《手把手教你學(xué)51單片機(jī)-C語言版》之十五----實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302

1.1BCD碼的概念

在日常生產(chǎn)生活中用的最多的數(shù)字是十進(jìn)制數(shù)字，而單片機(jī)系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)本質(zhì)上都是二進(jìn)制的，所以聰明的前輩們就給我們創(chuàng)造了BCD碼。

BCD碼(Binary-CodedDecimal)亦稱二進(jìn)碼十進(jìn)制數(shù)或二-十進(jìn)制代碼。用4位二進(jìn)制數(shù)來表示1位十進(jìn)制數(shù)中的0～9這10個(gè)數(shù)字。是一種二進(jìn)制的數(shù)字編碼形式，用二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制代碼。BCD碼這種編碼形式利用了四個(gè)位元來儲(chǔ)存一個(gè)十進(jìn)制的數(shù)碼，使二進(jìn)制和十進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換得以快捷的進(jìn)行。我們前邊講過十六進(jìn)制和二進(jìn)制本質(zhì)上是一回事，十六進(jìn)制僅僅是二進(jìn)制的一種縮寫形式而已。而十進(jìn)制的一位數(shù)字，從0到9，最大的數(shù)字就是9，再加1就要進(jìn)位，所以用4位二進(jìn)制表示十進(jìn)制，就是從0b0000到0b1001，不存在0b1010、0b1011、0b1100、0b1101、0b1110、0b1111這6個(gè)數(shù)字。BCD碼如果到了0b1001，再加1的話，數(shù)字就變成0b00010000這樣了，相當(dāng)于用了8位的二進(jìn)制數(shù)字表示了2位的十進(jìn)制數(shù)字。

BCD碼的應(yīng)用還是非常廣泛的，比如我們這節(jié)課要學(xué)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，日期時(shí)間在時(shí)鐘芯片中的存儲(chǔ)格式就是BCD碼，當(dāng)我們需要把它記錄的時(shí)間轉(zhuǎn)換成可以直觀顯示的ASCII碼時(shí)（比如在液晶上顯示），就可以省去一步由二進(jìn)制的整型數(shù)到ASCII的轉(zhuǎn)換過程，而直接取出表示十進(jìn)制1位數(shù)字的4個(gè)二進(jìn)制位然后再加上0x30就可組成一個(gè)ASCII碼字節(jié)了，這樣就會(huì)方便的多，在后面的實(shí)際例程中將看到這個(gè)簡單的轉(zhuǎn)換。

1.2SPI時(shí)序初步認(rèn)識(shí)

UART、I2C和SPI是單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的三種通信協(xié)議。前邊我們已經(jīng)學(xué)了UART和I2C通信協(xié)議，這節(jié)課我們來學(xué)習(xí)剩下的SPI通信協(xié)議。

SPI是英語SerialPeripheralInterface的縮寫，顧名思義就是串行外圍設(shè)備接口。SPI是一種高速的、全雙工、同步通信總線，標(biāo)準(zhǔn)的SPI也僅僅使用4個(gè)引腳，常用于單片機(jī)和EEPROM、FLASH、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、數(shù)字信號(hào)處理器等器件的通信。SPI通信原理比I2C要簡單，它主要是主從方式通信，這種模式通常只有一個(gè)主機(jī)和一個(gè)或者多個(gè)從機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)的SPI是4根線，分別是SSEL（片選，也寫作SCS）、SCLK（時(shí)鐘，也寫作SCK）、MOSI（主機(jī)輸出從機(jī)輸入MasterOutput/SlaveInput）和MISO（主機(jī)輸入從機(jī)輸出MasterInput/SlaveOutput）。

SSEL：從設(shè)備片選使能信號(hào)。如果從設(shè)備是低電平使能的話，當(dāng)拉低這個(gè)引腳后，從設(shè)備就會(huì)被選中，主機(jī)和這個(gè)被選中的從機(jī)進(jìn)行通信。

