOSC：振蕩器使能位。該位為0，振蕩器起振；為1，振蕩器停振。剛上電時，該位為0；RS1，RS2：方波輸出頻率選擇位。RS1和RS2共有四種組合，分別對應(yīng)的方波輸出頻率為1Hz，4.096kHz，8.192kHz，32.768kHz。在剛加電時，方波輸出頻率設(shè)置是32.768kHz。
INTCN：中斷控制位。用于控制兩個鬧鐘與中斷輸出腳之間的關(guān)系。為1時，兩個鬧鐘在滿足定時條件時，各自有獨立的中斷輸出。為0時，兩個鬧鐘共用一個中斷輸出腳INTA，而腳SQW/INTB為方波輸出端。開始上電時，該位為0。
A1IE：鬧鐘1中斷使能位。為1時，允許狀態(tài)寄存器的A1F位輸出到腳INTA。上電時該位為0，此時不能用A1F位初始化INTA信號。
A2IE：鬧鐘2中斷使能位，該位的作用與A1IE位相同。
DS1337的狀態(tài)寄存器地址為0FH， 各位的作用如下：
OSF：振蕩器停止標(biāo)志。該位為1，表示振蕩器已停止。有四種情況能產(chǎn)生這樣的結(jié)果：一是芯片剛上電，二是Vcc引腳電壓不足，三是EOSC位為1，四是晶振受到外部影響（如噪聲等）。
A1F、A2F：鬧鐘標(biāo)志位。為1時，表示鬧鐘設(shè)定時間與當(dāng)前時間匹配，并產(chǎn)生中斷輸出。
圖2 DS1337寄存器
1.4 對DS1337的讀與寫
圖3 DS1337 寫寄存器
從上圖中，可以看出，主器件發(fā)起開始條件，發(fā)送從器件的地址和寫命令（0xD0|0x00），等待從器件的應(yīng)答，然后再發(fā)送要寫的寄存器地址，等待從器件的應(yīng)答，然后再發(fā)送要寫的數(shù)據(jù)，等待從器件的應(yīng)答，如果寫操作完成，主器件發(fā)送結(jié)束。完成一次寫數(shù)據(jù)過程。
圖4 DS1337 讀寄存器
從上圖中，可以看出，主器件發(fā)起開始條件，發(fā)送從器件的地址和寫命令（0xD0|0x00），等待從器件的應(yīng)答，然后再發(fā)送要讀的寄存器地址，等待從器件的應(yīng)答，然后主器件再重新發(fā)送開始條件，發(fā)送從器件的地址和讀命令（0xD0|0x01），等待從器件的應(yīng)答，接收從器件發(fā)來的數(shù)據(jù)，主器件應(yīng)答。當(dāng)收到最后一個數(shù)據(jù)后，主器件發(fā)送非應(yīng)答和結(jié)束。完成一次讀數(shù)據(jù)過程。
二、SMBus總線介紹
SMBus串行I/O接口是一個雙線的雙向串行總線，與I2C串行總線兼容。圖 5給出了一個典型的SMBus 配置。SMBus 接口的工作電壓可以在3.0V和5.0V 之間，總線上不同器件的工作電壓可以不同。SCL（串行時鐘）和 SDA（串行數(shù)據(jù)）線是雙向的。 必須通過上拉電阻或類似電路將它們連到電源電壓。當(dāng)總線空閑時，這兩條線都被拉到高電平。連接在總線上的每個器件的 SCL 和 SDA 都必須是漏極開路或集電極開路的。
圖5 SMBus 配置
2.1握手
SMBus采用多種線路條件作為器件間的握手信號。在一次數(shù)據(jù)傳輸中，SDA只能在SCL為低時改變電平。在SCL為高電平時SDA發(fā)生改變則是代表如下的開始和停止信號：
開始：該條件啟動一次傳輸過程。當(dāng)SCL為高電平時SDA上出現(xiàn)一個下降沿。
結(jié)束：該條件結(jié)束一次傳輸過程。當(dāng)SCL為高電平時SDA上出現(xiàn)一個上升沿。
應(yīng)答：也稱為ACK，接收器件發(fā)送該信號表示確認(rèn)。例如，在器件X收到一個字節(jié)后，它將發(fā)送一個ACK確認(rèn)傳輸成功。ACK條件是在SCL為高時采樣到SDA為低電平。
非應(yīng)答：也稱為NACK，這是在SCL為高電平時采樣到SDA為高電平。當(dāng)接收器件不能產(chǎn)生ACK時，發(fā)送器件看到的是NACK。在典型的數(shù)據(jù)傳輸中，收到NACK信號表示所尋址的從器件沒有準(zhǔn)備好或不在總線上。一個處于接收狀態(tài)的主器件發(fā)送NACK表示這是傳輸?shù)淖詈笠粋€字節(jié)。圖2給出了握手信號時序。
圖6 SMBus 時序
2.2 傳輸方式
有兩種可能的傳輸方式：寫（從主器件到從器件）和讀（從從器件到主器件）。在一次傳輸中，任何一個器件都可以是四種角色之一。這四種角色將在下面說明。注意，從地址+R/W’是指一個8位傳輸（7位地址，1位R/W）。
