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参考资料
1. BCD码的学习
在我们日常生产生活中用的最多的数字是十进制数字,而单片机系统的所有数据本质上都是二进制的,所以聪明的前辈们就给我们创造了BCD码。
BCD码(Binary-Coded Decimal)亦称二进码十进制数或二-十进制代码。用4位二进制数来表示1位十进制数中的0~9这10个数字。是一种二进制的数字编码形式,用二进制编码的十进制代码。BCD码这种编码形式利用了四个位元来储存一个十进制的数码,使二进制和十进制之间的转换得以快捷的进行。我们前边讲过十六进制和二进制本质上是一回事,十六进制仅仅是二进制的一种缩写形式而已。而十进制的一位数字,从0到9,最大的数字就是9,再加1就要进位,所以用4位二进制表示十进制,就是从0000到1001,不存在1010、1011、1100、1101、1110、1111这6个数字。BCD码如果到了1001,再加1的话,数字就变成了0001 0000这样的数字了,相当于用了8位的二进制数字表示了2位的十进制数字。关于BCD码更详细的介绍请点击www.51hei.com的基础教程栏目里面有很多相关文章.
2. SPI时序初步认识
2.1 认识spi
SPI接口内部硬件图
UART、I2C和==SPI==是单片机通信中最常用的三种通信协议。前边我们已经学了UART和I2C通信协议,这节课我们来学习剩下的SPI通信协议。SPI是英语Serial Peripheral Interface的缩写,顾名思义就是串行外围设备接口。SPI是一种高速的、全双工、同步通信总线,标准的SPI也仅仅使用4个引脚,常用于单片机和EEPROM、FLASH、实时时钟、数字信号处理器等器件的通信。SPI通信原理比I2C要简单,它主要是主从方式通信,这种模式通常只有一个主机和一个或者多个从机,标准的SPI是4根线,分别是 * SSEL(片选,也写作SCS) SSEL:==从设备==片选使能信号。如果从设备是低电平使能的话,当拉低这个引脚后,从设备就会被选中,主机和这个被选中的从机进行通信,==由主机控制==。 * SCLK(时钟,也写作SCK) SCLK:时钟信号,==由主机产生==,和I2C通信的SCL有点类似。 * MOSI(主机输出从机输入Master Output/Slave Input) MOSI:主机给从机发送指令或者数据的通道。 * MISO(主机输入从机输出Master Input/Slave Output) MISO:主机读取从机的状态或者数据的通道。
在某些情况下,我们也可以用3根线的SPI或者2根线的SPI进行通信。比如主机只给从机发送命令,从机不需要回复数据的时候,那MISO就可以不要;而在主机只读取从机的数据,不需要给从机发送指令的时候,那MOSI可以不要;当一个主机一个从机的时候,从机的片选有时可以固定为有效电平而一直处于使能状态,那么SSEL可以不要;此时如果再加上主机只给从机发送数据,那么SSEL和MISO都可以不要;如果主机只读取从机送来的数据,SSEL和MOSI都可以不要。 3线和2线的SPI大家要知道怎么回事,实际使用也是有应用的,但是当我们提及SPI的时候,一般都是指标准SPI,都是指4根线的这种形式。
SPI接口的一个缺点:没有指定的流控制,没有应答机制确认是否接收到数据。
SPI通信的主机也是我们的单片机,在读写数据时序的过程中,有四种模式,要了解这四种模式,首先我们得学习一下2个名词。
2.2 CPOL和CPHA
CPOL:Clock Polarity,就是时钟的极性。
时钟的极性是什么概念呢?通信的整个过程分为空闲时刻和通信时刻,SCLK在数据发送之前和之后的空闲状态是高电平那么CPOL=1,如果空闲状态SCLK是低电平,那么CPOL=0。
CPHA:Clock Phase,就是时钟的相位。