SCLK：時(shí)鐘信號(hào)，由主機(jī)產(chǎn)生，和I2C通信的SCL有點(diǎn)類似。

MOSI：主機(jī)給從機(jī)發(fā)送指令或者數(shù)據(jù)的通道。

MISO：主機(jī)讀取從機(jī)的狀態(tài)或者數(shù)據(jù)的通道。

在某些情況下，我們也可以用3根線的SPI或者2根線的SPI進(jìn)行通信。比如主機(jī)只給從機(jī)發(fā)送命令，從機(jī)不需要回復(fù)數(shù)據(jù)的時(shí)候，那么MISO就可以不要；而在主機(jī)只讀取從機(jī)的數(shù)據(jù)，不需要給從機(jī)發(fā)送指令的時(shí)候，那MOSI就可以不要；當(dāng)一個(gè)主機(jī)一個(gè)從機(jī)的時(shí)候，從機(jī)的片選有時(shí)可以固定為有效電平而一直處于使能狀態(tài)，那么SSEL就可以不要；此時(shí)如果再加上主機(jī)只給從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，那么SSEL和MISO都可以不要；如果主機(jī)只讀取從機(jī)送來的數(shù)據(jù)，SSEL和MOSI都可以不要。

3線和2線的SPI大家要知道怎么回事，實(shí)際使用也是有應(yīng)用的，但是當(dāng)我們提及SPI的時(shí)候，一般都是指標(biāo)準(zhǔn)SPI，都是指4根線的這種形式。

SPI通信的主機(jī)也是我們的單片機(jī)，在讀寫數(shù)據(jù)時(shí)序的過程中，有四種模式，要了解這四種模式，首先我們得學(xué)習(xí)以下兩個(gè)名詞。

CPOL:ClockPolarity，就是時(shí)鐘的極性。時(shí)鐘的極性是什么概念呢？通信的整個(gè)過程分為空閑時(shí)刻和通信時(shí)刻，如果SCLK在數(shù)據(jù)發(fā)送之前和之后的空閑狀態(tài)是高電平，那么就是CPOL=1，如果空閑狀態(tài)SCLK是低電平，那么就是CPOL=0。

CPHA:ClockPhase，就是時(shí)鐘的相位。

主機(jī)和從機(jī)要交換數(shù)據(jù)，就牽涉到一個(gè)問題，即主機(jī)在什么時(shí)刻輸出數(shù)據(jù)到MOSI上而從機(jī)在什么時(shí)刻采樣這個(gè)數(shù)據(jù)，或者從機(jī)在什么時(shí)刻輸出數(shù)據(jù)到MISO上而主機(jī)什么時(shí)刻采樣這個(gè)數(shù)據(jù)。同步通信的一個(gè)特點(diǎn)就是所有數(shù)據(jù)的變化和采樣都是伴隨著時(shí)鐘沿進(jìn)行的，也就是說數(shù)據(jù)總是在時(shí)鐘的邊沿附近變化或被采樣。而一個(gè)時(shí)鐘周期必定包含了一個(gè)上升沿和一個(gè)下降沿，這是周期的定義所決定的，只是這兩個(gè)沿的先后并無規(guī)定。又因?yàn)閿?shù)據(jù)從產(chǎn)生的時(shí)刻到它的穩(wěn)定是需要一定時(shí)間的，那么，如果主機(jī)在上升沿輸出數(shù)據(jù)到MOSI上，從機(jī)就只能在下降沿去采樣這個(gè)數(shù)據(jù)了。反之如果一方在下降沿輸出數(shù)據(jù)，那么另一方就必須在上升沿采樣這個(gè)數(shù)據(jù)。