1）主發(fā)送器：在該方式下，器件在SDA上發(fā)送串行數(shù)據(jù)，在SCL上輸出時鐘。器件用一個起始條件啟動傳輸過程，發(fā)送從地址+W，然后等待從器件的ACK。收到ACK后，器件發(fā)送一個或多個字節(jié)數(shù)據(jù)，每個字節(jié)都要由從器件確認(rèn)。在發(fā)送完最后一個字節(jié)后，器件發(fā)送一個停止條件。
2）主接收器：在該方式下，器件在SDA上接收串行數(shù)據(jù)，在SCL上輸出時鐘。器件用一個起始條件啟動傳輸過程，之后發(fā)送從地址+R。在收到從器件對地址的ACK后，在SCL上輸出時鐘并在SDA上接收數(shù)據(jù)。在接收完最后一個字節(jié)后，器件將發(fā)送一個NACK和一個停止條件。
3）從發(fā)送器：在該方式下，器件在SDA上輸出串行數(shù)據(jù)，在SCL上接受時鐘。器件接收一個起始條件和它自己的從地址+R，然后發(fā)出ACK并進(jìn)入從發(fā)送方式。器件在SDA上發(fā)送數(shù)據(jù)，在發(fā)送完每個字節(jié)后都要收到一個ACK。在傳輸完最后一個字節(jié)后，主器件發(fā)送一個NACK和一個停止條件。
4）從接收器：在該方式下，器件收到來自主器件的起始條件和和它自己的從地址+W。然后發(fā)出ACK并進(jìn)入從接收方式。現(xiàn)在器件在SDA上接收串行數(shù)據(jù)，在SCL上接收時鐘。在接收完每個字節(jié)后都要發(fā)送一個ACK，在接收到主器件的停止條件后退出從接收方式。
圖7為典型的寫操作情況。圖8為典型的讀操作情況。
圖7 寫操作
（1）為一個成功的傳送過程。在（3）中，主器件在收到一個ACK后重新發(fā)出起始條件。這一過程允許主器件在不放棄總線的情況下啟動一個新的傳輸過程（例如，從寫操作切換到讀操作）。重復(fù)起始條件通常在訪問EEPROM時使用，因為一個讀操作前面必須有一個寫存儲器地址的操作。
圖8 讀操作
2.3 SMBus特殊功能寄存器
對 SMBus 串行接口的訪問和控制是通過 5 個特殊功能寄存器來實現(xiàn)的：控制寄存器 SMB0CN、時鐘速率寄存器 SMB0CR、地址寄存器 SMB0ADR、數(shù)據(jù)寄存器 SMB0DAT 和狀態(tài)寄存器 SMB0STA。系統(tǒng)器件可以有一個或多個 SMBus 串行接口。
2.3.1 控制寄存器SMB0CN
SMBus 控制寄存器 SMB0CN 用于配置和控制 SMBus 接口。該寄存器中的所有位都可以 用軟件讀寫。有兩個控制位還受 SMBus 硬件的影響。當(dāng)發(fā)生一個有效的串行中斷條件時，串 行中斷標(biāo)志（SI，SMB0CN.3）被硬件設(shè)置為邏輯 1，該標(biāo)志只能用軟件清 0。當(dāng)總線上出現(xiàn) 一個停止條件時，停止標(biāo)志（STO，SMB0CN.4）被硬件清 0。
2.3.2 時鐘速率寄存器SMB0CR
在器件工作于主方式時SMBus時鐘寄存器用于控制SCL時鐘速率。SMB0CR中的8位數(shù)決定了時鐘速率，公式如下：
其中，SMB0CR是一個負(fù)數(shù)的補碼。因此，對于100kHz的SCL頻率和16MHz的SYSCLK，應(yīng)向SMB0CL裝入-80，即0xB0。
2.3.3 地址寄存器 SMB0ADR
SMBus地址寄存器保存器件在從方式時將要應(yīng)答的從地址。位（7:1）保存從地址；位0是通用呼叫允許。如果位0被置位，器件將應(yīng)答通用呼叫地址（0x00）。
2.3.4 數(shù)據(jù)寄存器 SMB0DAT
SMBus數(shù)據(jù)寄存器用于保存將要發(fā)送或剛剛接收的數(shù)據(jù)。只有在SI=1時，從該寄存器讀出的數(shù)據(jù)才是有效的。當(dāng)SI不為1時，SMBus可能處在向SMB0DAT移入數(shù)據(jù)或從SMB0DAT移出數(shù)據(jù)的過程中。注意：在傳輸過程中，從SMB0DAT移出的最高位又移回到最低位，因此在一次傳輸完成后SMB0DAT中仍然保存著原始數(shù)據(jù)。
1.3.5 狀態(tài)寄存器 SMB0STA
共有28個可能的SMBus狀態(tài)，每個狀態(tài)對應(yīng)一個唯一的狀態(tài)碼。狀態(tài)碼的高5位是可變的，而一個有效狀態(tài)碼的
低3位固定為0（當(dāng)SI=1時）。因此所有有效的狀態(tài)碼都是8的整數(shù)倍。
三、在C8051F 上的實現(xiàn)
3.1 硬件
3.2 軟件
1 typedef struct
2 {
3 u8 second; // 0 to 59
4 u8 minute; // 0 to 59
5 u8 hour; // 0 to 23 （24-hour TIme）
6 u8 day; // 0 = Sunday， 1 = Monday， etc.
