SPI与DS1302实时时钟应用

原创于 2025-11-04 16:11:50 发布 · 273 阅读

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#SPI # DS1302 # 实时时钟 # 类SPI # 软件模拟 # BCD编码 # 单片机

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SPI接口与DS1302：深入理解类SPI通信与实时时钟应用

在嵌入式系统设计中，时间从来都不是一个可有可无的变量。无论是工业控制中的任务调度、数据采集系统的事件打标，还是智能家居设备的定时开关，精确的时间基准都是系统可靠运行的关键支撑。然而，如果仅依赖单片机内部定时器进行计时，一旦断电，所有时间信息都会丢失——这显然无法满足大多数实际需求。

于是，实时时钟芯片（RTC）应运而生。而在众多RTC方案中， DS1302 以其极简的三线制接口、超低功耗和出色的稳定性，成为教学与项目开发中最常见的选择之一。虽然它并不符合标准SPI协议，但其通信方式与SPI极为相似，常被称为“类SPI”设备。正因如此，用软件模拟SPI时序来驱动DS1302，不仅是一种实用的技术手段，更是理解底层通信机制的绝佳切入点。

说到SPI（Serial Peripheral Interface），很多人第一反应是“四根线、高速、全双工”。的确，作为Motorola提出的同步串行总线，SPI凭借简单高效的特性，在MCU与外设之间广泛应用。典型的SPI包含四条信号线：

SCLK ：由主机提供的时钟信号；
MOSI ：主出从入，主机向从机发送数据；
MISO ：主入从出，从机向主机返回数据；
CS/SS ：片选信号，用于选中特定从设备。

通信过程基于移位寄存器原理：主从双方在每个时钟周期交换一位数据，8个周期完成一个字节的传输。由于没有地址寻址机制，设备识别完全依赖CS引脚，因此每个从机都需要独立的片选线。

SPI支持四种工作模式，由两个参数决定：
- CPOL （Clock Polarity）：空闲时钟电平；
- CPHA （Clock Phase）：采样边沿。

模式	CPOL	CPHA	数据采样时刻
0	0	0	上升沿采样，下降沿输出
1	0	1	下降沿采样，上升沿输出
2	1	0	下降沿采样，上升沿输出
3	1	1	上升沿采样，下降沿输出

多数设备默认使用模式0或模式3。对于DS1302而言，它的行为更接近于 模式0 ：数据在SCLK上升沿被锁存，且在时钟下降前必须稳定建立。

尽管DS1302只用了三根线（RST、SCLK、I/O），没有独立的MOSI/MISO，但它本质上是一个 半双工类SPI设备 。其中：
- RST 相当于 CS 片选；
- SCLK 是同步时钟；
- I/O 是双向数据线，复用读写通道。

正因为这种高度相似性，我们完全可以借助对SPI的理解，通过普通GPIO手动模拟出符合DS1302要求的通信时序。

下面是一段针对STC89C52等51系列单片机的软件SPI实现代码：

#include <reg52.h>

// 引脚定义
sbit SPI_SCK = P1^0;
sbit SPI_IO  = P1^1;  // 双向数据线
sbit SPI_RST = P1^2;  // 片选/复位控制

// 向DS1302写入一个字节
void spi_write_byte(unsigned char byte) {
    unsigned char i;
    for(i = 0; i < 8; i++) {
        SPI_SCK = 0;              // 拉低时钟
        SPI_IO = (byte & 0x01);   // 输出最低位
        byte >>= 1;
        SPI_SCK = 1;              // 上升沿锁存数据
    }
}

// 从DS1302读取一个字节
unsigned char spi_read_byte() {
    unsigned char i, byte = 0;
    for(i = 0; i < 8; i++) {
        SPI_SCK = 0;
        byte >>= 1;
        if(SPI_IO) byte |= 0x80;  // 读取高位（先入高位）
        SPI_SCK = 1;
    }
    return byte;
}

这段代码看似简单，却蕴含了几个关键细节：

低位先行（LSB First） ：DS1302要求数据按bit0到bit7顺序传输，这一点与多数标准SPI设备（MSB优先）不同，必须特别注意。
时序匹配 ：在 spi_write_byte 中，数据在SCLK上升前沿建立，在上升沿被采样；而在读取函数中，也是在上升沿后读取有效值。整个流程严格遵循DS1302的数据手册要求。
无需硬件模块 ：该方法不依赖MCU内置的SPI控制器，极大提升了代码的可移植性，尤其适用于资源受限或缺乏硬件SPI的低成本单片机。

