轻松吃透实时时钟芯片DS1302软硬件设计，看完秒懂

今天我们来讨论一款老掉牙的实时时钟芯片DS1302。什么是实时时钟（RealTime Clock, RTC）呢？为什么我们需要它呢？假设你使用单片机实现万年历应用，一般的做法是这样的：设置中断后判断1秒是否到来，如果到来就将秒数加1，然后再考虑一些进位处理，例如，每60秒则分钟加1，每60分则小时加1， 24小时或12小时制也要区分对待，每12个月则年加1，还要考虑闰月闰年。虽然考虑的事情好像有些多，但是在资讯非常发达的今天，从网络上搜索出现成的代码也绝不是难事。

当然，利用代码来实现这些算法并不是惟一途径，你也可以使用实时时钟芯片来减轻编程负担，只要我们把芯片内的年月日时分秒等参数设置为当前时间，启动后内部会自动开始计数，理论上芯片记录的时间将与我们的时间实时同步，进位的问题也由芯片自行处理，我们只需要在必要的时候从芯片中读取一些时间值即可，实在不要太简单。

DS1302就是一款使用广泛的RTC芯片，我们来看看与时间相关的寄存器有哪些，如下图所示（DS1302内部另外还有31个字节的RAM，本文不涉及）：

首先我们关注一下地址，可能不少人会想：这些地址怎么这么怪呢？你这个厂家设计芯片时就不能靠谱点吗？地址从0x00开始连续增加会死呀？竟然还分为不同的读写地址，我看这个芯片设计者是闲得“淡”疼，简单的问题复杂化！

然而实际上，这9个寄存器地址的确是0x0～0x8，并且读写的也确实是同一个地址的数据，只不过数据手册在标记这些地址时，把发送串行数据中的其它一些位也考虑进来了。我们来看看如何往DS1302中写入一个字节的数据，相应的时序如下图所示：

可以看到，单个字节数据写入到DS1302需要两个字节，前一个字节用来确定写数据的目的地址。后一个字节就是需要写入的数据。请注意：两个字节都是以低位先行的方式发送，正常情况下确定地址的前一个字节如下图所示

读写数据时最高位（第7位）必须为1，最低位用来表示读（RD=1）还是写（WR=0）数据。我们刚刚提过，DS1302内部额外还有31个字节的RAM，可作为通用的RAM使用，第6位表示往RAM（RAM=1）还是RTC（CK=0）中写入（或读取）数据，前面表格中标注的写或读地址就是把这8位都考虑进来了。

如果你往RTC中写入数据，第7位总是1，第6位与第0位总是0，所以写的地址总是偶数，读的地址总是奇数。是不是闲得“淡”疼呢？还真不是，因为从本质上来讲，读写信号以及访问区域（RAM/CK）选择位也可以算是地址线。例如，以前讨论的HD44780有一个RS引脚表示写入的是数据还是指令，但是你也可以认为它是一条地址线，它决定你将代码写入数据寄存器还是指令寄存器。

好吧！地址的事情已经谈妥了，咱们来一一介绍DS1302内部与时间有关的寄存器：

（1）【地址0x80】秒钟寄存器（Seconds）：DS1302中RTC寄存器都是以BCD码来保存的，也就是说，个位与十位分别占用一些位。在8位秒钟寄存器中，BIT3～0用来保存秒钟的个位，BIT6～4用保存秒钟的十位，因为秒数是不可能大于5的，所以用3位已然足够，而最高位BIT7表示时钟挂起位（ClockHalt, CH），当CH=1时，时钟暂时处于挂起状态（暂停计数），当CH=0时，计数才会开始运行。这个寄存器的设计还是很巧妙的，也就是说，只要我们往秒寄存器写入实际的秒钟数时，CH位都会被清零。换句话说，一般情况下，我们都会先初始化年月日时分等其它寄存器，而秒钟寄存器留待最后设置，同时也开启了芯片计数。

