Часы реального времени с последовательным интерфейсом DS1307 — это малопотребляющие полные двоично-десятичные часы-календарь, включающие 56 байтов энергонезависимой статической ОЗУ. Адреса и данные передаются последовательно по двухпроводной двунаправленной шине. Часы-календарь отсчитывают секунды, минуты, часы, день, дату, месяц и год. Последняя дата месяца автоматически корректируется для месяцев с количеством дней меньше 31, включая коррекцию високосного года. Часы работают как в 24-часовом, так и в 12-часовом режимах с индикатором AM/PM. DS1307 имеет встроенную схему наблюдения за питанием, которая обнаруживает перебои питания и автоматически переключается на питание от батареи.
Работа микросхемы.
DS1307 на последовательной шине работает как ведомое устройство. Доступ к нему достигается установкой условия START и передачей устройству идентификационного кода, за которым следует адрес регистра. К следующим за ним регистрам доступ осуществляется последовательно, пока не будет выполнено условие STOP.
Если V CC падает ниже 1.25 * V BAT
, DS1307 прерывает процесс доступа и сбрасывает счётчик адреса, причем в это время внешние сигналы не воспринимаются (чтобы предотвратить запись ошибочных данных).
Если V CC падает ниже V BAT
, DS1307 переключается в низкоточный режим батарейной поддержки.
При включении питания DS1307 переключается от батареи к Vcc, когда значение Vcc превышает V BAT + 0.2 В
. Входящие сигналы начинают восприниматься тогда, когда Vcc превышает 1.25 * V BAT
.
Скачать русское описание
Скачали 3077 раз
Скачать оригинальную документацию
В этом материале будет рассмотрен топорный вариант работы с TWI модулем на примере часов реального времени - микросхемы DS1307. Топорный, потому что обмен по I2C будет организован без прерываний и анализа статусных кодов, чтобы сильно не грузить начинающих.
DS1307
Микросхема DS1307 предназначена для счета времени - секунд, минут, часов, дней, месяцев и лет. То есть по сути, это часы с календарем.
Она тактируется от собственного кварцевого генератора с частотой 32768 Гц и может работать от двух источников питания - основного и резервного. Важная фишка этой микросхемы заключается в низком потреблении - меньше 500 nA в рабочем режиме. При таком потреблении DS1307 может проработать от трехвольтовой батарейки (типа CR2032 емкостью ~200 мА*ч) несколько лет. Также DS1307 может генерировать на одном из выводов меандр и в ее составе есть 56 байт оперативной памяти, которую можно использовать для хранения данных.
Минимальная схема подключения DS1307 включает в себя часовой кварц и один источник питания. Обмен данными с микросхемой осуществляется по I2C, причем DS1307 может работать на шине только как подчиненное устройство (слейвом).
С чего начать?
Подключение любой микросхемы начинается с изучения даташита. В случае DS1307 нам нужно выяснить: какую скорость обмена поддерживает микросхема, какой она имеет адрес, как выглядит карта памяти, есть ли у нее управляющие биты или регистры, как передать данные и как прочитать их. Ниже приведены скриншоты из даташита, в которых я нашел требуемую информацию.
Скорость обмена DS1307
Адрес, по которому DS1307 отзывается на I2C шине
Карта памяти DS1307
Карта памяти показывает, по каким адресам расположены регистры микросхемы и сколько их вообще.
По нулевому адресу располагается регистр секунд. Младшие 4 разряда регистра отведены для единиц, там может быть число от 0 до 9. Старшие - для десятков секунд.
Это так называемый двоично-десятичный формат представления чисел (BCD).При таком формате один байт может представить числа только от 0 до 99. Остальные регистры часов и календаря содержат данные в таком же формате.
7-й разряд регистра секунд - управляющий. 0 в этом разряде разрешает работу часов, 1 - запрещает. При подачи питания этот разряд устанавливается в 1.
