Подключение DS1307 к микроконтроллерам AVR

DS1307 - микросхема часов реального времени с интерфейсом I2C(TWI). Часы / календарь хранят следующую информацию: секунды, минуты, часы, день, дату, месяц и год. Конец месяца автоматически подстраивается для месяцев, в которых менее 31 дня, включая поправку для високосного года. Часы работают в 24-часовом или 12-часовом формате с индикатором AM/PM. DS1307 имеет встроенную схему контроля питания, которая обнаруживает пропадание питания и автоматически переключает схему на питание от батареи.

Vbat - вход батареи для любого стандартного 3 Вольтового литиевого элемента или другого источника энергии. Для нормальной работы напряжение батареи должно поддерживаться между 2.5 и 3.5 В. Уровень, при котором запрещён доступ к часам реального времени и пользовательскому ОЗУ,  установлен внутренней схемой равным 1.25 x Vbat. Литиевая батарея ёмкостью 35 mAh или больше достаточна для питания DS1307 в течение более чем 10 лет при отсутствии питания.
SCL (Последовательный Тактовый Вход) - SCL используется, чтобы синхронизировать передачу данных через последовательный интерфейс.
SDA (Вход/Выход Последовательных Данных) - SDA - вход / выход данных для 2-проводного последовательного интерфейса. Это выход с открытым стоком, который требует внешнего притягивающего резистора.
SQW/OUT (Меандр / Выходной Драйвер) - Когда бит SQWE установлен в 1, на выходе SQW/OUT вырабатываются импульсы в форме меандра одной из четырех частот: 1 Гц., 4 кГц., 8 кГц., 32 кГц. Вывод SQW/OUT - с открытым стоком, требует внешнего притягивающего резистора.
X1, X2 - выводы для подключения стандартного кристалла кварца 32.768 кГц. Внутренняя схема генератора рассчитана на работу с кристаллом, имеющим номинальную емкость (CL) 12.5 пФ.
GND – Земля.
VCC – питание 5 вольт.

DS1307 работает как ведомое устройство на последовательной шине. Для доступа к нему надо установить состояние START и передать код идентификации устройства, сопровождаемый адресом регистра. К последующим регистрам можно обращаться последовательно, пока не установлено состояние STOP. Когда VСС падает ниже 1.25 x Vbat, устройство прекращает связь и сбрасывает адресный счетчик. В это время оно не будет реагировать на входные сигналы, чтобы предотвратить запись ошибочной информации. Когда VСС падает ниже Vbat, устройство переключается в режим хранения с низким потреблением. При включении питания устройство переключает питание с батареи на VСС, когда напряжение питания превысит Vbat + 0.2V, и реагирует на входные сигналы, когда VСС станет более 1.25 x Vbat. Когда питание находится в пределах нормы, устройство полностью доступно, и данные могут быть записаны и считаны. Когда к устройству подключена трёхвольтовая батарея и VСС ниже 1.25 x Vbat, чтение и запись запрещены. Однако отсчёт времени при этом работает. Когда VСС падает ниже Vbat, питание ОЗУ и отсчёта времени переключается на внешнюю батарею 3 В.

Информацию о времени и дате получают, считывая соответствующие регистры. Регистры часов показаны в таблице ниже. Время и календарь устанавливаются или инициализируются путём записи байтов в соответствующие регистры. Содержание регистров времени и календаря хранится в двоично-десятичном (BCD) формате, поэтому перед выводом информации на LCD дисплей или семисегментный индикатор необходимо преобразовать двоично-десятичный код в двоичный или ANSII - код.

Бит 7 регистра 0 - это бит остановки хода часов (Clock Halt). Когда этот бит установлен в 1, генератор остановлен. Когда сброшен в ноль, генератор работает, а часы считают время.

DS1307 может работать в 12-часовом или 24-часовом режиме. Бит 6 регистра часов задаёт один из этих режимов. Когда он равен 1, установлен 12-часовой режим. В 12-часовом режиме высокий уровень бита 5 сообщает о послеполуденном времени. В 24-часовом режиме бит 5 - второй бит 10 часов (20-23 часа).

