STM32初学-外部RTC时钟芯片DS3231

Vector_potential2023-09-10 8:13

**RTC(Real_Time Clock)**即实时时钟，它是电子产品中不可或缺的东西。其最直接的作用就是时钟功能。细心的朋友可以发现，当我们的电脑或者手机没联网时，仍然可以正常显示日期与时钟，这就是RTC的功劳。

RTC的运行无需网络连接，只需一个频率固定的振荡源和一个计数器，就能实现精准的计时。假如有一个振荡源，其每秒固定振荡1000次，那我们就可以用计数器对振荡进行计数，每振荡1000次，代表时间过去了1s，然后复位计数器并开始新的计数，同时，秒寄存器加1。如此循环，就能实现时钟的走时。

在单片机的某些使用场景下，RTC时钟是不可或缺的，例如使用了文件系统，就必须启用RTC时钟，用于更新文件的时间。

STM32内置了RTC时钟模块，只要配置好参数，就能启用RTC。RTC的时钟振荡源可以来自内部也可以来自外部。内部时钟源由HCLK经过分频得到，外部时钟源则由石英晶振提供。

内部时钟源是由高频晶振分频得到，所以其精度计时不高，为了准确计时，一般采用外部时钟源。外部时钟源一般选用32.768KHz的石英晶振。这种参数的石英晶振一秒钟能振荡32768次，正好对应2^16。

然而，即使采用了外部晶振的RTC，其精度仍然是有限的。因为晶振外置，线路上的寄生电容电感、温度都会影响晶振频率，短时间可能看不出误差，但是时间一长，其误差就大了。

如果想进一步减小RTC的误差，则需要使用RTC时钟芯片。时钟芯片的优势在于其内部带有温度补偿功能，能通过检测环境温度来对晶振进行误差补偿，减小计时误差。且时钟芯片的年、月、日等时间数据单独存储在内部的RAM中，对单片机来说，只要通过串口读取特定寄存器地址的数据就能得到时间参数，而无需再去计算。现在流行的时钟芯片很多，如DS1302、 DS1307。但是这些芯片仍需要外置晶振才能工作，所以仍存在误差。

所以一种在内部集成晶振的时钟芯片应运而生。DS3231就是这样一种时钟芯片。其精度最高可以达到±2ppm。实测6个月在常温下连续运行，误差不超过1分钟。

DS3231采用快速IIC通信进行数据传输，最高时钟频率400KHz。还带有闹钟，复位等功能。

DS3231有两种封装，引脚功能一样，16pin的封装只是多了八个空引脚。

如下是其应用电路。

可以看到该芯片有两个电源输入，一个是VCC，另一个是Vbat。VCC我们可以与单片机共用3.3V电源，Vbat则接到一颗纽扣电池的正极。当单片机供电断开后，DS3231仍能靠纽扣电池供电维持计时功能，但是无法进行IIC通信，也就是不能读取时间数据，恢复VCC供电后，IIC通信随之被唤醒。

INT是个漏极开路的输出，如果想输出高电平则需要外接上拉电阻，该引脚可连接到单片机IO口作为单片机的外部中断源。

32kHz是一个固定输出32KHz频率方波的IO口，也可做为单片机的计时源。同为开漏输出。

RST是芯片的复位脚，如果没有特别需要，可以直接悬空。该芯片无需复位也能直接初始化。

++软件部分++

这里我使用的是STM32F4，F1的芯片也是兼容的，只是需要把头文件改成F1的。IIC通信采用软件模拟。iic的软件模拟可参考文章（STM32单片机-IIC通信（软件模拟）），这里我就不详细讲IIC软件模拟的原理了。接下来我们看程序。

1，我使用的是PB8和PB9分别做为IIC的SCL与SDA。如果想使用其他IO，稍微修改下就行。

cpp 复制代码 
#include<stm32f4xx.h>

/********************软件模拟IIC*********************/
/*****************PB8=SCL，PB9=SDA*****************/