CPHA=1，就表示數(shù)據(jù)的輸出是在一個(gè)時(shí)鐘周期的第一個(gè)沿上，至于這個(gè)沿是上升沿還是下降沿，這要視CPOL的值而定，CPOL=1那就是下降沿，反之就是上升沿。那么數(shù)據(jù)的采樣自然就是在第二個(gè)沿上了。

CPHA=0，就表示數(shù)據(jù)的采樣是在一個(gè)時(shí)鐘周期的第一個(gè)沿上，同樣它是什么沿由CPOL決定。那么數(shù)據(jù)的輸出自然就在第二個(gè)沿上了。仔細(xì)想一下，這里會(huì)有一個(gè)問題：就是當(dāng)一幀數(shù)據(jù)開始傳輸?shù)谝粋€(gè)bit時(shí)，在第一個(gè)時(shí)鐘沿上就采樣該數(shù)據(jù)了，那么它是在什么時(shí)候輸出來的呢？有兩種情況：一是SSEL使能的邊沿，二是上一幀數(shù)據(jù)的最后一個(gè)時(shí)鐘沿，有時(shí)兩種情況還會(huì)同時(shí)生效。

我們以CPOL=1/CPHA=1為例，把時(shí)序圖畫出來給大家看一下，如圖15-1所示。

15-1SPI通信時(shí)序圖（一）

大家看圖15-1所示，當(dāng)數(shù)據(jù)未發(fā)送時(shí)以及發(fā)送完畢后，SCK都是高電平，因此CPOL=1?？梢钥闯?，在SCK第一個(gè)沿的時(shí)候，MOSI和MISO會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)SCK第二個(gè)沿的時(shí)候，數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的，此刻采樣數(shù)據(jù)是合適的，也就是上升沿即一個(gè)時(shí)鐘周期的后沿鎖存讀取數(shù)據(jù)，即CPHA=1。注意最后最隱蔽的SSEL片選，這個(gè)引腳通常用來決定是哪個(gè)從機(jī)和主機(jī)進(jìn)行通信。剩余的三種模式，我們把圖畫出來，簡化起見把MOSI和MISO合在一起了，大家仔細(xì)對(duì)照看看研究一下，把所有的理論過程都弄清楚，有利于你對(duì)SPI通信的深刻理解，如圖15-2所示。

15-2SPI通信時(shí)序圖（二）

在時(shí)序上，SPI是不是比I2C要簡單的多？沒有了起始、停止和應(yīng)答，UART和SPI在通信的時(shí)候，只負(fù)責(zé)通信，不管是否通信成功，而I2C卻要通過應(yīng)答信息來獲取通信成功失敗的信息，所以相對(duì)來說，UART和SPI的時(shí)序都要比I2C簡單一些。

1.3實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302

DS1302是個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，我們可以用單片機(jī)寫入時(shí)間或者讀取當(dāng)前的時(shí)間數(shù)據(jù)，下面帶著大家通過閱讀這個(gè)芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)來學(xué)習(xí)和掌握這個(gè)器件。

由于IT技術(shù)國際化比較強(qiáng)，因此數(shù)據(jù)手冊(cè)絕大多數(shù)都是英文的，導(dǎo)致很多英語基礎(chǔ)不好的同學(xué)看到英文手冊(cè)頭就大了。這里我要告訴大家的是，只要精神不退縮，方法總比困難多，很多英語水平不高的，看數(shù)據(jù)手冊(cè)照樣完全沒問題，因?yàn)槲覀冇玫降膶I(yè)詞匯也就那么幾個(gè)，多看幾次就認(rèn)識(shí)了。我們現(xiàn)在不是考試，因此大家可以充分利用一些英文翻譯軟件，翻譯過來的中文意思有時(shí)候可能不是那么準(zhǔn)確，那你就把翻譯的內(nèi)容和英文手冊(cè)里的一些圖表比較參考學(xué)習(xí)。此外數(shù)據(jù)手冊(cè)除了介紹性的說明外，一般還會(huì)配相關(guān)的圖形或者表格，結(jié)合起來看也有利于理解手冊(cè)所表達(dá)的意思。這節(jié)課我會(huì)把DS1302的英文資料盡可能的用比較便于理解的方式給大家表達(dá)出來，同學(xué)們可以把我的表達(dá)和英文手冊(cè)多做一下對(duì)比，盡可能快的開始學(xué)會(huì)了解英文手冊(cè)。

