DS1337 时钟芯片在 C8051F 上的实现
一、DS1337介绍
DS1337串行实时时钟芯片是一种低功耗、全部采用BCD码的时钟日历芯片，它带有两个可编程的定时闹钟和一个可编程的方波输出。其地址和数据可通过I2C总线串行传输，能提供秒、分、时、日、星期、月和年等信息。
1.1 DS1337的引脚说明
DS1337的引脚排列示意图如图1所示。各引脚的功能如下：
图1 DS1337引脚示意图
- VCC，GND：直流电源和接地端，VCC的输入范围在1.8~5.5V之间。X1，X2：标准的32.768kHz的石英晶振接入端，内部晶振电路设计要求晶振特定电容负载为6pF。另外，这两个引脚还可以有其它接法，即：X1脚连接外部振荡信号源，而将X2脚悬空。
- SCL：串行时钟输入，用来在总线上同步数据传输。
- SDA：串行数据输入输出，SDA是I2C总线接口的数据输入输出引脚，开漏输出，使用时要求接一个上拉电阻。
- SQW/INTB：方波/中断输出，可通过对DS1337的内部控制寄存器进行编程来控制这个引脚是输出方波还是输出中断信号。该引脚是开漏输出，使用时要接一个外部的上拉电阻。
- INTA：中断输出端，使能时，如果闹钟寄存器的设定值与当前时间匹配，该脚会输出一个低电平。该引脚也是开漏输出，要接上拉电阻。
1.2 时间寄存器
常用的时间寄存器地址为00H~06H。设置和初始化时间和日历可通过写相应的寄存器字段来实现，寄存器的数据格式以BCD码表示。DS1337既可以工作在12小时模式下，也可以工作在24小时模式下。小时寄存器的位6被定义为12小时模式或24小时模式选择位，该位为1时，选择12小时模式。在12小时模式时，位5是AM/PM标志位，该位为1时表示PM。当在24小时模式时，位5是第二个十位(表示20到23小时)。月寄存器的第7位是世纪位，当年寄存器从0到99溢出时，该位发生变化。
1.3 控制寄存器和状态寄存器
DS1337中有一个控制寄存器和一个状态寄存器，可用于控制实时时钟、闹钟和方波的输出。
控制寄存器地址为0EH。其中：
- EOSC：振荡器使能位。该位为0，振荡器起振；为1，振荡器停振。刚上电时，该位为0；RS1，RS2：方波输出频率选择位。RS1和RS2共有四种组合，分别对应的方波输出频率为1Hz，4.096kHz，8.192kHz，32.768kHz。在刚加电时，方波输出频率设置是32.768kHz。
- INTCN：中断控制位。用于控制两个闹钟与中断输出脚之间的关系。为1时，两个闹钟在满足定时条件时，各自有独立的中断输出。为0时，两个闹钟共用一个中断输出脚INTA，而脚SQW/INTB为方波输出端。开始上电时，该位为0。
- A1IE：闹钟1中断使能位。为1时，允许状态寄存器的A1F位输出到脚INTA。上电时该位为0，此时不能用A1F位初始化INTA信号。
- A2IE：闹钟2中断使能位，该位的作用与A1IE位相同。
DS1337的状态寄存器地址为0FH， 各位的作用如下：
- OSF：振荡器停止标志。该位为1，表示振荡器已停止。有四种情况能产生这样的结果：一是芯片刚上电，二是Vcc引脚电压不足，三是EOSC位为1，四是晶振受到外部影响(如噪声等)。
- A1F、A2F：闹钟标志位。为1时，表示闹钟设定时间与当前时间匹配，并产生中断输出。
图2 DS1337寄存器
1.4 对DS1337的读与写
图3 DS1337 写寄存器
从上图中，可以看出，主器件发起开始条件，发送从器件的地址和写命令（0xD0|0x00），等待从器件的应答，然后再发送要写的寄存器地址，等待从器件的应答，然后再发送要写的数据，等待从器件的应答，如果写操作完成，主器件发送结束。完成一次写数据过程。
图4 DS1337 读寄存器
从上图中，可以看出，主器件发起开始条件，发送从器件的地址和写命令（0xD0|0x00），等待从器件的应答，然后再发送要读的寄存器地址，等待从器件的应答，然后主器件再重新发送开始条件，发送从器件的地址和读命令（0xD0|0x01），等待从器件的应答，接收从器件发来的数据，主器件应答。当收到最后一个数据后，主器件发送非应答和结束。完成一次读数据过程。
二、SMBus总线介绍