7 u8 date; // 1 to 31
8 u8 month; // 1 to 12
9 u8 year; // 00 to 99
10 } DS1337_TIme;
11
12 xdata DS1337_TIme TIme;
13
14 bit SMB_BUSY;
15 u8 COMMAND;
16 u8 Mode;
17 u8 wr_data［2］;
18 u8 wrnumber;
19 u8 get_data;
20
21
22 void DS1337_Set_time（DS1337_time dt）;
23
24
25 char bcd2bin（char bcd_value）
26 {
27 char temp;
28 temp = bcd_value;
29 temp 》》= 1;
30 temp = 0x78;
31 return（temp + （temp 》》 2） + （bcd_value 0x0f））;
32 }
33
34
35 unsigned char bin2bcd（unsigned char value）
36 {
37 char retval;
38 retval = 0;
39
40 while（1）
41 {
42 if（value 》= 10）
43 {
44 value -= 10;
45 retval += 0x10;
46 }
47 else
48 {
49 retval += value;
50 break;
51 }
52 }
53 return（retval）;
第25行的函數(shù)是將BCD碼轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)。第35行的函數(shù)是將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為BCD碼。
1 void init_iic（void）
2 {
3 SMB0CN = 0x44; // Enable SMBus with acknowledge low （AA = 1）
4 SMB0CR = 146; // SMBus clock rate = 100 kHz 146
5 EIE1 “= 2; // SMBus interrupt enable
6 SI = 0;
7 SMB_BUSY = 1;
8 }
9
10
11 void Write_DS1337（u8 adrress， u8 data1）
12 {
13 Mode = 1;
14 wrnumber = 2 ;
15 wr_data［0］ = adrress;
16 wr_data［1］ = data1;
17 SMB0CN = 0x44;
18 COMMAND = DS1337_ADDR;
19 STO = 0;
20 STA = 1;
21 SMB_BUSY = 1;
22 while（SMB_BUSY）;
23 }
24
25
26 int Read_DS1337（u8 adrress）
27 {
28 Mode=0;
29 SMB0CN = 0x44;
30 COMMAND = （DS1337_ADDR | 0x01）;
31 wr_data［0］ = adrress;
32 STO = 0;
33 STA = 1;
34 SMB_BUSY = 1;
35 while（SMB_BUSY）;
36 return get_data;
37 }
第1行的函數(shù)初始化SMBus總線。第11行的函數(shù)為DS1337寫操作。第26行的函數(shù)為DS1337讀操作。
1 void DS1337_init（）
2 {
3 u8 status;
4 DS1337_time DT;
5
6 DT.second = 30;
7 DT.minute = 50;
8 DT.hour = 21;
9 DT.day = 2;
10 DT.date = 12;
11 DT.month = 8;
12 DT.year = 14;
13
14 status = Read_DS1337（DS1337_STATUS_REG）;
15 if（（status 0x80） ！= 0）
16 {
17 DS1337_Set_time（DT）;
18 Write_DS1337（DS1337_CONTROL_REG，DS1337_CTRL_REG_INIT_VAL）;
19 Write_DS1337（DS1337_STATUS_REG，DS1337_CLEAR_STATUS_VAL）;
20 }
21 }
22
23 void DS1337_Set_time（DS1337_time dt）
24 {
25 u8 bcd_sec，bcd_min，bcd_hrs，bcd_day，bcd_date，bcd_mon，bcd_year;
26
27 bcd_sec = bin2bcd（dt.second）;
28 bcd_min = bin2bcd（dt.minute）;
29 bcd_hrs = bin2bcd（dt.hour）;
30 bcd_day = bin2bcd（dt.day）;
31 bcd_date = bin2bcd（dt.date）;
32 bcd_mon = bin2bcd（dt.month）;
33 bcd_year = bin2bcd（dt.year）;
34
35 Write_DS1337（DS1337_SECONDS_REG，bcd_sec）;
36 Write_DS1337（DS1337_MINUTES_REG，bcd_min）;
37 Write_DS1337（DS1337_HOURS_REG，bcd_hrs）;