1.3.1DS1302的特點(diǎn)

DS1302是DALLAS（達(dá)拉斯）公司推出的一款涓流充電時(shí)鐘芯片，2001年DALLAS被MAXIM（美信）收購，因此我們看到的DS1302的數(shù)據(jù)手冊(cè)既有DALLAS的標(biāo)志，又有MAXIM的標(biāo)志，大家了解即可。

DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片廣泛應(yīng)用于電話、傳真、便攜式儀器等產(chǎn)品領(lǐng)域，它的主要性能指標(biāo)如下：

1、DS1302是一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，可以提供秒、分、小時(shí)、日期、月、年等信息，并且還有軟件自動(dòng)調(diào)整的能力，可以通過配置AM/PM來決定采用24小時(shí)格式還是12小時(shí)格式。

2、擁有31字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAM。

3、串行I/O通信方式，相對(duì)并行來說比較節(jié)省IO口的使用。

4、DS1302的工作電壓比較寬，在2.0～5.5V的范圍內(nèi)都可以正常工作。

5、DS1302這種時(shí)鐘芯片功耗一般都很低，它在工作電壓2.0V的時(shí)候，工作電流小于300nA。

6、DS1302共有8個(gè)引腳，有兩種封裝形式，一種是DIP-8封裝，芯片寬度（不含引腳）是300mil，一種是SOP-8封裝，有兩種寬度，一種是150mil，一種是208mil。我們看一下DS1302的引腳封裝圖，如圖15-3所示。

圖15-3DS1302封裝圖

所謂的DIP(DualIn-linePackage)封裝，就是雙列直插式封裝技術(shù)，就如同我們開發(fā)板上的STC89C52單片機(jī)，就是個(gè)典型的DIP封裝，當(dāng)然這個(gè)STC89C52還有其它的封裝樣式，為了方便學(xué)習(xí)使用，我們采用的是DIP封裝。而74HC245、74HC138、24C02、DS1302我們用的都是SOP(SmallOut-LinePackage)封裝，是一種芯片兩側(cè)引出L形引腳的封裝技術(shù)，大家可以看看開發(fā)板上的芯片，了解一下這些常識(shí)性知識(shí)。

7、當(dāng)供電電壓是5V的時(shí)候，兼容標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，這里的意思是，可以完美的和單片機(jī)進(jìn)行通信。

8、由于DS1302是DS1202的升級(jí)版本，所以所有的功能都兼容DS1202。此外DS1302有兩個(gè)電源輸入，一個(gè)是主電源，另外一個(gè)是備用電源，比如可以用電池或者大電容，這樣做是為了在系統(tǒng)掉電的情況下，我們的時(shí)鐘還會(huì)繼續(xù)走。如果使用的是充電電池，還可以在正常工作時(shí)，設(shè)置充電功能，給我們的備用電池進(jìn)行充電。

DS1302的特點(diǎn)第二條“擁有31字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAM”，這是DS1302額外存在的資源。這31字節(jié)的RAM相當(dāng)于一個(gè)存儲(chǔ)器一樣，我們編寫單片機(jī)程序的時(shí)候，可以把我們想存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在DS1302里邊，需要的時(shí)候讀出來，這塊功能和EEPROM有點(diǎn)類似，相當(dāng)于一個(gè)掉電丟失數(shù)據(jù)的“EEPROM”，如果我們的時(shí)鐘電路加上備用電池，那么這31個(gè)字節(jié)的RAM就可以替代EEPROM的功能了。這31字節(jié)的RAM功能使用很少，所以在這里我們就不講了，大家了解即可。