SMBus串行I/O接口是一个双线的双向串行总线，与I2C串行总线兼容。图 5给出了一个典型的SMBus 配置。SMBus 接口的工作电压可以在3.0V和5.0V 之间，总线上不同器件的工作电压可以不同。SCL（串行时钟）和 SDA（串行数据）线是双向的。 必须通过上拉电阻或类似电路将它们连到电源电压。当总线空闲时，这两条线都被拉到高电平。连接在总线上的每个器件的 SCL 和 SDA 都必须是漏极开路或集电极开路的。
图5 SMBus 配置
2.1握手
SMBus采用多种线路条件作为器件间的握手信号。在一次数据传输中，SDA只能在SCL为低时改变电平。在SCL为高电平时SDA发生改变则是代表如下的开始和停止信号：
- 开始：该条件启动一次传输过程。当SCL为高电平时SDA上出现一个下降沿。
- 结束：该条件结束一次传输过程。当SCL为高电平时SDA上出现一个上升沿。
- 应答：也称为ACK，接收器件发送该信号表示确认。例如，在器件X收到一个字节后，它将发送一个ACK确认传输成功。ACK条件是在SCL为高时采样到SDA为低电平。
- 非应答：也称为NACK，这是在SCL为高电平时采样到SDA为高电平。当接收器件不能产生ACK时，发送器件看到的是NACK。在典型的数据传输中，收到NACK信号表示所寻址的从器件没有准备好或不在总线上。一个处于接收状态的主器件发送NACK表示这是传输的最后一个字节。图2给出了握手信号时序。
图6 SMBus 时序
2.2 传输方式
有两种可能的传输方式：写（从主器件到从器件）和读（从从器件到主器件）。在一次传输中，任何一个器件都可以是四种角色之一。这四种角色将在下面说明。注意，从地址+R/W’是指一个8位传输（7位地址，1位R/W）。
1）主发送器：在该方式下，器件在SDA上发送串行数据，在SCL上输出时钟。器件用一个起始条件启动传输过程，发送从地址+W，然后等待从器件的ACK。收到ACK后，器件发送一个或多个字节数据，每个字节都要由从器件确认。在发送完最后一个字节后，器件发送一个停止条件。
2）主接收器：在该方式下，器件在SDA上接收串行数据，在SCL上输出时钟。器件用一个起始条件启动传输过程，之后发送从地址+R。在收到从器件对地址的ACK后，在SCL上输出时钟并在SDA上接收数据。在接收完最后一个字节后，器件将发送一个NACK和一个停止条件。
3）从发送器：在该方式下，器件在SDA上输出串行数据，在SCL上接受时钟。器件接收一个起始条件和它自己的从地址+R，然后发出ACK并进入从发送方式。器件在SDA上发送数据，在发送完每个字节后都要收到一个ACK。在传输完最后一个字节后，主器件发送一个NACK和一个停止条件。
4）从接收器：在该方式下，器件收到来自主器件的起始条件和和它自己的从地址+W。然后发出ACK并进入从接收方式。现在器件在SDA上接收串行数据，在SCL上接收时钟。在接收完每个字节后都要发送一个ACK，在接收到主器件的停止条件后退出从接收方式。
图7为典型的写操作情况。图8为典型的读操作情况。
图7 写操作
（1）为一个成功的传送过程。在（3）中，主器件在收到一个ACK后重新发出起始条件。这一过程允许主器件在不放弃总线的情况下启动一个新的传输过程（例如，从写操作切换到读操作）。重复起始条件通常在访问EEPROM时使用，因为一个读操作前面必须有一个写存储器地址的操作。
图8 读操作
2.3 SMBus特殊功能寄存器
对 SMBus 串行接口的访问和控制是通过 5 个特殊功能寄存器来实现的：控制寄存器 SMB0CN、时钟速率寄存器 SMB0CR、地址寄存器 SMB0ADR、数据寄存器 SMB0DAT 和状态寄存器 SMB0STA。系统器件可以有一个或多个 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。该寄存器中的所有位都可以 用软件读写。有两个控制位还受 SMBus 硬件的影响。当发生一个有效的串行中断条件时，串 行中断标志（SI，SMB0CN.3）被硬件设置为逻辑 1，该标志只能用软件清 0。当总线上出现 一个停止条件时，停止标志（STO，SMB0CN.4）被硬件清 0。
2.3.2 时钟速率寄存器SMB0CR