有了基础通信能力，接下来就是与DS1302交互的核心逻辑。

DS1302采用命令-响应机制。每次操作前，主机需先发送一个 控制字节 ，告诉芯片接下来要做什么。这个字节的格式如下：

BIT:  7   6   5   4   3   2   1   0
     1   R/W A4  A3  A2  A1  A0  X

第7位固定为1，表示启动通信；
第6位为读写标志：0写，1读；
中间5位为地址编码，指定目标寄存器；
最低位通常为0。

例如：
- 0x80 → 写秒寄存器；
- 0x81 → 读秒寄存器；
- 0xBE → 读第30字节RAM。

通信流程非常清晰：
1. 拉高RST；
2. 发送控制字节；
3. 进行数据读写（连续多个字节也可）；
4. 拉低RST结束。

值得注意的是，DS1302内部所有时间数据均以 BCD码 存储。这意味着“2024年4月5日14点30分0秒”会被编码为：
- 秒：0x00
- 分：0x30
- 时：0x14
- 日：0x05
- 月：0x04
- 年：0x24

因此，在程序中必须实现BCD与十进制之间的转换：

// BCD转十进制
unsigned char bcd_to_dec(unsigned char bcd) {
    return ((bcd >> 4) * 10) + (bcd & 0x0F);
}

// 十进制转BCD
unsigned char dec_to_bcd(unsigned char dec) {
    return ((dec / 10) << 4) | (dec % 10);
}

这两个函数虽小，却是确保时间正确显示的基础。试想一下，若将0x32当作十进制数处理，结果会是50秒而非32秒——这种错误在调试初期极为常见。

完整的DS1302操作封装如下：

#define WRITE_SECOND  0x80
#define READ_SECOND   0x81
#define WRITE_ENABLE  0x8E

void ds1302_init() {
    SPI_RST = 0;
    SPI_SCK = 0;
}

void ds1302_write(unsigned char addr, unsigned char data) {
    SPI_RST = 1;
    spi_write_byte(addr);
    spi_write_byte(data);
    SPI_RST = 0;
}

unsigned char ds1302_read(unsigned char addr) {
    unsigned char data;
    SPI_RST = 1;
    spi_write_byte(addr);
    data = spi_read_byte();
    SPI_RST = 0;
    return data;
}

// 设置初始时间（示例：2024-04-05 14:30:00）
void set_time() {
    ds1302_write(WRITE_ENABLE, 0x00);  // 关闭写保护
    ds1302_write(0x8E, 0x00);

    ds1302_write(WRITE_SECOND, dec_to_bcd(0));
    ds1302_write(0x82, dec_to_bcd(30));
    ds1302_write(0x84, dec_to_bcd(14));
    ds1302_write(0x86, dec_to_bcd(5));
    ds1302_write(0x88, dec_to_bcd(4));
    ds1302_write(0x8C, dec_to_bcd(24));

    ds1302_write(0x90, 0xA0);          // 开启振荡器
    ds1302_write(0x8E, 0x80);          // 启用写保护
}

// 获取当前时间
void get_time() {
    unsigned char sec, min, hour, day, mon, year;
    sec   = bcd_to_dec(ds1302_read(READ_SECOND));
    min   = bcd_to_dec(ds1302_read(0x83));
    hour  = bcd_to_dec(ds1302_read(0x85));
    day   = bcd_to_dec(ds1302_read(0x87));
    mon   = bcd_to_dec(ds1302_read(0x89));
    year  = bcd_to_dec(ds1302_read(0x8D));

    // 此处可输出至LCD或串口
}

这里有几个工程实践中容易忽略的要点：

写保护机制 ：DS1302默认开启写保护，任何写操作前必须先写入 0x00 解除保护，完成后立即恢复 0x80 ，以防误操作导致配置丢失。
振荡器使能 ：首次上电或更换电池后，需向地址 0x90 写入 0xA0 以启动内部计时。
电源设计 ：Vcc1接系统电源，Vcc2接备用电池（如CR2032）。当主电源断开时，芯片自动切换至备用供电，维持时钟运行，典型功耗低于300nA。

在一个典型的电子时钟系统中，连接方式非常简洁：

MCU (STC89C52)
   ├── P1.0 → SCLK (DS1302 Pin7)
   ├── P1.1 ↔ I/O  (DS1302 Pin6)
   └── P1.2 → RST  (DS1302 Pin5)

外部32.768kHz晶振接X1/X2
Vcc2接纽扣电池
电源旁路加0.1μF陶瓷电容

配合LCD1602或数码管模块，即可构建一个完整的数字时钟系统。主程序流程通常是：