基于单片机的日历时钟模块设计

在实时监控系统的设计中，要实时监测各个控制信号，更重要的是在发生故障时能准确记录故障数据，以便准确分析排除错误。监控系统中一般都要定时采集现场数据，对某些重要的信息不仅要记录其内容，还要记录下该信息发生的准确时间，所记录的实时时间信息应长期保存，因此需要实时时钟来实现。常用的单片机没有实时时钟，若需采用定时器实现，一旦系统掉电，时钟就不能运行，这是实时监控系统
不允许的，而采用独立运行的实时时钟便可实现。但一般的时钟芯片在系统掉电时，其数据也会丢失，需提供备用电池。而时钟芯片DS12887在系统掉电时数据不丢失，广泛应用于测量和控制系统。因此，这里给出了实时时钟DS12887在单片机应用系统中的应用。

1 主要器件造型
1．1 DS12887的功能介绍
    DS12887是DALLAS公司推出的8位并行并自带RAM的实时日历时钟芯片，内部有14个时钟控制寄存器，包括10个时标寄存器，4个状态寄存器和114 bit作掉电保护用的低功耗RAM。CPU通过读DS12887的内部时标寄存器得到当前的时间和日历，也可通过选择二进制或BCD码初始化芯
片的10个时标寄存器，其4个状态寄存器用来控制和指出DS12887的当前工作状态，114 bit非易失性静态RAM可在掉电时保存一些重要数据。  DS12887功能强大，应用广泛。其引脚功能如下：
    GND，VCC：直流电源+5 V电压。当5 V电压在正常范围内时，数据可读写；当VCC低于4．25 V，读写禁止，计时功能仍继续；当VCC下降到3 V以下时，RAM和计时器被切换到内部锂电池。
    MOT(模式选择)：MOT引脚接到VCC时，选择MOTOROLA时序，当接到GFND时，选择INTEL时序。
    SQW(方波信号)：SQW引脚能从实时时钟内部15级分频器的13个抽头中选择一个作为输出信号，其输出频率可通过对寄存器A编程改变。
    AD0～AD7(双向地址／数据复用线)：总线接口，可与MOTOROLA微机系列和INTEL微机系列接口。
    AS(地址选通输入)：用于实现信号分离，在AD／ALE的下降沿把地址锁入DS12887。
    DS(数据选通或读输入)：DS／RD有2种操作模式，取决于MOT引脚的电平，当使用MOTOROLA时序时，DS是一正脉冲，出现在总线周期的后段，称为数据选通；在读周期，DS指示DS12887驱动双向总的时刻；在写周期，DS的后沿使DS12887锁存写数据。选择INTEL时序时，DS称作(RD)，RD与典型存储器的允许信号(OE)的定义相同。
    (读／写输入)：也有两种操作模式。选MOTOROLA时 序时，是一电平信号，指示当前周期是读或写周期，DSO为高电平时，高电平指示读周期，低电平指示写周期；选INTEL时序，信号是一低电平信号，称为WR。在此模式下，R／W与通用RAM的写允许信号(WE)的含义相同。
    (片选输入)：在访问DS12887的总线周期内，片选信号必须保持为低。
    (中断申请输入)：低电平有效，可作微处理的中断输入。没有中断条件满足时，IRQ处于高阻态。IRQ线是漏极开路输入，要求外接上接电阻。
    (复位输出)：当保持低电平时间大于200 ms，保证DS12887有效复位。
    DS12887引脚如图1所示。

    DS12887的内部地址分配：地址00H和03H单元取值范围是00H～3BH(十进制为0～59)；04H～05H单元按12小时制取值范围是上午(AM)01H～0CH(十进制为1～12)，下午(PM)51H～5CH(十进制为81～92)，按24小时制取值范围是00H～17H(十进制为0～23)；06H单元的取值范围是01H～07H(十进制为1～7)；07H单元取值范围O1H～1FH(十进制为1～31)；08H单元取值范围是01H～0CH(十进制为1～12)；09H单元取值范围是00H～63H(十进制为0～99)。
1．2 单片机A789C52简介
    AT89C52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8 kB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256字节的随机存取数据存储器(R-AM)。该器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。A-T89C52有40个引脚，32个外部双向输入／输出(I／O)端口，内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效降低开发成本。广泛应用于智能仪器、仪表和低功耗电子产品。