По первому адресу расположен регистр минут. С ним все понятно.
По второму адресу располагается регистр часов. 6-й бит этого регистра задает формат представления времени. Если он установлен в 1 используется 12 часовой формат, если сброшен -24 часовой.
По седьмому адресу располагается регистр, управляющий выводом SQW. На него можно выводить внутренний тактовый сигнал разной частоты. Значения битов описаны в даташите. Нас они сейчас не интересуют.
Ну и адреса с 8 по 63-й отведены для оперативной памяти. Их можно использовать для хранения данных.
Как записать данные в DS1307
DS1307 может работать в двух режимах: как подчиненный приемник и как подчиненный передатчик. В первом режиме ведущее устройство передает DS1307 данные, а DS1307 принимает их. Во втором - ведущее устройство принимает от DS1307 данные, а та в свою очередь передает их. (Но обмен в обоих случаях начинает ведущий!)
Для каждого режима в даташите есть описание и диаграмма обмена. Запись данных выполняется согласно следующей последовательности.
2. Ведущий выдает на шину адрес DS1307 с нулевым битом квитирования (адресный пакет), что сигнализирует ведомому о последующей записи данных.
3. Если на шине присутствует микросхема DS1307, она отвечает ведущему - ACK.
4. После получения ответа ведущий передает DS1307 адрес регистра, с которого начнется запись данных. Это значение записывается во внутренний счетчик адреса DS1307.
5. DS1307 снова отвечает ведущему.
6. Получив ответ, ведущий передает ведомому байт данных, который предназначен для записи в регистр DS1307.
7. DS1307 отвечает ведущему.
8. Шаги 6, 7 повторяются несколько раз.
9. Ведущий формирует на шине состояние СТОП.
Адрес, по которому выполняется запись в DS1307, автоматически увеличивается на единицу. Дойдя до последнего адреса, счетчик обнуляется. Записывать можно любое число байт - хоть один, хоть все.
1. Ведущий формирует на шине состояние СТАРТ.
2. Ведущий выдает на шину адрес DS1307 с установленным битом квитирования, что сигнализирует ведомому о последующем чтении данных.
3. DS1307 отвечает ведущему.
4. DS1307 передает ведущему байт данных, на который указывает внутренний счетчик адреса.
5. Ведущий отвечает, что принял данные.
6 . Шаги 4, 5 повторяются несколько раз.
7. DS1307 передает ведущему байт данных.
7. Ведущий неформирует ответ DS1307.
8. Ведущий выдает на шину состояние СТОП.
Поскольку чтение данных выполняется по адресу внутреннего счетчика, его значение нужно предварительно инициализировать. Это делается с помощью операции записи, которая обрывается после передачи адреса регистра.
Код
Теперь можно перейти к коду. Нам понадобится минимум три функции:
Функция инициализации,
- функция записи данных,
- функция чтения данных.
Инициализация
#define F_I2C 50000UL
#define TWBR_VALUE (((F_CPU)/(F_I2C)-16)/2)
#if ((TWBR_VALUE > 255) || (TWBR_VALUE == 0))
#error "TWBR value is not correct"
#endif
void RTC_Init(void)
{
TWBR = TWBR_VALUE;
TWSR = 0;
}
Скорость задается с помощью макроса TWBR_VALUE. Здесь используется формула, разобранная в предыдущей части. При компиляции расчетное значение проверяется с помощью директив препроцессора, чтобы убедиться, что оно не выходит за диапазон.
Передача данных
Передача данных начинается с состояния СТАРТ. Чтобы сформировать его, нужно включить TWI модуль, установить бит TWSTA и сбросить флаг прерывания TWINT. Это выполняется в одну строчку, записью в управляющий регистр TWCR.
