DS1302芯片与FPGA之间SPI通信原理

引言： 本文通过以DS1302芯片为基础，介绍该芯片与FPGA之间SPI通信原理，详细描述硬件设计原理及FPGA SPI接口驱动设计。

1. DS1302硬件设计原理

1.1 概述

DS1302是由美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片。它提供秒、分钟、小时、天、日期、月份和年份信息，对于少于31天的月份，月末日期会自动调整，包括闰年的更正。时钟以24小时或12小时的形式运行，带有AM/PM指示器。它通过一个简单的串行SPI接口与微处理器通信，如下图所示。

图1：DS1302管脚定义及典型应用威廉希尔官方网站

图2显示了DS1302芯片内部的主要组件：电源控制、输入移位寄存器、命令和控制逻辑、振荡器、实时时钟和RAM。

图2：DS1302芯片内部框图

1.2 管脚定义说明：

VCC2 ： 双电源配置中的主电源引脚。VCC1连接到备用电源（通常为纽扣电池），以在没有主电源的情况下保持时间和日期。DS1302从VCC1或VCC2中较大的一个操作。当VCC2大于VCC1+0.2V时，VCC2为DS1302供电。当VCC2小于VCC1时，VCC1为DS1302供电。

X1/X2： 连接标准32.768kHz石英晶体，石英晶体负载电容典型值为6pF。DS1302也可以由外部32.768kHz振荡器驱动，在该配置中，X1引脚连接到外部振荡器信号，并且X2引脚悬空。

GND： 地信号。

CE： 使能信号，输入CE信号必须在读取或写入期间被断言为高电平。该引脚有一个内部40kΩ（典型值）下拉电阻器，用于接地。

I/O： 输入/推拉输出。I/O引脚是3线接口的双向数据引脚。该引脚有一个内部40kΩ（典型值）下拉电阻器，用于接地。

SCLK： SCLK用于同步串行接口上的数据通信。该引脚有一个内部40kΩ（典型值）下拉电阻器，用于接地。

VCC1： 单电源和电池操作系统中的低功率操作以及低功率电池备份。

1.3 振荡威廉希尔官方网站

DS1302使用外部32.768kHz晶体，由于芯片内部集成了负载电容，振荡器威廉希尔官方网站 不需要任何外部电阻器或电容器来操作。表1规定了外部晶体的参数要求。

表1：外部晶体的参数要求

1.4 时钟精度

时钟的精度取决于晶体的精度以及振荡器威廉希尔官方网站 的电容性负载与晶体的电容性负荷之间的匹配精度。温度偏移引起的晶体频率漂移将增加额外的误差。耦合到振荡器威廉希尔官方网站 中的外部威廉希尔官方网站 噪声可能导致时钟快速运行。图3显示了用于隔离晶体和振荡器与噪声的典型PC板布局。

图3：隔离噪声的典型PCB板布局

1.5 原理图设计

DS1302与FPGA通过三线SPI接口进行通信，信号连接较为简单，信号对IO接口速率无要求。

图4：DS1302原理图设计

2. FPGA软件设计

2.1 SPI接口读写时序

SPI接口读时序操作如图5所示。读操作分为两个阶段，第一阶段进行写命令操作，即往I/O数据线上写入需要读出的寄存器地址，第二阶段是从I/O数据线上读取当前寄存器数据。

图5：SPI接口读操作时序

（1）使能信号CE为高电平，开启读操作，启动时，SCLK必须为低电平；

（2）在SCLK时钟的上升沿写入命令字节到I/O数据线；

（3）在SCLK时钟的下降沿从I/O数据线读取数据，要注意第一个读取的bit D0是在写命令最后一个bit时钟的下降沿采样的；

（4）使能信号CE为低电平，结束读操作。

SPI接口写时序操作如图6所示。写操作分为两个阶段，第一阶段进行写命令操作，即往I/O数据线上写入需要写入的寄存器地址，第二阶段是往I/O数据线上写入当前寄存器数据。

图6：SPI接口写操作时序

（1）使能信号CE为高电平，开启写操作；

（2）在SCLK时钟的上升沿写入命令字节到I/O数据线；

（3）在SCLK时钟的上升沿写入数据字节到I/O数据线；

（4）使能信号CE为低电平，结束写操作。

2.2 寄存器说明

命令字节

DS1302地址/命令字节如下表所示。

（1）bit7（MSB）：必须是逻辑1。0：禁用对DS1302的写入；

（2）bit6：0：选择时钟/日历数据，1：选择RAM数据；

（3）bit5~bit1：指定要写或读出的指定寄存器地址；

（4）bit0：0：写操作，1：读操作。

注意：命令字节总是从LSB（位0）开始传输。

时钟和日历寄存器

时间和日历信息是通过读取DS1302的寄存器字节来获得的。表2说明了RTC寄存器。

表2：RTC寄存器

寄存器说明：

（1）时钟和日历初始化：可以通过写入适当的寄存器字节来设置或初始化时间和日历。

（2）时间和日历寄存器数据格式：二进制编码十进制（BCD）格式。

（3）星期几的寄存器在午夜递增。与星期几对应的值是用户定义的，但必须是连续的（即，如果1等于星期日，则2等于星期一，依此类推）。不合理的时间和日期条目会导致未定义的操作。

（4）每当写入秒寄存器时，就会重置倒计时链。写入传输发生在CE的下降沿。为避免滚动问题，一旦重置倒计时链，必须在1秒内写入剩余的时间和日期寄存器。

（5）DS1302可以在12小时或24小时模式下运行。小时寄存器的第7位定义为12小时或24小时模式选择位。当为高时，选择12小时模式。在12小时模式中，第5位为AM/PM位，逻辑高为PM。在24小时模式中第5位是第二个10小时位（20–23小时）。每当12/24位发生变化时，必须重新初始化小时数据。

（6）时钟停止标志：秒寄存器的bit7被定义为时钟停止（CH）标志。

1：振荡器停止，DS1302进入低功耗待机模式，电流消耗小于100nA；

0：时钟将启动。

（7）WP写保护位：控制寄存器的第7位是写保护位WP。前7位（第0位至第6位）强制为0，读取时始终读取0。在对时钟或RAM进行任何写入操作之前，位7必须为0。当为高时，写保护位防止对任何其他寄存器进行写操作。因此，在尝试写入设备之前，应清除WP位。

2.3 软件设计

软件设计模块划分如下图7所示。

图7：软件设计模块划分框图

软件主要实现功能：

（1）DS1302芯片SPI接口驱动功能；

（2）DS1302芯片寄存器读写控制功能，可以实现时钟初始化设置；

（2）按键消抖功能；

（3）数码管动态显示功能。

各个模块功能：

（1）ds1302_segma.v模块为顶层模块，用于实现模块间互联；

（2）spi_driver.v实现DS1302 SPI接口通信功能；

（3）ds1302_ctrl_m.v实现DS1302寄存器读写控制功能，包括将设置值写入芯片和将芯片寄存器值读出控制。

（4）set_init_time.v实现通过按键实现时间初始值设置；

（5）Segma.v实现数码管动态显示功能（数码管位有限，只显示时、分、秒）；

（6）KeyJitters.v实现按键消抖功能。

3. 软件实测

软件下载至威廉希尔官方网站 板，通过SignaTap II在线逻辑分析仪抓取数据如下图所示。

图8：软件设计模块划分框图

图9：数码管显示实时时钟初始值

图8显示计时初始值正确写入ds1302芯片寄存器，图9数码管显示了正确的时、分、秒初始值。

来源：本文转载自FPGA技术实战公众号