1.3.2DS1302的硬件信息

我們平時(shí)所用的不管是單片機(jī)，還是其它一些電子器件，根據(jù)使用條件的約束，可以分為商業(yè)級(jí)和工業(yè)級(jí)，主要是工作溫度范圍的不同，DS1302的購買信息如下圖15-4所示。

圖15-4DS1302訂購信息

我們?cè)谟嗁廌S1302的時(shí)候，就可以根據(jù)圖15-4所標(biāo)識(shí)的來跟銷售廠家溝通，商業(yè)級(jí)的工作溫度范圍略窄，是0～70攝氏度，而工業(yè)級(jí)可以工作在零下40～85攝氏度。TOPMARK就是指在芯片上印的字。

DS1302一共有8個(gè)引腳，下邊要根據(jù)引腳分布圖和典型電路圖來介紹一下每個(gè)引腳的功能，如圖15-5和圖15-6所示。

圖15-5DS1302引腳圖 圖15-6DS1302典型電路

1腳VCC2是主電源正極的引腳，2腳X1和3腳X2是晶振輸入和輸出引腳，4腳GND是負(fù)極，5腳CE是使能引腳，接單片機(jī)的IO口，6腳I/O是數(shù)據(jù)傳輸引腳，接單片機(jī)的IO口，7腳SCLK是通信時(shí)鐘引腳，接單片機(jī)的IO口，8腳VCC1是備用電源引腳?？紤]到KST-51開發(fā)板是一套以學(xué)習(xí)為目的的板子，加上備用電池對(duì)航空運(yùn)輸和攜帶不方便，所以8腳沒有接備用電池，而是接了一個(gè)10uF的電容，這個(gè)電容就相當(dāng)于一個(gè)電量很小的電池，經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)量得出其可以在系統(tǒng)掉電后仍維持DS1302運(yùn)行1分鐘左右，如果大家想運(yùn)行時(shí)間再長，可以加大電容的容量或者換成備用電池，如果掉電后不需要它再維持運(yùn)行，也可以干脆懸空，如圖15-7和圖15-8所示。

圖15-7DS1302電容作備用電源 圖15-8DS1302無備用電源

涓流充電功能，基本也用不到，因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用中很少會(huì)選擇可充電電池作為備用電源，成本太高，本課程也不講了，大家作為選學(xué)即可。我們使用的時(shí)候直接用5V電源接一個(gè)二極管，在主電源上電的情況下給電容充電，在主電源掉電的情況下，二極管可以防止電容向主電路放電，而僅用來維持DS1302的供電，這種電路的最大用處是在電池供電系統(tǒng)中更換主電池的時(shí)候保持實(shí)時(shí)時(shí)鐘的運(yùn)行不中斷，1分鐘的時(shí)間對(duì)于更換電池足夠了。此外，通過我們的使用經(jīng)驗(yàn)，在DS1302的主電源引腳串聯(lián)一個(gè)1K電阻可以有效的防止電源對(duì)DS1302的沖擊，R6就是這個(gè)電阻，而R9、R26、R32都是上拉電阻。

我們把8個(gè)引腳功能分別介紹，如表15-1所示。

表15-1DS1302引腳功能圖

DS1302電路的一個(gè)重點(diǎn)就是晶振電路，它所使用的晶振是一個(gè)32.768k的晶振，晶振外部也不需要額外添加其它的電容或者電阻了。時(shí)鐘的精度，首先取決于晶振的精度以及晶振的引腳負(fù)載電容。如果晶振不準(zhǔn)或者負(fù)載電容過大或過小，都會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘誤差過大。在這一切都搞定后，最終一個(gè)考慮因素是晶振的溫漂。隨著溫度的變化，晶振的精度也會(huì)發(fā)生變化，因此，在實(shí)際的系統(tǒng)中，其中一種方法就是經(jīng)常校對(duì)。比如我們所用的電腦的時(shí)鐘，通常我們會(huì)設(shè)置一個(gè)選項(xiàng)“將計(jì)算機(jī)設(shè)置與internet時(shí)間同步”。選中這個(gè)選項(xiàng)后，一般過一段時(shí)間，我們的計(jì)算機(jī)就會(huì)和internet時(shí)間校準(zhǔn)同步一次。