主机和从机要交换数据,牵涉到一个问题,即主机在什么时刻输出数据到MOSI上而从机在什么时刻采样这个数据,或者从机在什么时刻输出数据到MISO上而主机什么时刻采样这个数据。同步通信的一个特点就是所有数据的变化和采样都是伴随着时钟沿进行的,也就是说数据总是在时钟的边沿附近变化或被采样。而一个时钟周期必定包含了一个上升沿和一个下降沿,这是周期的定义所决定的,只是这两个沿的先后并无规定。又因为数据从产生的时刻到它的稳定是需要一定时间,那么,如果主机在上升沿输出数据到MOSI上,从机就只能在下降沿去采样这个数据了。反之如果一方在下降沿输出数据,那么另一方就必须在上升沿采样这个数据。
CPHA=1,就表示数据的输出是在一个时钟周期的第一个沿上,至于这个沿是上升沿还是下降沿,这要是CPOL的值而定,CPOL=1那就是下降沿,反之就是上升沿。那么数据的采样自然就是在第二个沿上了。
CPHA=0,就表示数据的采样是在一个时钟周期的第一个沿上,同样它是什么沿由CPOL决定。那么数据的输出自然就在第二个沿上了。仔细想一下,这里会有一个问题:就是当一帧数据开始传输第一bit时,在第一个时钟沿上就采样该数据了,那么它是在什么时候输出来的呢?有两种情况:一是SSEL使能的边沿,二是上一帧数据的最后一个时钟沿,有时两种情况还会同时生效。
我们以CPOL=1/CPHA=1为例,把时序图画出来给大家看一下,如图所示
当数据未发送时以及发送完毕后,SCK都是高电平,因此CPOL=1。可以看出,在SCK第一个沿的时候,MOSI和MISO会发生变化,同时SCK第二个沿的时候,数据是稳定的,此刻采样数据是合适的,也就是上升沿即一个时钟周期的后沿锁存读取数据,即CPHA=1。注意最后最隐蔽的SSEL片选,一般情况下,这个引脚通常用来决定是哪个从机和主机进行通信。剩余的三种模式,我把图画出来,简化起见把MOSI和MISO合在一起了,大家仔细对照看看研究一下,把所有的理论过程都弄清楚,有利于你对SPI通信的深刻理解,如图所示
在时序上,SPI是不是比I2C要简单的多?没有了起始、停止和应答,UART和SPI在通信的时候,只负责通信,不管是否通信成功,而I2C却要通过应答信息来获取通信成功失败的信息,所以相对来说,UART和SPI的时序都要比I2C简单一些。
3 实时时钟芯片DS1302
DS1302是个实时时钟芯片,我们可以用单片机写入时间或者读取当前的时间数据,我也会带着大家通过阅读这个芯片的数据手册来学习和掌握这个器件。
由于IT技术国际化比较强,因此数据手册绝大多数都是英文的,导致很多英语基础不好的同学看到英文手册头就大了。这里我要告诉大家的是,只要精神不退缩,方法总比困难多,很多英语水平不高的,看数据手册照样完全没问题,因为我们的专业词汇也就那么几个,多看几次就认识了。我们现在不是考试,因此大家可以充分利用一些英文翻译软件,翻译过来的中文意思有时候可能不是那么准确,那你就把翻译的内容和英文手册里的一些图表比较参考学习。此外数据手册除了介绍性的说明外,一般还会配相关的图形或者表格,结合起来看也有利于理解手册所表达的意思。这节课我会把DS1302的英文资料尽可能的用比较便于理解的方式给大家表达出来,同学们可以把我的表达和英文手册多做一下对比,尽可能快的慢慢开始学会了解英文手册。
3.1 DS1302的特点
DS1302是DALLAS(达拉斯)公司出的一款涓流充电时钟芯片,2001年DALLAS被MAXIM(美信)收购,因此我们看到的DS1302的数据手册既有DALLAS的标志,又有MAXIM的标志。
DS1302实时时钟芯片广泛应用于电话、传真、便携式仪器等产品领域,DS1302的主要性能指标
(1)DS1302实时时钟具有能计算2100年之前的秒、分、时、日、日期、星期、月、年的能力,还有闰年调整的能力。
(2)内部含有31个字节静态RAM,可提供用户访问。
(3)采用串行数据传送方式,使得管脚数量最少,简单SPI 3线接口。
(4)工作电压范围宽:2.0~5.5V。