Регистр управления DS1307 предназначен для управления работой вывода SQW/OUT. Бит OUT - управление выходом. Этот бит управляет выходным уровнем на выводе SQW/OUT, когда генерация меандра запрещена. Если SQWE = 0, логический уровень на выводе SQW/OUT равен 1, если OUT = 1, и 0 - если OUT = 0. SQWE - Разрешение меандра. Когда этот бит установлен в 1, разрешается генерация меандра. Частота меандра зависит от значений битов RS0 и RS1. Эти биты управляют частотой меандра, когда его генерация разрешена. В таблице ниже показаны частоты, которые могут быть заданы RS битами.

DS1307 поддерживает двунаправленные 2-проводную шину и протокол передачи данных. Устройство, которое посылает данные на шину, называется передатчиком, а устройство, получающее данные - приемником. Устройство, которое управляет передачей, называется ведущим. Устройства, которые управляются ведущим - ведомые. Шина должна управляться ведущим устройством, которое вырабатывает последовательные такты (SCL), управляет доступом к шине, и генерирует состояния СТАРТ и СТОП. DS1307 работает как ведомое на 2-х проводной шине.

Для работы с DS1307 необходимо организовать функцию чтения из микросхемы и функцию записи.

1. Режим записи в DS1307. Последовательные данные и такты получены через SDA и SCL. После передачи каждого байта передаётся подтверждающий бит ASK. Состояния START и STOP опознаются как начало и конец последовательной передачи. Распознавание адреса выполняется аппаратно после приема адреса ведомого и бита направления. Байт адреса содержит семибитный адрес DS1307, равный 1101000, сопровождаемым битом направления (R/W), который при записи равен 0. После получения и расшифровки байта адреса DS1307 выдаёт подтверждение ASK на линии SDA. После того, как DS1307 подтверждает адрес ведомого и бит записи, ведущий передает адрес регистра DS1307. Тем самым будет установлен указатель регистра в DS1307. Тогда ведущий начнет передавать байты данных в DS1307, который будет подтверждать каждый полученный байт. По окончании записи ведущий сформирует состояние STOP.

2. Режим чтения из DS1307. Первый байт принимается и обрабатывается как в режиме ведомого приёмника. Однако в этом режиме бит направления укажет, что направление передачи изменено. Последовательные данные передаются по SDA от DS1307, в то время как последовательные такты - по SCL в DS1307. Состояния START и STOP опознаются как начало и конец последовательной передачи. Байт адреса - первый байт, полученный после того, как ведущим сформировано состояние START. Байт адреса содержит семибитный адрес DS1307, равный 1101000, сопровождаемым битом направления (R/W), который при чтении равен 1. После получения и расшифровки байта адреса DS1307 выдаёт подтверждение ASK на линии SDA. Тогда DS1307 начинает передавать данные, начинающиеся с адреса регистра, на которые указывает указатель регистра. Если указатель регистра не записан перед инициированием режима чтения, то первый адрес, который читается - это последний адрес, оставшийся в указателе регистра. DS1307 должен получить неподтверждение NOASK, чтобы закончить чтение.

Рассмотрим особенности работы с DS1307 на примере простых часов, которые будут показывать часы, минуты и секунды. Данные будут выводиться на LCD дисплей 16х2. Две кнопки "Часы+" и "Минуты+" позволят подвести нужное время. Микроконтроллер Atmega 8 тактируется от внутреннего генератора частотой 1 MHz, поэтому не забудьте поменять фьюзы. Ниже представлена схема подключения.

Управляющая программа включает в себя наборы функций работы с шиной TWI, часами DS1307, LCD дисплеем.

I2CInit - инициализация шины;
I2CStart - передача условия START;
I2CStop - передача условия STOP;
I2CWriteByte - запись данных;
I2CReadByte - чтение данных;
DS1307Read - функция чтения данных из DS1307;
DS1307Write - Функция записи данных в DS1307;
lcd_com - передача команды в LCD;
lcd_data - передача данных в LCD;
lcd_string - функция вывода строки в LCD;
lcd_num_to_str - функция вывода символа типа int;
lcd_init - инициализация LCD.

