DS1308：低功耗I2C實(shí)時(shí)時(shí)鐘的理想之選

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）的作用至關(guān)重要，它能為系統(tǒng)提供精確的時(shí)間和日期信息。今天，我們就來(lái)深入了解一款備受關(guān)注的低電流I2C RTC——DS1308。

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一、DS1308概述

DS1308是一款低功耗、全二進(jìn)制編碼十進(jìn)制（BCD）時(shí)鐘/日歷芯片，同時(shí)還配備了56字節(jié)的非易失性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（NV RAM）。它通過(guò)I2C接口實(shí)現(xiàn)地址和數(shù)據(jù)的串行傳輸，能提供秒、分、時(shí)、日、日期、月和年等信息。值得一提的是，它能自動(dòng)調(diào)整小月的日期，還能進(jìn)行閏年校正。時(shí)鐘可工作在24小時(shí)或12小時(shí)格式，并帶有AM/PM指示。此外，DS1308內(nèi)置電源檢測(cè)電路，能在檢測(cè)到電源故障時(shí)自動(dòng)切換到備用電源，確保時(shí)間和日期的正常運(yùn)行。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

DS1308的應(yīng)用范圍十分廣泛，涵蓋了多個(gè)領(lǐng)域：

• 手持設(shè)備：如GPS和POS終端，為其提供精確的時(shí)間信息，確保數(shù)據(jù)記錄和定位的準(zhǔn)確性。
• 消費(fèi)電子：在機(jī)頂盒、數(shù)字錄音設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，它能保證時(shí)間同步，提升用戶體驗(yàn)。
• 辦公設(shè)備：傳真機(jī)、打印機(jī)和復(fù)印機(jī)等設(shè)備依賴DS1308來(lái)記錄操作時(shí)間和任務(wù)順序。
• 醫(yī)療設(shè)備：血糖儀和藥品分發(fā)器等需要精確時(shí)間來(lái)記錄測(cè)量數(shù)據(jù)和用藥時(shí)間。
• 電信領(lǐng)域：路由器、交換機(jī)和服務(wù)器等設(shè)備需要精確的時(shí)間同步，以確保網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定。
• 其他領(lǐng)域：電表、自動(dòng)售貨機(jī)、恒溫器和調(diào)制解調(diào)器等也都能從DS1308的精確時(shí)間功能中受益。

三、顯著的優(yōu)勢(shì)與特性

3.1 晶體兼容性與低功耗

DS1308兼容ESR高達(dá)100kΩ的晶體，這使得設(shè)計(jì)者可以根據(jù)成本和空間需求優(yōu)化晶體選擇。同時(shí)，其低功耗運(yùn)行特性極大地延長(zhǎng)了電池備份的運(yùn)行時(shí)間，典型的計(jì)時(shí)電流僅為250nA。

3.2 全面的計(jì)時(shí)管理

它能完全管理所有計(jì)時(shí)功能，實(shí)時(shí)時(shí)鐘可精確計(jì)數(shù)秒、分、時(shí)、日期、月、星期和年，并具備閏年補(bǔ)償功能，有效期至2400年。此外，還支持外部時(shí)鐘源進(jìn)行同步時(shí)鐘參考，如32kHz、50Hz/60Hz電源線、GPS 1PPS等。

3.3 豐富的功能特性

• 56字節(jié)電池備份通用RAM：可進(jìn)行無(wú)限次寫入，方便數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
• 可編程方波輸出信號(hào)：能滿足不同的應(yīng)用需求。
• 簡(jiǎn)單的串行端口接口：通過(guò)I2C串行接口，可與大多數(shù)微控制器輕松連接。
• 寬溫度范圍：工業(yè)溫度范圍為 -40°C至 +85°C，適用于各種惡劣環(huán)境。
• UL認(rèn)證：獲得Underwriters Laboratories（UL?）認(rèn)可，保證了產(chǎn)品的安全性和可靠性。

四、電氣特性

4.1 絕對(duì)最大額定值

DS1308對(duì)電壓、溫度等參數(shù)有明確的限制，如VCC或VBAT的電壓范圍為 -0.3V至 +6.0V，任何非電源引腳的電壓范圍為 -0.3V至 (VCC + 0.3V) ，工作溫度范圍為 -40°C至 +85°C等。超出這些絕對(duì)最大額定值可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成永久性損壞。

4.2 推薦工作條件

不同型號(hào)的DS1308在工作電壓范圍上有所差異，如DS1308 - 18的工作電壓范圍為1.71V至5.5V，DS1308 - 3為2.7V至5.5V，DS1308 - 33為3.0V至5.5V。電池電壓范圍為1.3V至5.5V，邏輯1輸入和邏輯0輸入也有相應(yīng)的電壓要求。

