嵌入式 RTC 实战指南：DS1302 芯片特性、寄存器、时序与 PCB 布线详解

DS1302 是一种广泛使用的实时时钟（RTC）芯片，它可以跟踪时间（秒、分钟、小时、天、日期、月份和年份），并且具有闰年补偿功能，直到 2100 年。它通常用于需要精准时间记录的电子项目中，如数据记录器、时钟、定时器和自动化系统等。

主要特性如下：

• ​低功耗​：在备用模式下，DS1302 的电流消耗非常低，适合电池供电的应用
• ​串行接口​：使用简单的三线串行接口进行数据通信，这减少了引脚的使用量
• ​RAM​：内部有 31 字节的 RAM，可以用来存储用户数据
• ​双电源设计​：支持主电源和备用电源，确保在主电源断开时，时钟仍能继续运行
• ​温度补偿​：通过外部晶体振荡器，DS1302 可以实现较高的时间精度，典型的精度为 ±1 秒/天
• ​日历功能：​可对秒，分，时，日，周，月以及带闰年补偿的年进行计数，时钟可以采用 24 小时格式或带 AM（上午）/PM（下午）的 12 小时格式
• ​宽工作电源电压范围：​2.0V～5.5V

DS1302 通过 3 条线（I/O 数据线、SCLK 时钟线、RST 复位线）与微控制器进行通信，典型的应用示例图如下所示：

这里，我们通常将 DS1302 的 VCC2 接到一个 CR2032 纽扣电池上，用于在主电源失效时维持时钟运行；同时，DS1302 需要外部晶振（通常为 32.768 kHz 的无源晶振）来提供稳定的时钟信号。

以上为 DS1302 芯片内部单元框图，DS1302 的核心工作部分是其多个计数器，在分频器单元输入的时钟信号下能够跟踪秒、分钟、小时、日期、月份和年，同时 DS1302 内置 RAM 可用于存储一些非易失性数据，便于在系统重启后保持状态。

DS1302 芯片引脚和典型应用电路原理图如下所示：

各个引脚名称和作用如下所示：

DS1302 芯片使用命令字节来控制数据的读取和写入，命令字节的格式和功能如下：

当我们通过通信接口与 DS1306 芯片通信时，首先需要将 RST 信号线置高，移位寄存器在每个 SCLK 脉冲的控制下，串行接收 8 位命令字节，数据从 I/O 引脚传入，同时接收到的命令字节在移位寄存器中进行串并转换；移位寄存器将转换后的命令字节送至 ROM 指令译码单元，ROM 对命令字节进行解析，确定需要访问的内部寄存器地址及读写状态。

在微控制器输入命令字节的 8 个 SCLK 周期后，接下来的 8 个 SCLK 周期 DS1302 芯片输出 8 个数据位：

其中，当 CE 引脚为高时，启动所有数据传输，它同时控制访问移位寄存器和终止数据传输，输入数据必须在时钟的上升沿有效，输出数据在下降沿输出，上电时，CE 引脚需要为低电平，同时当驱动 CE 引脚为高电平时，SCLK 引脚必须为低电平。

通过连续的 SCLK 脉冲，系统可以一次性读写多个数据字节（最多可达 248 字节），例如日历、时钟寄存器或 RAM 单元，通过设置地址位 1 至 5 为高电平，可以启动多字节读写模式，在此模式下，位 6 用于指定操作类型（时钟/日历或 RAM），位 0 则指定读写方向（读或写）：

• ​写入时钟寄存器​：在多字节写入中，必须按照顺序写入前 8 个寄存器（地址 0 到 7）。这是因为时钟寄存器的数据结构是连续的，若未写入完整的 8 个寄存器，可能导致时间数据不一致
• ​写入 RAM 寄存器​：对于 RAM 寄存器，用户不必写入所有 31 个字节。只要写入需要更新的字节

DS1302 芯片内部寄存器定义和地址如下：

可以分为以下几个部分：

• ​时钟/日历寄存器：​用于存储时间和日期信息，寄存器的地址从 81h 到 8Dh，包含秒、分钟、小时、日期、月份、星期和年份等字段，并且这里每个字段分为十位数字段和个位数字段，例如对于秒字段来说，分为 10 Seconds 十位数字段和 Seconds 个位数字段，这里，DS1302 使用二进制—十进制 BCD 码来表示时间和日期信息，假设当前时间是“12:34:56”，在 DS1302 的寄存器中：秒数（56）为 01010110，分钟（34）为 00110100，小时（12）为 00010010
  • 秒寄存器字段： 第 7 位定义为时钟暂停位，当此位设置为逻辑 1 时，时钟振荡器停止，DS1302 被置入低功率的备份方式，其电源消耗小于 100 纳安；当把此位写成逻辑 0 时，时钟将启动。
  • ​小时寄存器字段：​DS1302 芯片可以在 12 小时或 24 小时模式下运行，其模式选择由小时寄存器字段的第 7 位控制，每当切换 12 小时和 24 小时模式时，都必须重新初始化小时数据：
    • 当设置为逻辑高（1）时，选择 12 小时模式，在 12 小时模式下，位 5 表示 AM/PM 状态
    • 当设置为逻辑低（0）时，选择 24 小时模式，位 5 用作第二个十小时位，表示小时范围 20 至 23
• ​控制寄存器：​控制寄存器（8Fh）用于配置芯片的写保护功能，位 7 为写保护位，设置为 1 时禁止写入，设置为 0 时允许写入，这确保了在必要时可以保护存储在芯片中的数据；需要注意的是，在尝试写入设备之前，应该清除 WP 位
• ​充电寄存器：​慢速充电寄存器（91h）控制 DS1302 的慢速充电特性，只有 1010 模式才能使慢速充电器工作，所有其它的模式将禁止慢速充电器；该寄存器主要是确保在设备的供电中断时，电池能以安全和有效的方式充电，并不常用，这里暂且不讲
• ​内置 RAM：​DS1302 提供了 31 个字节的 RAM 寄存器，地址范围从 C0h 到 FDh，用户可以使用这些寄存器存储任意数据，每个 RAM 寄存器的值可以在 00 到 FFh 之间变化
• ​时钟/日历多字节（Burst）寄存器：​时钟/日历的多字节工作方式允许用户连续读写多个寄存器，简化数据传输，此模式下，用户可以从地址 0 的第 0 位开始，依次读取或写入最前面的 8 个时钟/日历寄存器
• ​RAM 多字节（Burst）寄存器：​RAM 的多字节工作方式允许用户顺序读取或写入最多 31 个字节的 RAM 寄存器，在此模式下，数据从地址 0 的第 0 位开始连续传输，用户无需逐个访问各个寄存器

这里，寄存器地址对应命令字节中第 7 位到第 1 位，如下图所示：

这里，我们在给 DS1302 芯片配置外部晶振时，在 PCB 布线时要注意包地处理：将晶振的信号线（如 X1 和 X2 引脚）尽量包围在接地区域内，这样可以形成“地环”，帮助抑制电磁干扰，如下图所示：