Во многих проектах Ардуино требуется отслеживать и фиксировать время наступления тех или иных событий. Модуль часов реального времени, оснащенный дополнительной батарей, позволяет хранить текущую дату, не завися от наличия питания на самом устройстве. В этой статье мы поговорим о наиболее часто встречающихся модулях RTC DS1307, DS1302, DS3231, которые можно использовать с платой Arduino.
Модуль часов представляет собой небольшую плату, содержащей, как правило, одну из микросхем DS1307, DS1302, DS3231.Кроме этого, на плате практически можно найти механизм установки батарейки питания. Такие платы часто применяется для учета времени, даты, дня недели и других хронометрических параметров. Модули работают от автономного питания – батареек, аккумуляторов, и продолжают проводить отсчет, даже если на Ардуино отключилось питание. Наиболее распространенными моделями часов являются DS1302, DS1307, DS3231. Они основаны на подключаемом к Arduino модуле RTC (часы реального времени).
Часы ведут отсчет в единицах, которые удобны обычному человеку – минуты, часы, дни недели и другие, в отличие от обычных счетчиков и тактовых генераторов, которые считывают «тики». В Ардуино имеется специальная функция millis(), которая также может считывать различные временные интервалы. Но основным недостатком этой функции является сбрасывание в ноль при включении таймера. С ее помощью можно считать только время, установить дату или день недели невозможно. Для решения этой проблемы и используются модули часов реального времени.
Электронная схема включает в себя микросхему, источник питания, кварцевый резонатор и резисторы. Кварцевый резонатор работает на частоте 32768 Гц, которая является удобной для обычного двоичного счетчика. В схеме DS3231 имеется встроенный кварц и термостабилизация, которые позволяют получить значения высокой точности.
Сравнение популярных модулей RTC DS1302, DS1307, DS3231
В этой таблице мы привели список наиболее популярных модулей и их основные характеристики.
| Название | Частота | Точность | Поддерживаемые протоколы |
| DS1307 | 1 Гц, 4.096 кГц, 8.192 кГц, 32.768 кГц | Зависит от кварца – обычно значение достигает 2,5 секунды в сутки, добиться точности выше 1 секунды в сутки невозможно. Также точность зависит от температуры. | I2C |
| DS1302 | 32.768 кГц | 5 секунд в сутки | I2C, SPI |
| DS3231 | Два выхода – первый на 32.768 кГц, второй – программируемый от 1 Гц до 8.192 кГц | ±2 ppm при температурах от 0С до 40С. ±3,5 ppm при температурах от -40С до 85С. Точность измерения температуры – ±3С | I2C |
Модуль DS1307
DS1307 – это модуль, который используется для отсчета времени. Он собран на основе микросхемы DS1307ZN, питание поступает от литиевой батарейки для реализации автономной работы в течение длительного промежутка времени. Батарея на плате крепится на обратной стороне. На модуле имеется микросхема AT24C32 – это энергонезависимая память EEPROM на 32 Кбайт. Обе микросхемы связаны между собой шиной I2C. DS1307 обладает низким энергопотреблением и содержит часы и календарь по 2100 год.
Модуль обладает следующими параметрами:
- Питание – 5В;
- Диапазон рабочих температур от -40С до 85С;
- 56 байт памяти;
- Литиевая батарейка LIR2032;
- Реализует 12-ти и 24-х часовые режимы;
- Поддержка интерфейса I2C.
Модуль оправдано использовать в случаях, когда данные считываются довольно редко, с интервалом в неделю и более. Это позволяет экономить на питании, так как при бесперебойном использовании придется больше тратить напряжения, даже при наличии батарейки. Наличие памяти позволяет регистрировать различные параметры (например, измерение температуры) и считывать полученную информацию из модуля.
Взаимодействие с другими устройствами и обмен с ними информацией производится с помощью интерфейса I2C с контактов SCL и SDA. В схеме установлены резисторы, которые позволяют обеспечивать необходимый уровень сигнала. Также на плате имеется специальное место для крепления датчика температуры DS18B20.Контакты распределены в 2 группы, шаг 2,54 мм. В первой группе контактов находятся следующие выводы:
- DS – вывод для датчика DS18B20;
- SCL – линия тактирования;
- SDA – линия данных;
- VCC – 5В;
Во второй группе контактов находятся:
- SQ – 1 МГц;
- BAT – вход для литиевой батареи.
Для подключения к плате Ардуино нужны сама плата (в данном случае рассматривается Arduino Uno), модуль часов реального времени RTC DS1307, провода и USB кабель.