(5)工作电流:2.0V时,小于300nA。
(6)时钟或RAM数据的读/写有两种传送方式:单字节传送和多字节传送方式。
(7)采用8脚DIP封装或SOIC封装。
(8)与TTL兼容,Vcc=5V。
(9)可选工业级温度范围:-40℃~+85℃。
(10)具有涓流充电能力。
(11)采用主电源和备份电源双电源供应。
(12)备份电源可由电池或大容量电容实现。
3.2 DS1302的引脚
其中:
X1、X2:32.768KHz晶振接入引脚。
GND:地。
CE:复位引脚,低电平有效,操作时高电平。
I/O:数据输入/输出引脚,具有三态功能。
SCLK:串行时钟输入引脚。
Vcc1:工作电源引脚。
Vcc2:备用电源引脚。 接入电池断电时提供1302电源,此脚可以直接悬空,断电后不需要DS1302再运行了,或者是在此脚接一个10uF的电容,经过试验可以运行1分钟左右的时间,如果大家想运行时间再长,可以加大电容的容量,典型电路如图:
涓流充电功能,也作为选学即可,我们使用的时候直接用5V电源接一个二极管,在有主电源的情况下给电容充电,在主电源掉电的情况下,这个电容可以给DS1302大约供电1分钟左右,这种电路的最大用处是在电池供电系统中更换主电池的时候保持实时时钟的运行不中断,1分钟的时间对于更换电池足够了。此外,通过我们的使用经验,在DS1302的主电源引脚串联一个1K电阻可以有效的防止电源对DS1302的冲击,R6就是,而R9,R26,R32都是上拉电阻。
DS1302引脚功能表
引脚编号 | 引脚名称 | 引脚功能 |
---|---|---|
1 | Vcc2 | 主电源引脚,当Vcc2比Vcc1高0.2V以上时,DS1302由VCC2供电,当Vcc2低于Vcc1时,由Vcc1供电。 |
2 | X1 | 这两个引脚需要接一个32.768K的晶振,给DS1302提供一个基准。特别注意,要求这个晶振的引脚负载电容必须是6pF,而不是要加6pF的电容。如果使用有源晶振的话,接到X1上即可,X2悬空。 |
3 | X2 | |
4 | GND | 接地。 |
5 | CE | DS1302的输入引脚。当读写DS1302的时候,这个引脚必须是高电平,DS1302这个引脚内部有一个40k的下拉电阻。 |
6 | I/O | 这个引脚是一个双向通信引脚,读写数据都是通过这个引脚完成。DS1302这个引脚的内部含有一个40k的下拉电阻。 |
7 | SCLK | 输入引脚。SCLK是用来作为通信的时钟信号。DS1302这个引脚的内部含有一个40k的下拉电阻。 |
8 | Vcc1 | 备用电源引脚。 |
DS1302的电路一个重点就是晶振电路,它所使用的晶振是一个32.768k的晶振,晶振外部也不需要额外添加其他的电容或者电阻电路了。时钟的精度,首先取决于晶振的精度以及晶振的引脚负载电容。如果晶振不准或者负载电容过大过小,都会导致时钟误差过大。在这一切都搞定后,最终一个考虑因素是晶振的温漂。随着温度的变化,晶振往往精度会发生变化,因此,在实际的系统中,其中一种方法就是经常校对。比如我们所用的电脑的时钟,通常我们会设置一个选项“将计算机设置于internet时间同步”。选中这个选项后,一般可以过一段时间,我们的计算机就会和internet时间校准同步一次。
3.3 DS1302寄存器介绍
- DS1302控制寄存器
用于存放控制命令字,DS1302的CE(或RST)引脚回到高电平后写入的第一个字就是控制命令一条指令就是一个字节包含8位,
- 第七位(即最高位)是固定1,这一位如果是0的话,那写进去是无效的。
- 第六位是选择RAM还是CLOCK的,所以如果选择CLOCK功能,第六位是0,如果要用RAM,那第六位就是1。
- 从第五到第一位,决定了寄存器的5位地址,
- 第零位是读写位,如果要写,这一位就是0,如果要读,这一位就是1
如图所示。
图DS1302命令字节
- DS1302的时钟寄存器,