（2）【地址0x82】分钟寄存器（Minutes）：与秒钟寄存器一样，BIT3～0用来保存分钟的个数，BIT6～4用保存分钟的十位，最高位是无效的。

（3）【地址0x84】小时寄存器（Hour）：该寄存器的低4位保存小时的个位，而小时的十位则取决于时间是24还是12小时制。BIT7=1时为12小时制，那么小时的十位不可能大于1（1～12），它只需要一位（BIT4）表示即可，只是还多了一个BIT5用来表示下午（PM=1）还是上午（AM=0）；而BIT7=0时为24小时制，十位数最大值可能为2（0～23），所以用BIT5～BIT4表示小时的十位。

（4）【地址0x86】日期寄存器（Date）：日期表示一个月份有多少天，其范围为1～31，十位最大值为3，所以用BIT5～4表示十位，BIT3～0表示个位。

（5）【地址0x88】月份寄存器（Month）：月份范围是1～12，所以用BIT4表示十位，BIT3～0表示个位。

（6）【地址0x8A】星期寄存器（Day）：星期的范围是1～7，所以用BIT2～BIT0表示即可。可能有些人在想：为什么星期数用Day而不用Week之类的呢？我还以为是天数呢！因为英文的星期1～7都是以Day结尾，例如，Monday，Sunday， Friday等等。英文询问今天星期几即“What day is today？”

（7）【地址0x8C】年份寄存器（Year）：DS1302的年份范围是00～99，所以分别用高4位与低4位分别表示十位与个位。

（8）【地址0x8E】写保护寄存器（Write Protect, WP）： 该寄存器只有最高位有效，为1表示开启写保护，为0表示解除写保护。在往RTC（或RAM）中写入数据前，必须将该位清0。

（9）【地址0x90】充电寄存器：与时间计数无关，咱们最后讨论。

我们使用VisualCom软件平台来仿真一下，相应的仿真效果如下图所示：

调出的DS1302器件有一个能够方便我们观察RTC内部状态的屏幕，其实就是一块能够显示4行20个字符的液晶显示模组（LCM2004），从屏幕上看到信息就是从DS1302中读取出来并写入到LCM2004中的。当然，一些特殊的寄存器状态还是得观察“内存”窗口，相应的预置数据如下图所示：

VisualCom软件平台中的预置数据格式均按照正常位序定义，共16位有效，高8位设置访问地址，低8位则是写入的数据，如下图所示：

首先我们解除了写保护。因为无论你写什么、往哪里写，写保护都需要解除（将WP位清零），所以需要写入的数据为“0b10001110_0000000（0x8E00）”，如下图所示

写保护解锁后，咱们就可以为所欲为了，在依次写入年份、星期、月份、日期、小时、分钟后，我们才设置了秒钟，也就同时启动了芯片的计数，简单吧！

最后我们谈谈充电寄存器，它是用来做什么的呢？有电脑使用经验的读者都知道，当我们将电脑彻底关机（电）后再开机，时间仍然还在继续跑的，对不对？因为电脑的处理器也有RTC功能，当电脑处于开机时，RTC由外部电源供电，而在断电状态下，RTC则由主板上的电池（最常见的是钮扣电池CR2032）供电。换句话说，RTC单元的供电总是不会断开的，所以计数功能也从来没有停止过，类似的供电电路如下图所示：

图中RTC_VDD是RTC单元的供电电源，电路系统上电后VCC是有电的，同时也给RTC单元供电，断电后则由电池供电，两个二极管可以防止VCC与电池之间出现漏电状态。

DS1302有两个电源供电引脚，VCC2为主电源供电（相当于上图的VCC），VCC1为辅助电源供电。当VCC2没有电源供电时，挂在VCC1引脚的电池将给RTC供电，如图所示：

如果电池是可充电型的，当VCC2主电源有供电时，我们就可以使用充电寄存器来控制充电参数，我们来看看VCC2与VCC1之间的内部电路，如下图所示：

可以看到，VCC2与VCC1之间有三级开关，TCS3～TCS0控制主电源是否往辅助电源供电，DS1～DS0控制串联的二极管个数，ROUT1～ROUT0控制串联的电阻值，数据手册有下表所示的功能表：

如果你使用可充电电池，并且决定使用充电功能，应该通过选择合适的二极管数量与阻值来限制最大充电电流。假设供电电源为5V，并且使用1个二极管与2K欧姆电阻串联方式，则最大充电电流为IMAX=（5V-0.7V）/2K≈2.2mA。