Чтобы подключить контроллер к Ардуино, используются 4 пина – VCC, земля, SCL, SDA.. VCC с часов подключается к 5В на Ардуино, земля с часов – к земле с Ардуино, SDA – А4, SCL – А5.
Для начала работы с модулем часов нужно установить библиотеки DS1307RTC, TimeLib и Wire. Можно использовать для работы и RTCLib.
Проверка RTC модуля
При запуске первого кода программа будет считывать данные с модуля раз в секунду. Сначала можно посмотреть, как поведет себя программа, если достать из модуля батарейку и заменить на другую, пока плата Ардуино не присоединена к компьютеру. Нужно подождать несколько секунд и вытащить батарею, в итоге часы перезагрузятся. Затем нужно выбрать пример в меню Examples→RTClib→ds1307. Важно правильно поставить скорость передачи на 57600 bps.
При открытии окна серийного монитора должны появиться следующие строки:
Будет показывать время 0:0:0. Это связано с тем, что в часах пропадает питание, и отсчет времени прекратится. По этой причине нельзя вытаскивать батарею во время работы модуля.
Чтобы провести настройку времени на модуле, нужно в скетче найти строку
RTC.adjust(DateTime(__DATE__, __TIME__));
В этой строке будут находиться данные с компьютера, которые используются ля прошивки модуля часов реального времени. Для корректной работы нужно сначала проверить правильность даты и времени на компьютере, и только потом начинать прошивать модуль часов. После настройки в мониторе отобразятся следующие данные:
Настройка произведена корректно и дополнительно перенастраивать часы реального времени не придется.
Считывание времени. Как только модуль настроен, можно отправлять запросы на получение времени. Для этого используется функция now(), возвращающая объект DateTime, который содержит информацию о времени и дате. Существует ряд библиотек, которые используются для считывания времени. Например, RTC.year() и RTC.hour() – они отдельно получают информацию о годе и часе. При работе с ними может возникнуть проблема: например, запрос на вывод времени будет сделан в 1:19:59. Прежде чем показать время 1:20:00, часы выведут время 1:19:00, то есть, по сути, будет потеряна одна минута. Поэтому эти библиотеки целесообразно использовать в случаях, когда считывание происходит нечасто – раз в несколько дней. Существуют и другие функции для вызова времени, но если нужно уменьшить или избежать погрешностей, лучше использовать now() и из нее уже вытаскивать необходимые показания.
Пример проекта с i2C модулем часов и дисплеем
Проект представляет собой обычные часы, на индикатор будет выведено точное время, а двоеточие между цифрами будет мигать с интервалом раз в одну секунду. Для реализации проекта потребуются плата Arduino Uno, цифровой индикатор, часы реального времени (в данном случае вышеописанный модуль ds1307), шилд для подключения (в данном случае используется Troyka Shield), батарейка для часов и провода.
В проекте используется простой четырехразрядный индикатор на микросхеме TM1637. Устройство обладает двухпроводным интерфейсом и обеспечивает 8 уровней яркости монитора. Используется только для показа времени в формате часы:минуты. Индикатор прост в использовании и легко подключается. Его выгодно применять для проектов, когда не требуется поминутная или почасовая проверка данных. Для получения более полной информации о времени и дате используются жидкокристаллические мониторы.
Модуль часов подключается к контактам SCL/SDA, которые относятся к шине I2C. Также нужно подключить землю и питание. К Ардуино подключается так же, как описан выше: SDA – A4, SCL – A5, земля с модуля к земле с Ардуино, VCC -5V.
Индикатор подключается просто – выводы с него CLK и DIO подключаются к любым цифровым пинам на плате.
Скетч. Для написания кода используется функция setup, которая позволяет инициализировать часы и индикатор, записать время компиляции. Вывод времени на экран будет выполнен с помощью loop.
#include
После этого скетч нужно загрузить и на мониторе будет показано время.
Программу можно немного модернизировать. При отключении питания выше написанный скетч приведет к тому, что после включения на дисплее будет указано время, которое было установлено при компиляции. В функции setup каждый раз будет рассчитываться время, которое прошло с 00:00:00 до начала компиляции. Этот хэш будет сравниваться с тем, что хранятся в EEPROM, которые сохраняются при отключении питания.
Для записи и чтения времени в энергонезависимую память или из нее нужно добавить функции EEPROMWriteInt и EEPROMReadInt. Они нужны для проверки совпадения/несовпадения хэша с хэшем, записанным в EEPROM.
Можно усовершенствовать проект. Если использовать жидкокристаллический монитор, можно сделать проект, который будет отображать дату и время на экране. Подключение всех элементов показано на рисунке.