4.3 直流電氣特性

包括電源活動(dòng)電流、電源待機(jī)電流、電池泄漏電流、輸入泄漏電流、I/O泄漏電流等參數(shù)，這些參數(shù)在不同的條件下有不同的取值范圍，設(shè)計(jì)者需要根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行合理選擇。

4.4 交流電氣特性

涉及SCL時(shí)鐘頻率、總線空閑時(shí)間、保持時(shí)間、低周期、高周期、數(shù)據(jù)保持時(shí)間、數(shù)據(jù)建立時(shí)間等多個(gè)參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)于保證I2C通信的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

五、引腳配置與功能

DS1308采用8引腳μSOP封裝，各引腳功能如下：

• X1和X2：用于連接32.768kHz晶體，內(nèi)部振蕩器電路設(shè)計(jì)適用于負(fù)載電容為6pF的晶體。
• VBAT：電池供電輸入，可連接鋰電池或其他能源源。若不需要備用電源，需將其接地。
• GND：接地引腳。
• SDA：I2C串行接口的串行數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，為開漏輸出，需外接上拉電阻。
• SCL：I2C串行接口的串行時(shí)鐘輸入引腳，用于同步串行接口上的數(shù)據(jù)移動(dòng)，也需外接上拉電阻。
• SQW/CLKIN：方波輸出/時(shí)鐘輸入引腳，可輸出四種方波頻率（1Hz、4kHz、8kHz、32kHz）或接受外部時(shí)鐘輸入來(lái)驅(qū)動(dòng)RTC計(jì)數(shù)器。在輸出模式下為開漏輸出，需外接上拉電阻。
• VCC：主電源引腳，需使用0.1μF電容進(jìn)行去耦。

六、工作原理與操作

6.1 作為從設(shè)備的操作

DS1308在串行總線上作為從設(shè)備工作，通過(guò)實(shí)現(xiàn)START條件并提供設(shè)備識(shí)別碼，隨后傳輸數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行訪問(wèn)。后續(xù)寄存器可順序訪問(wèn)，直到執(zhí)行STOP條件。當(dāng)VCC大于VPF時(shí)，設(shè)備可完全訪問(wèn)，數(shù)據(jù)可讀寫；當(dāng)VCC低于VPF時(shí)，內(nèi)部時(shí)鐘寄存器被鎖定，禁止任何訪問(wèn)。

6.2 電源切換

當(dāng)VCC下降到VPF以下時(shí)，若VBAT大于VCC，設(shè)備電源從VCC切換到VBAT；若VBAT小于VPF，當(dāng)VCC下降到VBAT以下時(shí)，設(shè)備電源也會(huì)切換到VBAT。振蕩器和計(jì)時(shí)功能由VBAT源維持，直到VCC恢復(fù)到VPF以上，經(jīng)過(guò)tREC時(shí)間后允許讀寫訪問(wèn)。

6.3 振蕩器控制

秒寄存器中的使能位（CH）控制振蕩器的開啟和關(guān)閉。振蕩器的啟動(dòng)時(shí)間高度依賴于晶體特性、PCB泄漏和布局等因素。使用具有推薦特性和適當(dāng)布局的晶體，電路通常能在1秒內(nèi)啟動(dòng)。

6.4 初始狀態(tài)

設(shè)備首次上電時(shí)，時(shí)間和日期寄存器被重置為01/01/00 01 00:00:00（DD/MM/YY DOW HH:MM:SS），秒寄存器中的CH位被設(shè)置為0。

七、特殊模式與功能

7.1 新鮮密封模式

當(dāng)首次連接電池時(shí)，設(shè)備不會(huì)立即為RTC或內(nèi)部電路提供電池備份電源。只有當(dāng)VCC超過(guò)VPF后，設(shè)備才會(huì)離開新鮮密封模式，在VCC隨后低于VBAT時(shí)提供電池備份電源。這種模式可在產(chǎn)品制造期間連接電池，避免在存儲(chǔ)和運(yùn)輸過(guò)程中消耗電池容量。

7.2 振蕩器電路

DS1308使用外部6pF 32.768kHz晶體，振蕩器電路無(wú)需外部電阻或電容即可工作。當(dāng)使用具有指定特性的晶體時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間通常小于1秒。