38 Write_DS1337（DS1337_DAY_OF_WEEK_REG，bcd_day）;
39 Write_DS1337（DS1337_DATE_REG，bcd_date）;
40 Write_DS1337（DS1337_MONTH_REG，bcd_mon）;
41 Write_DS1337（DS1337_YEAR_REG，bcd_year）;
42 }
43
44 void DS1337_Get_time（）
45 {
46 u8 bcd_sec，bcd_min，bcd_hrs，bcd_day，bcd_date，bcd_mon，bcd_year;
47
48 bcd_sec = Read_DS1337（DS1337_SECONDS_REG）;
49 bcd_min = Read_DS1337（DS1337_MINUTES_REG）;
50 bcd_hrs = Read_DS1337（DS1337_HOURS_REG）;
51 bcd_day = Read_DS1337（DS1337_DAY_OF_WEEK_REG）;
52 bcd_date = Read_DS1337（DS1337_DATE_REG）;
53 bcd_mon = Read_DS1337（DS1337_MONTH_REG）;
54 bcd_year = Read_DS1337（DS1337_YEAR_REG）;
55
56 Time.second = bcd2bin（bcd_sec）;
57 Time.minute = bcd2bin（bcd_min）;
58 Time.hour = bcd2bin（bcd_hrs）;
59 Time.day = bcd2bin（bcd_day）;
60 Time.date = bcd2bin（bcd_date）;
61 Time.month = bcd2bin（bcd_mon）;
62 Time.year = bcd2bin（bcd_year）;
63 }
第1行的函數(shù)為初始化DS1337，讀取狀態(tài)寄存器，如果最高位不為0，則初始化時間。第23行的函數(shù)為設(shè)置時間，包括年月日星期時分秒。第44行的函數(shù)為讀取時間。
1 #ifdef eclipse
2 void SMBUS_ISR（void）
3 #else
4 void SMBUS_ISR （void） interrupt ESMB0_VECTOR
5 #endif
6 {
7 switch （SMB0STA）
8 {
9 case SMB_START： //起始條件已發(fā)送
10 SMB0DAT = （COMMAND 0xFE）;
11 STA = 0;
12 break;
13 case SMB_RP_START： //重復(fù)起始條件已發(fā)送
14 SMB0DAT = COMMAND;
15 STA = 0;
16 break;
17 case SMB_MTADDACK： //地址 + WRITE已發(fā)送，收到ACK
18 SMB0DAT = wr_data［0］;
19 break;
20 case SMB_MTADDNACK： //地址 + WRITE已發(fā)送，收到NACK。
21 STO = 1; //發(fā)送STOP + START重試
22 STA = 1;
23 break;
24 case SMB_MTDBACK： //數(shù)據(jù)字節(jié)已發(fā)送，收到ACK。
25 switch（Mode）
26 {
27 case 1：
28 wrnumber--;
29 if（wrnumber）
30 SMB0DAT = wr_data［1］;
31 else
32 {
33 STO = 1;
34 SMB_BUSY=0;
35 }
36 break;
37 case 0：
38 STA = 1;
39 break;
40 default：
41 STO = 1;
42 SMB_BUSY = 0;
43 break;
44 }
45 break;
46 case SMB_MTDBNACK： //數(shù)據(jù)字節(jié)
46 case SMB_MTDBNACK： //數(shù)據(jù)字節(jié)已發(fā)送，收到NACK。
47 STO = 1;
48 STA = 1;
49 break;
50 case SMB_MTARBLOST： //競爭失敗
51 STO = 1;
52 STA = 1;
53 break;
54 case SMB_MRADDACK： //地址 + READ 已發(fā)送。收到ACK
55 AA = 0;
56 break;
57 case SMB_MRADDNACK： //地址 + READ 已發(fā)送。收到NACK
58 STO = 0;
59 STA = 1;
60 break;
61 case SMB_MRDBACK： //收到數(shù)據(jù)字節(jié)。ACK已發(fā)送
62 get_data = SMB0DAT;
63 SMB_BUSY = 0; //完成
64 STO = 1;
65 break;
66 case SMB_MRDBNACK： //收到數(shù)據(jù)字節(jié)。NACK已發(fā)送
67 get_data = SMB0DAT;
68 SMB_BUSY = 0;
69 STO = 1;
70 break;
71 default：
72 STO = 1;
73 break;
74 }
75 SI = 0;
76 }
SMBus中斷，需要手動清除中斷標(biāo)志。
3.3 實物
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