В результате в коде нужно будет указать новую библиотеку (для жидкокристаллических экранов это LiquidCrystal), и добавить в функцию loop() строки для получения даты.
Алгоритм работы следующий:
- Подключение всех компонентов;
- Проверка – на экране монитора должны меняться ежесекундно время и дата. Если на экране указано неправильное время, нужно добавить в скетч функцию RTC.write (tmElements_t tm). Проблемы с неправильно указанным временем связаны с тем, что модуль часов сбрасывает дату и время на 00:00:00 01/01/2000 при выключении.
- Функция write позволяет получить дату и время с компьютера, после чего на экране будут указаны верные параметры.
Заключение
Модули часов используются во многих проектах. Они нужны для систем регистрации данных, при создании таймеров и управляющих устройств, которые работают по заданному расписанию, в бытовых приборах. С помощью широко распространенных и дешевых модулей вы можете создать такие проекты как будильник или регистратор данных с сенсоров, записывая информацию на SD-карту или показывая время на экране дисплея. В этой статье мы рассмотрели типичные сценарии использования и варианты подключения наиболее популярных видов модулей.
В этом материале будет рассмотрен топорный вариант работы с TWI модулем на примере часов реального времени - микросхемы DS1307. Топорный, потому что обмен по I2C будет организован без прерываний и анализа статусных кодов, чтобы сильно не грузить начинающих.
DS1307
Микросхема DS1307 предназначена для счета времени - секунд, минут, часов, дней, месяцев и лет. То есть по сути, это часы с календарем.
Она тактируется от собственного кварцевого генератора с частотой 32768 Гц и может работать от двух источников питания - основного и резервного. Важная фишка этой микросхемы заключается в низком потреблении - меньше 500 nA в рабочем режиме. При таком потреблении DS1307 может проработать от трехвольтовой батарейки (типа CR2032 емкостью ~200 мА*ч) несколько лет. Также DS1307 может генерировать на одном из выводов меандр и в ее составе есть 56 байт оперативной памяти, которую можно использовать для хранения данных.
Минимальная схема подключения DS1307 включает в себя часовой кварц и один источник питания. Обмен данными с микросхемой осуществляется по I2C, причем DS1307 может работать на шине только как подчиненное устройство (слейвом).
С чего начать?
Подключение любой микросхемы начинается с изучения даташита. В случае DS1307 нам нужно выяснить: какую скорость обмена поддерживает микросхема, какой она имеет адрес, как выглядит карта памяти, есть ли у нее управляющие биты или регистры, как передать данные и как прочитать их. Ниже приведены скриншоты из даташита, в которых я нашел требуемую информацию.
Скорость обмена DS1307
Адрес, по которому DS1307 отзывается на I2C шине
Карта памяти DS1307
Карта памяти показывает, по каким адресам расположены регистры микросхемы и сколько их вообще.
По нулевому адресу располагается регистр секунд. Младшие 4 разряда регистра отведены для единиц, там может быть число от 0 до 9. Старшие - для десятков секунд.
Это так называемый двоично-десятичный формат представления чисел (BCD).При таком формате один байт может представить числа только от 0 до 99. Остальные регистры часов и календаря содержат данные в таком же формате.
7-й разряд регистра секунд - управляющий. 0 в этом разряде разрешает работу часов, 1 - запрещает. При подачи питания этот разряд устанавливается в 1.
По первому адресу расположен регистр минут. С ним все понятно.
По второму адресу располагается регистр часов. 6-й бит этого регистра задает формат представления времени. Если он установлен в 1 используется 12 часовой формат, если сброшен -24 часовой.
По седьмому адресу располагается регистр, управляющий выводом SQW. На него можно выводить внутренний тактовый сигнал разной частоты. Значения битов описаны в даташите. Нас они сейчас не интересуют.
Ну и адреса с 8 по 63-й отведены для оперативной памяти. Их можно использовать для хранения данных.
Как записать данные в DS1307
DS1307 может работать в двух режимах: как подчиненный приемник и как подчиненный передатчик. В первом режиме ведущее устройство передает DS1307 данные, а DS1307 принимает их. Во втором - ведущее устройство принимает от DS1307 данные, а та в свою очередь передает их. (Но обмен в обоих случаях начинает ведущий!)
Для каждого режима в даташите есть описание и диаграмма обмена. Запись данных выполняется согласно следующей последовательности.
2. Ведущий выдает на шину адрес DS1307 с нулевым битом квитирования (адресный пакет), что сигнализирует ведомому о последующей записи данных.
3. Если на шине присутствует микросхема DS1307, она отвечает ведущему - ACK.
4. После получения ответа ведущий передает DS1307 адрес регистра, с которого начнется запись данных. Это значение записывается во внутренний счетчик адреса DS1307.