Ниже представлен код программы:

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

// Функция инициализация шины TWI
void I2CInit(void)
{
TWBR = 2; // Настройка частоты шины
TWSR = (1 << TWPS1)|(1 << TWPS0); // Предделитель на 64
TWCR |= (1 << TWEN); // Включение модуля TWI
}

// Функция СТАРТ
void I2CStart(void)
{
TWCR = (1 << TWINT)|(1 << TWEN)|(1 << TWSTA); // Передача условия СТАРТ
while(!(TWCR & (1 << TWINT))); // Ожидание установки флага TWINT
}

// Функция СТОП
void I2CStop(void)
{
TWCR = (1 << TWINT)|(1 << TWEN)|(1 << TWSTO); // Передача условия СТОП
while(TWCR & (1 << TWSTO)); // Ожидание завершения передачи условия СТОП
}

// Функция записи данных по шине
uint8_t I2CWriteByte(uint8_t data)
{
TWDR = data; // Загрузка данных в TWDR	
TWCR = (1 << TWEN)|(1 << TWINT); // Сброс флага TWINT для начала передачи данных
while(!(TWCR & (1 << TWINT))); // Ожидание установки флага TWINT
// Проверка статуса
// Если адрес DS1307+R и принято "подтверждение"(0x18)
// или адрес DS1307+W и принято "подтверждение"(0x40)
// или передается байт данных и принято "подтверждение"(0x28)
if((TWSR & 0xF8) == 0x18 || (TWSR & 0xF8) == 0x40 || (TWSR & 0xF8) == 0x28) return 1; // OK 
else return 0; // ОШИБКА
}

// Функция чтения данных по шине
uint8_t I2CReadByte(uint8_t *data,uint8_t ack)
{
// Возвращаем "подтверждение" после приема
if(ack) TWCR |= (1 << TWEA);
// Возвращаем "неподтверждение" после приема
// Ведомое устройство не получает больше данных
// обычно используется для распознования последнего байта
else TWCR &= ~(1 << TWEA);
// Разрешение приема данных после сброса TWINT
TWCR |= (1 << TWINT); 
while(!(TWCR & (1 << TWINT))); // Ожидание установки флага TWINT
// Проверка статуса
// Если принят байт данных и возвращается "подтверждение"(0x50)
// или принят байт данных и возвращается "ненеподтверждение"(0x58)
if((TWSR & 0xF8) == 0x50 || (TWSR & 0xF8) == 0x58)
{
*data = TWDR; // Читаем данные из TWDR 
return 1; // OK
}
else return 0; // ОШИБКА	
}

// Функция чтения данных из DS1307
uint8_t DS1307Read(uint8_t address,uint8_t *data)
{
uint8_t res;
I2CStart(); // СТАРТ
res = I2CWriteByte(0b11010000);	// адрес DS1307+W
if(!res)	return 0; // ОШИБКА
// Передача адреса необходимого регистра
res = I2CWriteByte(address);
if(!res)	return 0; // ОШИБКА	
I2CStart(); // Повторный СТАРТ	
res = I2CWriteByte(0b11010001);	// адрес DS1307+R
if(!res)	return 0; // ОШИБКА	
// Чтение данных с "неподтверждением"
res = I2CReadByte(data,0);
if(!res)    return 0; // ОШИБКА
I2CStop(); // СТОП
return 1; // OK
}

// Функция записи данных в DS1307
uint8_t DS1307Write(uint8_t address,uint8_t data)
{
uint8_t res;
I2CStart();	// СТАРТ
res = I2CWriteByte(0b11010000);	// адрес DS1307+W
if(!res)	return 0; // ОШИБКА	
// Передача адреса необходимого регистра
res = I2CWriteByte(address);
if(!res)	return 0; // ОШИБКА
res = I2CWriteByte(data); // Запись данных
if(!res)	return 0; // ОШИБКА
I2CStop(); // СТОП
return 1; // OK
}

// Функции работы с LCD 
#define RS PD0 
#define EN PD2
// Функция передачи команды
void lcd_com(unsigned char p)
{
PORTD &= ~(1 << RS); // RS = 0 (запись команд)
PORTD |= (1 << EN); // EN = 1 (начало записи команды в LCD)
PORTD &= 0x0F; PORTD |= (p & 0xF0); // старший нибл
_delay_us(100);
PORTD &= ~(1 << EN); // EN = 0 (конец записи команды в LCD)
_delay_us(100);
PORTD |= (1 << EN); // EN = 1 (начало записи команды в LCD)
PORTD &= 0x0F; PORTD |= (p << 4); // младший нибл
_delay_us(100);
PORTD &= ~(1 << EN); // EN = 0 (конец записи команды в LCD)
_delay_us(100);
}
// Функция передачи данных
void lcd_data(unsigned char p)
{
PORTD |= (1 << RS)|(1 << EN); // RS = 1 (запись данных), EN - 1 (начало записи команды в LCD)
PORTD &= 0x0F; PORTD |= (p & 0xF0); // старший нибл
_delay_us(100);
PORTD &= ~(1 << EN); // EN = 0 (конец записи команды в LCD)
_delay_us(100);
PORTD |= (1 << EN); // EN = 1 (начало записи команды в LCD)
PORTD &= 0x0F; PORTD |= (p << 4); // младший нибл
_delay_us(100);
PORTD &= ~(1 << EN); // EN = 0 (конец записи команды в LCD)
_delay_us(100);
}