#define	DS3231_ADDRESS_Write	0xD0
#define	DS3231_ADDRESS_Read		0xD1


/**************DS3231内部寄存器地址***************/

#define DS3231_SEC        0x00  // 秒
#define DS3231_MIN        0x01  //分
#define DS3231_HOUR       0x02	//时
#define DS3231_WEEK       0x03	//周
#define DS3231_DATE       0x04	//日
#define DS3231_MONTH      0x05	//月
#define DS3231_YEAR       0x06	//年

#define DS3231_AL1SEC     0x07
#define DS3231_AL1MIN     0x08
#define DS3231_AL1HOUR    0x09
#define DS3231_AL1WDAY    0x0A

#define DS3231_AL2MIN     0x0B
#define DS3231_AL2HOUR    0x0C
#define DS3231_AL2WDAY    0x0D

#define DS3231_CONTROL          0x0E
#define DS3231_STATUS           0x0F
#define DS3231_AGING_OFFSET     0x0F
#define DS3231_TMP_High         0x11
#define DS3231_TMP_LOW          0x12

/******DS3231内部寄存器地址******/
/**************END**************/


#define Read_IIC_SDA GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_9)		//定义Read_IIC_SDA为PB11的输入值

#define IIC_SCL_H() GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_8)					//定义IIC_SCL_H()函数为将RES（PB10）置高电平	
#define IIC_SCL_L() GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_8)				//定义IIC_SCL_L()函数为将RES（PB10）置低电平	

#define IIC_SDA_H() GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_9)					//定义IIC_SDA_H()函数为将RES（PB11）置高电平	
#define IIC_SDA_L() GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_9)				//定义IIC_SDA_L()函数为将RES（PB11）置低电平	


 //最后读取到的时间数据将赋值到下面这几个变量
u8 RTC_Sec,RTC_Min,RTC_Hour,RTC_Week,RTC_Date,RTC_Month;   
u16 RTC_Year;


void IIC2_SoftInit(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9; 			//10--SCL   11--SDA；PB10 PB11
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_OUT;
	GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;			//OD开漏
	GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;			//上拉
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}

/******* 设置SDA为输出*******/

void SDA_OUT(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin= GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_OUT;	//推挽输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;			//OD开漏
	GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;			//上拉
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}

/******* 设置SDA为输入*******/

void SDA_IN(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin= GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN;		//上拉输入
	GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;			//OD开漏
	GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;			//上拉
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}
 
 
 
 void IIC_Start(void)			//起始信号
{
    SDA_OUT();			//把SDA作为输出，初始化为推挽输出
    IIC_SDA_H();		//SDA输出高电平
    IIC_SCL_H();		//SCL输出高电平
    Delay_us(2);
    IIC_SDA_L();		//SDA输出低点评
    Delay_us(2);
    IIC_SCL_L();		//SCL输出低电平
    Delay_us(2);
}

void IIC_Stop(void)		//停止信号
{
    IIC_SCL_H();		//SCL输出高电平
    IIC_SDA_L();		//SDA输出低点评
    Delay_us(2);
    IIC_SDA_H();		//SDA输出高电平
    Delay_us(2);
}


u8 IIC_Wait_Ask(void)		//等待应答信号
{
    u8 count;
    IIC_SDA_H();
	Delay_us(2);
	SDA_IN();
	Delay_us(2);
    IIC_SCL_H();
    Delay_us(2);
    while(Read_IIC_SDA)
    {
        count++;
        if(count>250)
        {
            IIC_Stop();				//如果长时间无应答，则认为从站故障，终止数据传输，并返回1
            return 1;
        }   
    }
    IIC_SCL_L();
    Delay_us(1);
    return 0;
}



void IIC_Ack(void)		//应答信号
{
    IIC_SCL_L();
    SDA_OUT();
    IIC_SDA_L();
    Delay_us(2);
    IIC_SCL_H();
    Delay_us(2);
    IIC_SCL_L();
}