其中8个和时钟有关的,5位地址分别是00000一直到00111这8个地址,还有一个寄存器的地址是01000,这是涓流充电所用的寄存器,我们这里不讲。在DS1302的数据手册里的地址,直接把第七位、第六位和第零位值给出来了,所以指令就成了80H、81H那些了,最低位是1,那么表示读,最低位是0表示写,如图15-10所示。
图DS1302的时钟寄存器
- 寄存器1:最高位CH是一个时钟停止标志位。
如果我们的时钟电路有备用电源部分,上电后,我们要先检测一下这一位,如果这一位是0,那说明我们的时钟在系统掉电后,由于备用电源的供给,时钟是持续正常运行的;如果这一位是1,那么说明我们的时钟在系统掉电后,时钟部分不工作了。若我们的Vcc1悬空或者是电池没电了,当我们下次重新上电时,读取这一位,那这一位就是1,我们可以通过这一位判断时钟在单片机系统掉电后是否持续运行。
剩下的7位高3位是秒的十位,低4位是秒的个位,这里注意再提一次,DS1302内部是BCD码,而秒的十位最大是5,所以3个二进制位就够了。 - 寄存器2:bit7没意义,剩下的7位高3位是分钟的十位,低4位是分钟的个位。
- 寄存器3:bit7是1的话代表是12小时制,是0的话代表是24小时制,bit6固定是0,bit5在12小时制下0代表的是上午,1代表的是下午,在24小时制下和bit4一起代表了小时的十位,低4位代表的是小时的个位。
- 寄存器4:高2位固定是0,bit5和bit4是日期的十位,低4位是日期的个位。
- 寄存器5:高3位固定是0,bit4是月的十位,低4位是月的个位。
- 寄存器6:高5位固定是0,低3位代表了星期。
- 寄存器7:高4位代表了年的十位,低4位代表了年的个位。这里特别注意,这里的00到99年指的是2000年到2099年。
- 寄存器8:bit7是一个保护位,如果这一位是1,那么是禁止给任何其他的寄存器或者那31个字节的RAM写数据的。因此在写数据之前,这一位必须先写成0。
3.4 DS1302通信时序介绍
DS1302前边也有提起过,是三根线,分别是CE、I/O和SCLK,其中CE是使能线,SCLK是时钟线,I/O是数据线。前边我们学过SPI通信,同学们发现没发现,这个DS1302的通信线定义和SPI怎么这么像呢?
事实上,DS1302的通信是SPI的变异种类,它用了SPI的通信时序,但是通信的时候没有完全按照SPI的规则来,下面我们一点点解剖一下DS1302的变异SPI通信方式。
3.4.1 单字节写入操作
DS1302是通过SPI串行总线跟单片机通信的,当进行一次读写操作时最少得读写两个字节,第一个字节是控制字节,就是一个命令,告诉DS1302是读还是写操作,是对RAM还是对CLOK寄存器操作。第二个字节就是要读或写的数据了。
单字节读写:只有在SCLK为低电平时,才能将CE置为高电平。所以在进行操作之前先将SCLK置低电平,然后将CE置为高电平,接着开始在IO上面放入要传送的电平信号,然后跳变SCLK。数据在SCLK上升沿时,DS1302读写数据,在SCLK下降沿时,DS1302放置数据到IO上
图 DS1302单字节写操作
然后我们在对比一下再对比一下CPOL=0并且CPHA=0的情况下的SPI的操作时序,如图所示。
图 CPOL=0/CPHA=0通信时序
上面两图的通信时序,其中CE和SSEL的使能控制是反的,对于通信写数据,都是在SCK的上升沿,从机进行采样;下降沿的时候,主机发送数据。DS1302的时序里,单片机要预先写一个字节指令,指明要写入的寄存器的地址以及后续的操作是写操作,然后再写入一个字节的数据。
3.4.2 单字节读操作
对于单字节读操作,我就不做对比了,把DS1302的时序图贴出来给大家看一下,如图15-13所示。
图 DS1302单字节读操作
读操作有两处特别注意的地方。