2 系统硬件设计
2．1 DS12887的工作原理
    DS12887采用8位地址／数据复用的总线方式，具有一个锁存引脚，通过读、写、锁存信号实现其内部数据的输入输出，控制内部的控制寄存器、读取内部的时间信息寄存器。DS12887的各种寄存器在其内部空间都有相应的固定地址，因此，单片机通过正确的寻址和寄存器操作就可以获取需要的时间信息。DS12887有2种工作时序，即Motorola和Intel时序，由Mot引脚的电平指定。当MOT引脚为高电平时选择Motorola时序；为低电平时选择Intel时序。除此之外DS12887内部还有128字节的RAM的单元，其中前10个字节用于存放日历时钟信息，字节0为秒，字节2为分，字节4为时，字节6为星期，字节7为日，字节8为月，字节9为年，字节0AH～0DH用作控制和状态寄存器，剩下的114字节为用户RA-M，所有的这128字节都是掉电非易失性的。
2．2 DS12887与单片机的接口设计
    单片机的P0口用作地址／数据复用总线与实时时钟DS12887的AD0～AD7引脚相连。单片机的ALE引脚和DS12887的锁存输入引脚直接相连，用作地址锁存，实现数据和地址线的分时复用。DS12887的MOT引脚接地，用以选择Intel总线时序模式，在Intel总线时序模式时，和51单片机的接口完全兼容，可以将其读输入DS、写输入与单片机的相应引脚直接连接。DS12887的RESET引脚对日历时钟和RAM没有影响，但影响DS12887的命令和状态寄存器的内容。在电路中直接将RESET连至Vcc，这样可以保证DS12887在进入或退出电源失效状态时，其工作状态不受RESET引脚的影响。DS12887的可编程输出方波引脚SQW输出频率为2～256 Hz的方波，该系统则利用SQW引脚输出周期为125 ms的方波作为单片机外部中断／INT0的中断源，实现周期性中断。当中断发生时，单片机读一次输入口，检查电表是否转过一圈，整点时还要采一次三相电流和电压。
    DS12887与单片机的硬件接口电路如图2所示。

3 系统软件设计
3．1 主程序
    主程序主要包括：系统初始化、获取串口数据、设置日历时钟芯片、获取时钟芯片的时间信息和时钟校正、显示等子程序。初始化子程序主要包括设置单片机的串口和定时器的初始化，日历时钟芯片初始参数和驱动芯片的初始化等。主程序流程图如图3所示。

3．2 设置日历时钟子程序
    在使用DS12887时，首先要初始化，主要是打开晶振、对控制寄存器A、B写入控制字以及对日历、时钟各寄存器写入初始值。除校时外，上电时不用再次初始化。第一次初始化时，应禁止操作DS12887内部更新周期，即先将寄存器B的SET位置“1”，然后初始化时标寄存器(00H～09H)和状态寄存器A，再通过读寄存器C清除中断标志，读寄存器D将VRT位置“1”，最后将寄存器B的SET位清零，DS12887开始计时。
    设置日历时钟，必须保证时钟芯片DS12887处于设置状态，即SET=1，然后向DS12887的专用寄存器写入时间信息，写入完毕后，DS12887恢复正常数据更新状态，即SET=0。在读取日历时钟芯片DS12887的时钟信息时，必须保证UIP=0，然后读取存储其内部寄存器的时钟信息。
    为了能够方便地显示时间和校正时钟，可在单片机中的用户寄存器中开辟特殊的时间地址单元作为显示缓冲区，分别放置“年，月，日，时，分，秒”等值。此时只要将DS12887中的时间值读入到用户开辟的时间地址中，用户就可以方便控制时间。
    DS12887的日历时钟通过中断和查询2种方法读出。但在读数据时，首先要判断数据是否更新结束，只有在数据更新结束时数据读出才有效。DS12887的时间读取和时钟校正子程序流程图如图4所示。

4 结束语
    以日历时钟芯片DS12887为例，介绍了一种该器件与单片机AT89C52的简单实用的硬件接口电路，该电路设计简单可靠，性能稳定，适用于那些对计时精度要求较高的系统，例如在列车制动电子控制单元中，应用DS12887提供准确的时间来保存数据，并安装在制动控制装置内，对列车制动和防滑控制。记录、捕捉故障出现时间及了解故障发生时间前后信号变化的情况，并通过列车总线将故障信息传送给监控装置，以便列车司机及时地采取相应措施，这些对保障列车安全可靠运行有着重要意义。