Когда микроконтроллер выдаст на шину состояние СТАРТ, установится бит TWINT и в статусном регистре TWSR изменится статусный код. Микроконтроллер должен дождаться установки бита TWINT, прежде чем перейдет к следующей операции. Ожидание в нашем случае выполняется циклическим опросом (тупо поллингом.. не путать с троллингом).
TWCR = (1<
Каждая установка бита TWINT сопровождается определенным статусным кодом в регистре TWSR. По хорошему, мы должны проверять эти коды, чтобы контролировать успешность операций. Но поскольку код у нас торный (учебный), мы не будем этого делать.
Далее на шину нужно выдать адресный пакет. В регистр данных TWDR загружаем адрес, а бит квитирования устанавливаем нулевым. После загрузки адреса сбрасываем бит TWINT, инициируя дальнейшую работу TWI модуля, и дожидаемся, когда она завершится, опрашивая TWINT.
/*выдаем на шину пакет SLA-W*/
TWDR = (DS1307_ADR<<1)|0;
TWCR = (1<
Посылаем на шину адрес, с которого будет производиться запись в DS1307. Для этого загружаем в регистр данных требуемое значение, сбрасываем бит TWINT и дожидаемся его установки.
TWDR = adr;
TWCR = (1<
/*формируем состояние СТОП*/
TWCR = (1<
Полный код функции записи будет выглядеть примерно так.
/*выдаемна шину пакет SLA-W*/ /*передаем адрес регистра ds1307*/ /*передаем данные или пропускаем*/ TWDR = data; /*формируем состояние СТОП*/ С помощью этой функции можно производить запись отдельных регистров и инициализировать внутренний регистр адреса DS1307 для последующей операции чтения данных. Пример использования функции есть в тестовых проектах. Чтение данных из DS1307
Формируем состояние СТАРТ. Посылаем на шину адресный пакет - адрес и установленный бит квитирования. Получаем данные. Сбрасываем бит TWINT, инициирую работу TWI модуля. Бит TWEA должен быть установлен в 1, чтобы ведущее устройство сигнализировало ведомому о приеме очередного байта. /*формируем состояние СТОП*/ Полный код функции чтения одного байта данный из DS1307 будет выглядеть примерно так. /*формируем состояние СТАРТ*/ /*выдаем на шину пакет SLA-R*/ /*считываем данные*/ /*формируем состояние СТОП*/ Return data; Как обычно тестовый проект, объединяющий все выше сказанное. Программа простая. Инициализируем периферию, загружаем в DS1307 начальное значение. Далее в цикле считываем временя и выводим на LCD. Для общения с DS1307 используются всего три функции. Подсчет реального времени в секундах, минутах, часах, датах месяца, месяцах, днях недели и годах с учетом высокосности текущего года вплоть до 2100 г. 56 байт энергонезависимого ОЗУ для хранения данных 2-х проводной последовательный интерфейс Программируемый генератор прямоугольных импульсов. Может выдавать 1 ГЦ, 4.096 кГЦ, 8,192 кГЦ и 32,768 кГц. Автоматическое определение отключения основного источника питания и подключение резервного 24-х часовой и 12-ти часовой режим Потребление не более 500 нA при питании от резервной батареи питания при температуре 25C° Микросхема выпускается в восьмипиновых DIP и SOIC корпусах. Распиновка для всех одинакова. Далее приведу строки из даташита для полноты картины. Документация на микросхему (datasheet) . X1, X2
- Служат для подключения 32.768 кГц кварцевого резонатора . Vbat