void IIC_NAck(void)		//主机不产生应答信号NACK
{
    IIC_SCL_L();
    SDA_OUT();
    IIC_SDA_H();
    Delay_us(2);
    IIC_SCL_H();
    Delay_us(2);
    IIC_SCL_L();
}



void IIC_WriteByte(u8 data)			//写1Byte数据，每个数据都是以写1Byte作为基本单位
{
    u8 i;
    SDA_OUT();						//SDA切换到数据输出模式
	Delay_us(2);
    for(i=0;i<8;i++)				//循环传输1Byte数据，即8bit
    {
        IIC_SCL_L();				//SCL置低电平，为下个Bit数据做准备
		Delay_us(2);
        if(data & 0x80)     		//MSB,如果date的第八位为1
            IIC_SDA_H();			//则SDA置高
        else
            IIC_SDA_L();			//否则置低
		Delay_us(1);
        IIC_SCL_H();				//SCL拉高，产生一个时钟信号，从机读取SDA状态
        Delay_us(2);				//延时，丛机在这段时间读取SDA状态
        IIC_SCL_L();				//延时后拉低SCL，为下个Bit数据做准备
        data<<=1;					//date左移1位，下一bit变成第八位
    }
}

//读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK   



u8 IIC_Read_Byte(const unsigned char ack)
{
	u8 i,receive=0;
	SDA_IN();			//SDA设置为输入
	Delay_us(2);
    for(i=0;i<8;i++ )
	{
		IIC_SCL_L(); 
		Delay_us(2);
		IIC_SCL_H();
        receive<<=1;
		Delay_us(2);
        if(Read_IIC_SDA)
			receive++;   
		Delay_us(2); 
    }					 
    if (!ack)
        IIC_NAck();		//发送nACK
    else
        IIC_Ack();		 //发送ACK   
    return receive;
}


void IIC_DS3231_ByteWrite(u8 WriteAddr,u8 date)
{
	IIC_Start();		//起始信号
	IIC_WriteByte(DS3231_ADDRESS_Write);		//DS3231设备地址，写
	IIC_Wait_Ask();				//等待应答
	IIC_WriteByte(WriteAddr);	//寄存器地址
	IIC_Wait_Ask();				//等待应答
	IIC_WriteByte(date);		//写入数据
	IIC_Wait_Ask();				//等待应答
	IIC_Stop();					//结束信号
}

u8 IIC_DS3231_ByteRead(u8 ReadAddr)
{
	u8 data = 0;
	IIC_Start();										//产生起始位
	IIC_WriteByte(DS3231_ADDRESS_Write); 				//发送从机地址（写模式D0）
	IIC_Wait_Ask();				//等待应答
	IIC_WriteByte(ReadAddr);							//发送寄存器地址
	IIC_Wait_Ask();				//等待应答
	IIC_Start();										//重复起始信号
	IIC_WriteByte(DS3231_ADDRESS_Read);		//发送从机地址（读模式）
	IIC_Wait_Ask();							//等待应答
	data = IIC_Read_Byte(0);				//读取数据，参数设为0 --- NACK
	IIC_Stop();
	return data;
}

void IIC_DS3231_ReadAll(void)		//读取所有时间数据并转换
{
	u8 Data_Sec,Data_Min,Data_Hour,Data_Week,Data_Date,Data_Month,Data_Year;
	u8 Low,High;
	
	Data_Sec= IIC_DS3231_ByteRead(DS3231_SEC);			//读取数据秒
	Data_Min = IIC_DS3231_ByteRead(DS3231_MIN);			//读取数据分
	Data_Hour = IIC_DS3231_ByteRead(DS3231_HOUR);		//读取数据时
	Data_Week = IIC_DS3231_ByteRead(DS3231_WEEK);		//读取数据周
	Data_Date = IIC_DS3231_ByteRead(DS3231_DATE);			//读取数据日
	Data_Month = IIC_DS3231_ByteRead(DS3231_MONTH);		//读取数据月
	Data_Year = IIC_DS3231_ByteRead(DS3231_YEAR);		//读取数据年
	