1.3.3DS1302寄存器介紹

DS1302的一條指令一個(gè)字節(jié)共8位，其中第7位（即最高位）固定為1，這一位如果是0的話，那寫進(jìn)去也是無效的。第6位是選擇RAM還是CLOCK的，我前邊說過，我們這里主要講CLOCK時(shí)鐘的使用，它的RAM功能我們不用，所以如果選擇CLOCK功能，第6位是0，如果要用RAM，那第6位就是1。從第5到第1位，決定了寄存器的5位地址，而第0位是讀寫位，如果要寫，這一位就是0，如果要讀，這一位就是1。指令字節(jié)直觀位分配如圖15-9所示。

圖15-9DS1302命令字節(jié)

DS1302時(shí)鐘的寄存器，其中8個(gè)和時(shí)鐘有關(guān)的，5位地址分別是0b00000～0b00111，還有一個(gè)寄存器的地址是01000，這是涓流充電所用的寄存器，我們這里不講。在DS1302的數(shù)據(jù)手冊(cè)里的地址，直接把第7位、第6位和第0位值給出來了，所以指令就成了0x80、0x81那些了，最低位是1，那么表示讀，最低位是0表示寫，如圖15-10所示。

圖15-10DS1302的時(shí)鐘寄存器

寄存器0：最高位CH是一個(gè)時(shí)鐘停止標(biāo)志位。如果時(shí)鐘電路有備用電源，上電后，我們要先檢測(cè)一下這一位，如果這一位是0，那說明時(shí)鐘芯片在系統(tǒng)掉電后，由于備用電源的供給，時(shí)鐘是持續(xù)正常運(yùn)行的；如果這一位是1，那么說明時(shí)鐘芯片在系統(tǒng)掉電后，時(shí)鐘部分不工作了。如果Vcc1懸空或者是電池沒電了，當(dāng)我們下次重新上電時(shí)，讀取這一位，那這一位就是1，我們可以通過這一位判斷時(shí)鐘在單片機(jī)系統(tǒng)掉電后是否還正常運(yùn)行。剩下的7位高3位是秒的十位，低4位是秒的個(gè)位，這里再提請(qǐng)注意一次，DS1302內(nèi)部是BCD碼，而秒的十位最大是5，所以3個(gè)二進(jìn)制位就夠了。

寄存器1：最高位未使用，剩下的7位中高3位是分鐘的十位，低4位是分鐘的個(gè)位。

寄存器2：bit7是1的話代表是12小時(shí)制，0代表是24小時(shí)制；bit6固定是0，bit5在12小時(shí)制下0代表的是上午，1代表的是下午，在24小時(shí)制下和bit4一起代表了小時(shí)的十位，低4位代表的是小時(shí)的個(gè)位。

寄存器3：高2位固定是0，bit5和bit4是日期的十位，低4位是日期的個(gè)位。

寄存器4：高3位固定是0，bit4是月的十位，低4位是月的個(gè)位。

寄存器5：高5位固定是0，低3位代表了星期。

寄存器6：高4位代表了年的十位，低4位代表了年的個(gè)位。請(qǐng)?zhí)貏e注意，這里的00～99指的是2000年～2099年。

寄存器7：最高位一個(gè)寫保護(hù)位，如果這一位是1，那么是禁止給任何其它寄存器或者那31個(gè)字節(jié)的RAM寫數(shù)據(jù)的。因此在寫數(shù)據(jù)之前，這一位必須先寫成0。