- Вход для любой стандартной трёхвольтовой литиевой батареи или другого источника энергии. Для нормальной работы DS1307 необходимо, чтобы напряжение батареи было в диапазоне 2.0 ... 3.5 В. Литиевая батарея с ёмкостью 48 мА/ч или более при отсутствии питания будет поддерживать DS1307 в . GND
- общий минус . Vcc
- Это вход +5 В. Когда питающее напряжение выше 1.25 * VBAT, устройство полностью,доступно, и можно выполнять чтение и запись данных. Когда к устройству подключена батарея на 3 В, и Vcc ниже, чем 1.25 * VBAT, чтение и запись запрещены, однако функция отсчёта времени продолжает работать. Как только Vcc падает ниже VBAT, ОЗУ и RTC переключаются на батарейное питание VBAT. . SQW/OUT
- Выходной сигнал с прямоугольными импульсами. . SCL
- (Serial Clock Input - вход последовательных синхроимпульсов) - используется для синхронизации данных по последовательному интерфейсу. . SDA
- (Serial Data Input/Output - вход/выход последовательных данных) - вывод входа/выхода для двухпроводного последовательного интерфейса. Для начала рассмотрим структуру регистров DS1307. Структура регистров микросхемы DS1307 Нас интересует "Управляющий регистр" находящийся по адресу 0x7, т.к. он определяет работу вывода SQW/OUT. Если бит SQWE = 1. то начинается формирование прямоугольных импульсов, если SQWE = 0, то на выходе вывода будет значение бита OUT. За частоту импульсов отвечают биты RS0 и RS1, а именно: Приведем пример: Если нам нужно начать формирование прямоугольных импульсов с частотой 1 Гц, то необходимо в 0x7 регистр микросхемы, которая имеет адрес 0x68 отправить байт 00010000 или 0x10 в шестнадцатиричной системе счисления. При помощи библиотеки Wire.h
, это можно сделать следующим образом: Выводы отвечающие за интерфейс I2C на платах Arduino на базе различных контроллеров разнятся. для работы с DS1307: http://www.pjrc.com/teensy/td_libs_DS1307RTC.html Время задается вручную в программном коде и заливается в плату Arduino. Данный способ не самый точный т.к. время на компиляцию и загрузку может занимать различный временной промежуток. Пример программного кода #include Более точный вариант установки времени. Время задается через "монитор порта" по ходу работы контроллера. Открываем монитор, вводим данные в нужном формате, смотрим на эталонные часы, подлавливаем момент и шелкаем "отправить". Пример программного кода //формат указания текущего времени "ДД.ММ.ГГ чч:мм:сс"
//где ДД - день, ММ - месяц, ГГ - год, чч - часы, мм - минуты, сс - секунлы
//ГГ - от 00 до 99 для 2000-2099 годов
#include Во многих конструкциях полезно знать текущее время, но не всегда есть возможность, да и если контроллер будет сильно загружен, то часы будут постоянно отставать или спешить, что не очень хорошо. Выходом может стать внешний готовый источник времени – часы реального времени — DS1307. Часы состоят из микросхемы DS1307, кварца на 32,768Кгц, батарейки и 2-х подтягивающих резисторов на линии SDA и SLC. Благодаря батарейке они продолжают идти при отключении внешнего питания. Также у DS1307 есть свободные 56 байтов энергозависимой статической ОЗУ, которые можно использовать в своих целях. Линии SCL и SDA – это I2C. На линии SQW – находиться тактовый импульс с частотой от 1 Гц до 32,768 Кгц, обычно она не используется. У часов есть пара особенностей: 1.