	Low=Data_Sec&0x0f;						//取低四位
	High=(( Data_Sec& 0xf0) >> 4);			//取高四位
	RTC_Sec=High*10+Low;					//转换秒（高四位*10+低四位）
	
	Low=Data_Min&0x0f;
	High=(( Data_Min& 0xf0) >> 4);
	RTC_Min=High*10+Low;					//转换分
	
	Low=Data_Hour&0x0f;
	High=(( Data_Hour& 0x30) >> 4);
	RTC_Hour=High*10+Low;					//转换时（高两位*10+低四位）

	RTC_Week=Data_Week;						//转换周（不需要转换）
	
	Low=Data_Date&0x0f;
	High=(( Data_Date& 0xf0) >> 4);
	RTC_Date=High*10+Low;					//转换日
	
	Low=Data_Month&0x0f;
	High=(( Data_Month& 0x10) >> 4);
	RTC_Month=High*10+Low;					//转换月
	
	Low=Data_Year&0x0f;
	High=(( Data_Year& 0xf0) >> 4);
	RTC_Year=((Data_Month>>7)+20)*100+High*10+Low;	//转换年(世纪*100+高四位*10+低四位)		
}

void IIC_DS3231_WriteAll(u16 Year,u8 Month,u8 Date,u8 Week,u8 Hour,u8 Min,u8 Sec)
{	
	u8 Sec_Date,Min_Date,Hour_Date,Week_Date,Date_Date,Month_Date,Year_Date;
	u8 H_Bit,L_Bit;
	
	H_Bit=(Sec/10)<<4;			//取高四位
	L_Bit=Sec%10;				//取低四位
	Sec_Date=H_Bit|L_Bit;		//合并成八位
	
	H_Bit=(Min/10)<<4;
	L_Bit=Min%10;
	Min_Date=H_Bit|L_Bit;
	
	H_Bit=Hour/10;
	L_Bit=Hour%10;
	Hour_Date=(H_Bit<<4)|L_Bit;
		
	Week_Date=Week;
	
	H_Bit=Date/10;
	L_Bit=Date%10;
	Date_Date=(H_Bit<<4)|L_Bit;
	
	if(Year/100==20)
	{	
		H_Bit=Month/10;
		L_Bit=Month%10;
		Month_Date=(H_Bit<<4)|L_Bit;
		
		H_Bit=(Year-2000)/10;
		L_Bit=(Year-2000)%10;
		Year_Date=(H_Bit<<4)|L_Bit;
		
	}
	else
	{
		H_Bit=Month/10+8;		//05h第8位如果是1，则为22世纪
		L_Bit=Month%10;
		Month_Date=(H_Bit<<4)|L_Bit;
		
		H_Bit=(Year-2100)/10;
		L_Bit=(Year-2100)%10;
		Year_Date=(H_Bit<<4)|L_Bit;
	}
	IIC_DS3231_ByteWrite(DS3231_YEAR,Year_Date);	
	IIC_DS3231_ByteWrite(DS3231_MONTH,Month_Date);
	IIC_DS3231_ByteWrite(DS3231_DATE,Date_Date);
	IIC_DS3231_ByteWrite(DS3231_WEEK,Week_Date);
	IIC_DS3231_ByteWrite(DS3231_HOUR,Hour_Date);
	IIC_DS3231_ByteWrite(DS3231_MIN,Min_Date);
	IIC_DS3231_ByteWrite(DS3231_SEC,Sec_Date);
	
}

void DS3231_Init(void)		//DS3231初始化
{
	IIC_DS3231_ByteWrite(0x0E,0x40);		//使能1Hz方波，使能振荡器	
	IIC_DS3231_ByteWrite(0x0F,0x00);		//启动振荡器
	Delay_ms(100);    //延时等待完全起振
}