- DS1302的时序图上的箭头都是针对DS1302来说的,因此读操作的时候,先写第一个字节指令,上升沿的时候DS1302来锁存数据,下降沿我们用单片机发送数据。到了第二个字数据,由于我们这个时序过程相当于CPOL=0/CPHA=0,前沿发送数据,后沿读取数据,第二个字节是DS1302下降沿输出数据,我们的单片机上升沿来读取,因此箭头从DS1302角度来说,出现在了下降沿。
- 我们的单片机没有标准的SPI接口,和I2C一样需要用IO口来模拟通信过程。
在读DS1302的时候,理论上SPI是上升沿读取,但是我们的程序是用IO口模拟的,所以数据的读取和时钟沿的变化不可能同时了,必然就有一个先后顺序。通过实验发现,如果先读取IO线上的数据,再拉高SCLK产生上升沿,那么读到的数据一定是正确的,而颠倒顺序后数据就有可能出错。这个问题产生的原因还是在于DS1302的通信协议与标准SPI协议存在的差异造成的,如果是标准SPI的数据线,数据会一直保持到下一个周期的下降沿才会变化,所以读取数据和上升沿的先后顺序就无所谓了;但DS1302的IO线会在时钟上升沿后被DS1302释放,也就是撤销强推挽输出变为弱下拉状态,而此时在51单片机引脚内部上拉的作用下,IO线上的实际电平会慢慢上升,从而导致在上升沿产生后再读取IO数据的话就可能出错。因此这里的程序我们按照先读取IO数据,再拉高SCLK产生上升沿的顺序。
3.5 编程实例
下面我们就写一个程序,先将2013年10月8号星期二12点30分00秒这个时间写到DS1302内部,让DS1302正常运行,然后在不停的读取DS1302的当前时间,并显示在我们的液晶屏上
电路图:
main.c
#include "reg52.h"
#include "ds1302.h"
#include "lcd1602.h"
#define CLOCKRATE 12000000
uchar t0rh; //T0重载值的高字节
uchar t0rl; //T0重载值的低字节
bit flag200ms = 0; //200ms定时标志
/**
*DS1302时钟初始化2020年02月20日星期四12点00分00秒。
* 存储顺序是秒分时日月周年,存储格式是用BCD码
**/
uchar time[]={0, 0, 0x12, 0x20, 0x02, 0x05, 0x20};//存储当前时间
void delay_n10us(uint n); //延时10us的整数倍
void timer0Init(uint ms);
void ds1302Init();
void lcdInit(); //lcd初始化
void main()
{
uchar i;
uchar psec = 0xAA; //保存上一次读取的秒值
uchar str[12]; //字符串转换缓冲区
lcdInit();
ds1302Init();
timer0Init(1);
EA =1;
while(1)
{
if (flag200ms) //每200ms读取一次时间
{
flag200ms = 0;
for (i=0; i<7; i++) //读取DS1302当前时间
{
time[i] = DS1302SingleRead(i);
}
if (psec != time[0]) //检测到时间有变化时刷新显示
{
str[0] = '2'; //添加年份的高2位:20
str[1] = '0';
str[2] = (time[6] >> 4) +'0';//“年”高位数字转换为ASCII码
str[3] = (time[6]&0x0F) +'0';//“年”低位数字转换为ASCII码
str[4] = '-'; //添加日期分隔符
str[5] = (time[4] >> 4) +'0'; //“月”
str[6] = (time[4]&0x0F) +'0';
str[7] = '-';
str[8] = (time[3] >> 4) +'0'; //“日”
str[9] = (time[3]&0x0F) +'0';
str[10] = '