что бы они работали, в них должна быть батарейка или на крайний случай резистор на 4-10кОм, иначе они не будут работать и отвечать всяким мусором. Немного теории
Хронометр имеет фиксированный адрес 68h, в 7 битовом адресе + 1 бит указывает на действие – чтение/запись. Для включения часов следует установить бит CH в ноль, это следует сделать принудительно, т.к. часы после включения по умолчанию выключены. Часы хранят информацию в двоично-десятичном виде – для получения данных достаточно прочитать соответствующий им регистр. DS1307 может работать как в 24, так и в 12 часовом режиме – за это отвечает бит 12/24 (02h 6 бит). При 24 часовом режиме 5 и 4 биты регистра 02h соответствуют текущему десятку часа, при 12 часовом режиме 4 бит хранит десяток, а 5 признак до полудня / после полудня. 7 регистр отвечает за выходной тактовый генератор часов, SQW вывод. Бит OUT инвертирует выходной сигнал, бит SQWE включает тактовый генеретор, а биты RS0 и RS1 устанавливают частоту тактового импульса. Практика
Был изготовлен небольшой модуль часов реального времени. На макетке были собраны часы с использованием микроконтроллера PIC16F628A, знакогенерирующего дисплея 2×16, одной кнопки для задания времени, модуля часов реального времени и с небольшим количеством обвязки. Плата содержит микросхему DS1307 в SMD исполнении. К ней подпаян кварц на 32,768 КГц, в корпусе DT-38, вокруг кварца должно быть кольцо земли и корпус самого кварц тоже стоит подключить к земле, для этого рядом с ним предусмотрено специальное отверстие. Для работы часов в автономном режиме предусмотрена батарейка на 3В CR120. Также для индикации работы модуля можно установить SMD светодиод с резистором на 470 Ом в корпусе типоразмера 0805. PIC16F628A не содержит аппаратного I2C, поэтому он был реализован программно. Программный I2C был написан с нуля, он немного отличается от стандартного протокола, тем, что не ждёт подтверждения от слейва. Программный I2C будет рассмотрен в одной из следующих статей. На основе функций работы с I2C были реализованы следующие функции управления DS1307: Void ds_write(unsigned char addr,unsigned char data)
{
i2c_start();
i2c_write(0xD0);
i2c_write(addr);
i2c_write(data);
i2c_stop();
}
unsigned char ds_read(unsigned char addr)
{
unsigned temp;
i2c_start();
i2c_write(0xD0);
i2c_write(addr);
i2c_stop();
i2c_start();
i2c_write(0xD1);
temp=i2c_read(0);
i2c_stop();
return temp;
}
void ds_off()
{
ds_write(0x00,ds_read(0x00)|0x80);
}
void ds_on()
{
ds_write(0x00,ds_read(0x00)&~0x80);
}
void ds_init()
{
unsigned char i;
// устанавливаем режим 24 часа
i=ds_read(0x02);
if((i&0x40)!=0)
{
ds_write(0x02,i&~0x40);
}
// Если часы выключены - то включаем их
i=ds_read(0x00);
if((i&0x80)!=0)
{
ds_write(0x00,i&~0x80);
}
}
unsigned char IntToBoolInt(unsigned char data)
{
data=data%100;
return data/10*16+data%10;
}
ds_write(адрес,
байт данных)
— отправляет 1 байт данных по указанному адресу DS1307 Во время инициализации проверяются и устанавливаются, если выключены следующие биты: бит отвечающий за 24-х часовой режим работы часов и бит отвечающий за включенное состояние часов. Были реализованы 2 функции для включения и отключения часов. DS1307 может отправлять и принимать как однобайтовые посылки, так и много байтовые, но для упрощения работы с часами функции для чтения и записи только однобайтовые. Для установки часов есть ещё функция для преобразования привычной десятичной формы представления числа в двоично-десятичную, в которой микросхема хранит показатели времени. Приведённых функция для работы с часами вполне достаточно. В прошивки реализованы функции для считывания и вывода на дисплей времени – time()
, даты – date()
. В бесконечном цикле через некоторые промежутки времени эти функции вызываются для вывода времени и даты на дисплей. Рассмотрим, как устроена функция для чтения с последующим выводом текущего времени: Void time()
{
unsigned char i;
SetLCDPosition(1, 0);
i=ds_read(0x02);
buffer = i/16+"0";
buffer = i%16+"0";
buffer = ":";
i=ds_read(0x01);
buffer = i/16+"0";
buffer = i%16+"0";
buffer = ":";
i=ds_read(0x00);
buffer = i/16+"0";
buffer = i%16+"0";
buffer = "\0";
ShowStr(buffer);
}
Происходит установка курсора на дисплее. Считываем значение регистра отвечающего за час и по пол байта, т.к. данные хранятся в двоично-десятичном виде, записываем в буфер. Далее добавляем разделитель в виде двоеточия. Считываем и записываем в буфер таким же образом значения минут и секунд. Выводим содержимое буфера на дисплей. Таким же образом устроена функция вывода текущей даты. В прошивки есть функция для установки часов и минут – set_time()
. Эта функция с помощью одной кнопки устанавливает время. Как это делается: нажимаем на кнопку – на дисплее высвечивается надпись «Set hour:» и количество часов, увеличиваем час по средством коротких нажатий на кнопку; установив час длительным нажатием переходим на установку минут, о чём свидетельствует надпись «Set min:», таким же образом устанавливаем минуты, а длительным нажатием возвращаемся в бесконечный цикл к часам. Но т.к. эта функция большая приведём из неё только одну строчку, которая записывает в DS1307 значение минут: Ds_write(0x02,IntToBoolInt(time));
Записываем в регистр, который соответствует минутам желаемое значение, предварительно приведённое к двоично-десятичному виду.