// Функция вывода строки на LCD
void lcd_string(unsigned char command, char *string)
{
lcd_com(0x0C);
lcd_com(command);
while(*string != '\0')
{  lcd_data(*string);
string++;
}
}

// Функция вывода переменной
void lcd_num_to_str(unsigned int value, unsigned char nDigit)
{
 switch(nDigit)
 {
  case 4: lcd_data((value/1000)+'0');
  case 3: lcd_data(((value/100)%10)+'0');
  case 2: lcd_data(((value/10)%10)+'0');
  case 1: lcd_data((value%10)+'0');
 }
}

// Функция инициализации LCD
void lcd_init(void)
{
PORTD = 0x00;
DDRD = 0xFF;

_delay_ms(50); // Ожидание готовности ЖК-модуля

// Конфигурирование четырехразрядного режима
PORTD |= (1 << PD5);
PORTD &= ~(1 << PD4);

// Активизация четырехразрядного режима
PORTD |= (1 << EN);
PORTD &= ~(1 << EN);
_delay_ms(5); 

lcd_com(0x28); // шина 4 бит, LCD - 2 строки
lcd_com(0x08); // полное выключение дисплея
lcd_com(0x01); // очистка дисплея
_delay_us(100);
lcd_com(0x06); // сдвиг курсора вправо
lcd_com(0x0C); // включение дисплея, курсор не видим
}

int main(void)
{  
_delay_ms(100); 

DDRC = 0x00;
PORTC = 0xFF;

lcd_init(); // Инициализация LCD
I2CInit(); // Инициализация шины I2C

lcd_string(0x81, "«acГ Ѕa DS1307"); // Часы на DS1307
lcd_string(0xC4, "  :  :  ");

// Запускаем ход часов
uint8_t temp;
DS1307Read(0x00,&temp);
temp &= ~(1 << 7); // обнуляем 7 бит
DS1307Write(0x00,temp);

while(1)
{ 
unsigned char hour, minute, second, temp;
// Читаем данные и преобразуем из BCD в двоичную систему
DS1307Read(0x00,&temp); // Чтение регистра секунд
second = (((temp & 0xF0) >> 4)*10)+(temp & 0x0F);
DS1307Read(0x01,&temp); // Чтение регистра минут
minute = (((temp & 0xF0) >> 4)*10)+(temp & 0x0F);
DS1307Read(0x02,&temp); // Чтение регистра часов
hour = (((temp & 0xF0) >> 4)*10)+(temp & 0x0F);

lcd_com(0xC4);
lcd_num_to_str(hour, 2); // Выводим на экран часы
lcd_com(0xC7);
lcd_num_to_str(minute, 2); // Выводим на экран минуты
lcd_com(0xCA);
lcd_num_to_str(second, 2); // Выводим на экран секунды

if((PINC & (1 << PC0)) == 0) // Если нажата кнопка
{
while((PINC & (1 << PC0)) == 0){} // Ждем отпускания кнопки
hour++; // Увеличиваем часы на 1
if(hour > 23) hour = 0;
// Преобразуем из двоичной системы в BCD и записываем в DS1307
uint8_t temp;
temp = ((hour/10) << 4)|(hour%10);
DS1307Write(0x02, temp);
_delay_ms(100);
}

if((PINC & (1 << PC1)) == 0) // Если нажата кнопка
{
while((PINC & (1 << PC1)) == 0){} // Ждем отпускания кнопки
minute++; // Увеличиваем минуты на 1
if(minute > 59) minute = 0;
// Преобразуем из двоичной системы в BCD и записываем в DS1307
uint8_t temp;
temp = ((minute/10) << 4)|(minute%10);
DS1307Write(0x01, temp);
_delay_ms(100);
}
}
} 

Установка fuse-битов микроконтроллера