延时函数，IIC软件模拟需要用到延时函数，这里我采用的是滴答定时器进行延时，需要注意，F1 与F4的延时函数不能共用，因为主频不一样。

cpp 复制代码 
/****************************************************************
 * Function:    Delay_us
 * Description: Microsecond delay.
 * Input:       nus
 * Output:
 * Return:
*****************************************************************/
void Delay_us(u16 nus)
{ 
  //Delay_Init();
	u32 temp;
    SysTick->LOAD = SystemCoreClock / 8000000 * nus;  /* Time load (SysTick-> LOAD is 24bit) */
    SysTick->VAL = 0x000000;                          /* Empty counter */
    SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;         /* Start the countdown */

    do
    {
		temp = SysTick->CTRL;
    }
    while(temp&0x01 && !(temp&(1<<16)));        /* Wait time is reached */

    SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;  /* Close Counter */
    SysTick->VAL = 0x000000;                    /* Empty counter */
}

/****************************************************************
 * Function:    Delay_ms
 * Description: Millisecond delay.
 * Input:       nms
 * Output:
 * Return:
*****************************************************************/
void Delay_ms(u16 nms)
{
	u32 temp;
	while(nms > 500)	//24位定时器最大计数值2^24=16777216,计时器时钟频率初始化为21MHz，最大计时时间为16777216/21000000=0.798s=798ms，所以需要多次复位
	{
		
		SysTick->LOAD = SystemCoreClock / 8000 * 500; /* Time load (SysTick-> LOAD is 24bit) */
		SysTick->VAL = 0x000000;                      /* Empty counter */
		SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;     /* Start the countdown */

		do
		{
			temp = SysTick->CTRL;
		}
		while(temp&0x01 && !(temp&(1<<16)));        /* Wait time is reached */

		SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;  /* Close Counter */
		SysTick->VAL = 0x000000;                    /* Empty counter */
    
		nms -= 500;
	}
  
	SysTick->LOAD = SystemCoreClock / 8000 * nms; /* Time load (SysTick-> LOAD is 24bit) */
	SysTick->VAL = 0x000000;                      /* Empty counter */
	SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;     /* Start the countdown */

	do
	{
		temp = SysTick->CTRL;
	}
	while(temp&0x01 && !(temp&(1<<16)));        /* Wait time is reached */

	SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;  /* Close Counter */
	SysTick->VAL = 0x000000;                    /* Empty counter */
}

嘀嗒定时器初始化：在启用延时函数前必须对定时器进行初始化，配置对应的参数。这里我用主频HCLK的八分频做为其定时频率，即21MHz。也就是一秒钟对应定时器的21000000。

cpp 复制代码 
void Delay_Init(void)			//嘀嗒计时器初始化，用于Delay函数
{
    SysTick_CLKSourceConfig(SysTick_CLKSource_HCLK_Div8);		//计数器频率：168M/8=21MHZ
    SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;  				/* Disability SysTick counter */
}

main函数：初始化延时函数，初始化DS3231 ，讲时间写入DS3231，讲时间读取出来

cpp 复制代码 
#include<stm32f4xx.h>    //F4头文件

void main(void)
{
    Delay_Init();                //嘀嗒定时器初始化，必须初始化，延时依靠嘀嗒计时器

    DS3231_Init();		//DS3231初始化，唤醒DS3231，并启动振荡器
    IIC_DS3231_WriteAll(2023,10,1,1,12,00,00);   //设置时间函数,实例为2023年10月1日12：00：00
    IIC_DS3231_ReadAll();        //读取DS3231所有时间数据
}

最终读取转换后的时钟数据分别为这些变量：u8 RTC_Sec,RTC_Min,RTC_Hour,RTC_Week,RTC_Date,RTC_Month;

u16 RTC_Year;

可以通过串口打印，或者其他方式显示出当前时间。

这里我将时间显示到LCD屏幕上。

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