void RTC_SetValue(uint8_t adr, uint8_t data)
{
/*формируем состояние СТАРТ*/
TWCR = (1<
TWDR = (DS1307_ADR<<1)|0;
TWCR = (1<
TWDR = adr;
TWCR = (1<
if (data != RTC_RESET_POINTER){
/*это чтобы привести данные к BCD формату*/
data = ((data/10)<<4) + data%10;
TWCR = (1<
TWCR = (1<
/*формируем состояние СТАРТ*/
TWCR = (1<
/*выдаемна шину пакет SLA-R*/
TWDR = (DS1307_ADR<<1)|1;
TWCR = (1<
Когда бит TWINT снова установится в 1, в регистре данных будет байт принятый от ведомого.
/*считываем данные с подтверждением*/
TWCR = (1<
/*считываем данные без подтверждения*/
TWCR = (1<
TWCR = (1<
uint8_t RTC_GetValue(void)
{
uint8_t data;
TWCR = (1<
TWDR = (DS1307_ADR<<1)|1;
TWCR = (1<
TWCR = (1<
TWCR = (1<
}Тестовый проект для DS1307
Назначение выводов:
течение более 10 лет при температуре 25°C.Работа с выводом SQW/OUT
.
RS0
RS1
Частота
0
0
1 Гц
0
1
4.096 кГц
1
0
8.192 кГц
1
1
32.768 кГц
Подключение к Arduino:
Необходимые библиотеки:
для работы со временем: http://www.pjrc.com/teensy/td_libs_Time.htmlУстановка времении
. Вручную в коде
. Установкой из
"Монитора порта"
2.
вокруг дорожек кварца должен быт замкнутый контур земли и корпус кварц тоже лучше подключить к земле
Для записи используется следующий алгоритм:
Первый байт – адрес часов 68h + 0 бит указывающий на запись, итого D0h. После получения подтверждения передаётся адрес регистра. Это установит регистровый указатель. Затем начинается передача байтов данных, чтобы остановить его – генерируется условие окончания.
Для чтения:
Первый байт – адрес часов 68h + 1 бит указывающий на запись, итого D1h. После декодирования адреса и выдачи подтверждения устройство начинает передавать данные с указанного адреса (храниться в регистре указателя). Если перед началом чтения указатель регистра не записан, то первый читаемый адрес — это адрес, который был сохранён в нём последним. DS1307 должен принять «неподтверждение» для окончания чтения.
байт данных ds_read(адрес)
— считывает 1 байт данных из указанного адреса DS1307
ds_off()
— выключить DS1307
ds_on()
— включить DS1307
ds_init()
— инициализация DS1307
байт IntToBoolInt(байт)
— функция перекодировки числа в двоично-десятичный вид