在器件工作于主方式时SMBus时钟寄存器用于控制SCL时钟速率。SMB0CR中的8位数决定了时钟速率，公式如下：
其中，SMB0CR是一个负数的补码。因此，对于100kHz的SCL频率和16MHz的SYSCLK，应向SMB0CL装入-80，即0xB0。
2.3.3 地址寄存器 SMB0ADR
SMBus地址寄存器保存器件在从方式时将要应答的从地址。位（7:1）保存从地址；位0是通用呼叫允许。如果位0被置位，器件将应答通用呼叫地址（0x00）。
2.3.4 数据寄存器 SMB0DAT
SMBus数据寄存器用于保存将要发送或刚刚接收的数据。只有在SI=1时，从该寄存器读出的数据才是有效的。当SI不为1时，SMBus可能处在向SMB0DAT移入数据或从SMB0DAT移出数据的过程中。注意：在传输过程中，从SMB0DAT移出的最高位又移回到最低位，因此在一次传输完成后SMB0DAT中仍然保存着原始数据。
1.3.5 状态寄存器 SMB0STA
共有28个可能的SMBus状态，每个状态对应一个唯一的状态码。状态码的高5位是可变的，而一个有效状态码的低3位固定为0（当SI=1时）。因此所有有效的状态码都是8的整数倍。
三、在C8051F 上的实现
3.1 硬件
3.2 软件
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行的函数是将BCD码转化为二进制数。第35行的函数是将二进制数转化为BCD码。
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行的函数初始化SMBus总线。第11行的函数为DS1337写操作。第26行的函数为DS1337读操作。
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行的函数为初始化DS1337，读取状态寄存器，如果最高位不为0，则初始化时间。第23行的函数为设置时间，包括年月日星期时分秒。第44行的函数为读取时间。
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: //起始条件已发送 10 SMB0DAT = (COMMAND & 0xFE); 11 STA = 0; 12 break; 13 case SMB_RP_START: //重复起始条件已发送 14 SMB0DAT = COMMAND; 15 STA = 0; 16 break; 17 case SMB_MTADDACK: //地址 + WRITE已发送，收到ACK 18 SMB0DAT = wr_data[0]; 19 break; 20 case SMB_MTADDNACK: //地址 + WRITE已发送，收到NACK。 21 STO = 1; //发送STOP + START重试 22 STA = 1; 23 break; 24 case SMB_MTDBACK: //数据字节已发送，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: //数据字节已发送，收到NACK。 47 STO = 1; 48 STA = 1; 49 break; 50 case SMB_MTARBLOST: //竞争失败 51 STO = 1; 52 STA = 1; 53 break; 54 case SMB_MRADDACK: //地址 + READ 已发送。收到ACK 55 AA = 0; 56 break; 57 case SMB_MRADDNACK: //地址 + READ 已发送。收到NACK 58 STO = 0; 59 STA = 1; 60 break; 61 case SMB_MRDBACK: //收到数据字节。ACK已发送 62 get_data = SMB0DAT; 63 SMB_BUSY = 0; //完成 64 STO = 1; 65 break; 66 case SMB_MRDBNACK: //收到数据字节。NACK已发送 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中断，需要手动清除中断标志。
3.3 实物