7.3 時(shí)鐘精度

時(shí)鐘精度取決于晶體的精度以及振蕩器電路的電容負(fù)載與晶體調(diào)整電容負(fù)載的匹配精度。溫度變化引起的晶體頻率漂移會(huì)產(chǎn)生額外誤差，外部電路噪聲耦合到振蕩器電路可能導(dǎo)致時(shí)鐘運(yùn)行過(guò)快。

7.4 RTC和RAM地址映射

RTC寄存器和控制寄存器位于地址00h - 07h，RAM寄存器位于地址08h - 3Fh。在多字節(jié)訪問(wèn)時(shí)，寄存器指針到達(dá)3Fh后會(huì)繞回到00h。在I2C START或寄存器指針遞增到00h時(shí)，當(dāng)前時(shí)間和日期會(huì)傳輸?shù)降诙M寄存器，避免在讀取時(shí)因主寄存器更新而需要重新讀取。

7.5 控制寄存器

控制寄存器（07h）控制SQW/CLKIN引腳的操作并提供振蕩器狀態(tài)信息。各位的功能包括輸出控制、時(shí)鐘輸入使能、振蕩器停止標(biāo)志、方波使能、信號(hào)丟失標(biāo)志、電池備份時(shí)鐘和速率選擇等。

7.6 外部同步

當(dāng)使用外部時(shí)鐘參考時(shí)，SQW/CLKIN的輸入被分頻到1Hz，用于校正從32.768kHz振蕩器導(dǎo)出的1Hz信號(hào)。只要外部時(shí)鐘源在容差范圍內(nèi)，Ext - 1Hz和Osc - 1Hz將保持鎖定，若外部信號(hào)丟失后重新獲得，信號(hào)將重新鎖定。

八、I2C串行端口操作

8.1 I2C從地址

DS1308的從地址字節(jié)為D0h，I2C主設(shè)備發(fā)送的設(shè)備地址必須與該地址匹配。

8.2 I2C定義

包括主設(shè)備、從設(shè)備、總線空閑、START條件、STOP條件、重復(fù)START條件、位寫入、位讀取、確認(rèn)（ACK和NACK）、字節(jié)寫入、字節(jié)讀取、從地址字節(jié)和內(nèi)存地址等概念，這些是理解I2C通信的基礎(chǔ)。

8.3 I2C通信操作

包括向從設(shè)備寫入單字節(jié)、寫入多字節(jié)、從從設(shè)備讀取單字節(jié)、讀取多字節(jié)等操作，以及如何通過(guò)虛擬寫入周期來(lái)操作地址計(jì)數(shù)器以實(shí)現(xiàn)從指定內(nèi)存位置讀取數(shù)據(jù)。

8.4 總線超時(shí)

為避免意外的I2C接口超時(shí)，SCL不應(yīng)被拉低超過(guò)tTIMEOUTMIN。當(dāng)SCL被拉低至少tTIMEOUTMAX時(shí)，I2C接口處于復(fù)位狀態(tài)，可接收新的START條件。

九、應(yīng)用注意事項(xiàng)

9.1 電源去耦

為獲得最佳效果，需使用0.01μF和/或0.1μF電容對(duì)VCC電源進(jìn)行去耦，建議使用高質(zhì)量的陶瓷表面貼裝電容。

9.2 開漏輸出使用

SQW/CLKIN輸出為開漏輸出，需要外接上拉電阻以實(shí)現(xiàn)邏輯高輸出電平。

9.3 SDA和SCL上拉電阻

SDA為開漏輸出，也需要外接上拉電阻。由于DS1308不使用時(shí)鐘周期拉伸，SCL可使用帶有上拉電阻的開漏輸出或CMOS輸出驅(qū)動(dòng)器（推挽）。

9.4 電池充電保護(hù)

DS1308包含Maxim的冗余電池充電保護(hù)電路，可防止外部電池充電，并獲得了Underwriters Laboratories（UL）的認(rèn)可。

9.5 處理、PCB布局和組裝

應(yīng)避免在封裝下方布線，除非在封裝和信號(hào)線之間放置接地平面。無(wú)鉛/RoHS封裝可使用符合JEDEC J - STD - 020的回流焊曲線進(jìn)行焊接，對(duì)于濕度敏感封裝，需遵循包裝標(biāo)簽上的處理說(shuō)明。

十、總結(jié)

DS1308以其低功耗、豐富的功能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，成為電子工程師在設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)的理想選擇。通過(guò)深入了解其特性、工作原理和應(yīng)用注意事項(xiàng)，我們可以更好地利用這款芯片，為各種電子設(shè)備提供精確的時(shí)間和日期信息。在實(shí)際應(yīng)用中，你是否遇到過(guò)DS1308的一些特殊問(wèn)題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。