5. DS1307 снова отвечает ведущему.
6. Получив ответ, ведущий передает ведомому байт данных, который предназначен для записи в регистр DS1307.
7. DS1307 отвечает ведущему.
8. Шаги 6, 7 повторяются несколько раз.
9. Ведущий формирует на шине состояние СТОП.
Адрес, по которому выполняется запись в DS1307, автоматически увеличивается на единицу. Дойдя до последнего адреса, счетчик обнуляется. Записывать можно любое число байт - хоть один, хоть все.
1. Ведущий формирует на шине состояние СТАРТ.
2. Ведущий выдает на шину адрес DS1307 с установленным битом квитирования, что сигнализирует ведомому о последующем чтении данных.
3. DS1307 отвечает ведущему.
4. DS1307 передает ведущему байт данных, на который указывает внутренний счетчик адреса.
5. Ведущий отвечает, что принял данные.
6 . Шаги 4, 5 повторяются несколько раз.
7. DS1307 передает ведущему байт данных.
7. Ведущий неформирует ответ DS1307.
8. Ведущий выдает на шину состояние СТОП.
Поскольку чтение данных выполняется по адресу внутреннего счетчика, его значение нужно предварительно инициализировать. Это делается с помощью операции записи, которая обрывается после передачи адреса регистра.
Код
Теперь можно перейти к коду. Нам понадобится минимум три функции:
Функция инициализации,
- функция записи данных,
- функция чтения данных.
Инициализация
#define F_I2C 50000UL
#define TWBR_VALUE (((F_CPU)/(F_I2C)-16)/2)
#if ((TWBR_VALUE > 255) || (TWBR_VALUE == 0))
#error "TWBR value is not correct"
#endif
void RTC_Init(void)
{
TWBR = TWBR_VALUE;
TWSR = 0;
}
Скорость задается с помощью макроса TWBR_VALUE. Здесь используется формула, разобранная в предыдущей части. При компиляции расчетное значение проверяется с помощью директив препроцессора, чтобы убедиться, что оно не выходит за диапазон.
Передача данных
Передача данных начинается с состояния СТАРТ. Чтобы сформировать его, нужно включить TWI модуль, установить бит TWSTA и сбросить флаг прерывания TWINT. Это выполняется в одну строчку, записью в управляющий регистр TWCR.
Когда микроконтроллер выдаст на шину состояние СТАРТ, установится бит TWINT и в статусном регистре TWSR изменится статусный код. Микроконтроллер должен дождаться установки бита TWINT, прежде чем перейдет к следующей операции. Ожидание в нашем случае выполняется циклическим опросом (тупо поллингом.. не путать с троллингом).
TWCR = (1<
Каждая установка бита TWINT сопровождается определенным статусным кодом в регистре TWSR. По хорошему, мы должны проверять эти коды, чтобы контролировать успешность операций. Но поскольку код у нас торный (учебный), мы не будем этого делать.
Далее на шину нужно выдать адресный пакет. В регистр данных TWDR загружаем адрес, а бит квитирования устанавливаем нулевым. После загрузки адреса сбрасываем бит TWINT, инициируя дальнейшую работу TWI модуля, и дожидаемся, когда она завершится, опрашивая TWINT.
/*выдаем на шину пакет SLA-W*/
TWDR = (DS1307_ADR<<1)|0;
TWCR = (1<
Посылаем на шину адрес, с которого будет производиться запись в DS1307. Для этого загружаем в регистр данных требуемое значение, сбрасываем бит TWINT и дожидаемся его установки.
TWDR = adr;
TWCR = (1<
/*формируем состояние СТОП*/
TWCR = (1<
Полный код функции записи будет выглядеть примерно так.
/*выдаемна шину пакет SLA-W*/ /*передаем адрес регистра ds1307*/ /*передаем данные или пропускаем*/ TWDR = data; /*формируем состояние СТОП*/ С помощью этой функции можно производить запись отдельных регистров и инициализировать внутренний регистр адреса DS1307 для последующей операции чтения данных. Пример использования функции есть в тестовых проектах. Чтение данных из DS1307
Формируем состояние СТАРТ. Посылаем на шину адресный пакет - адрес и установленный бит квитирования. Получаем данные. Сбрасываем бит TWINT, инициирую работу TWI модуля. Бит TWEA должен быть установлен в 1, чтобы ведущее устройство сигнализировало ведомому о приеме очередного байта. /*формируем состояние СТОП*/ Полный код функции чтения одного байта данный из DS1307 будет выглядеть примерно так. /*формируем состояние СТАРТ*/ /*выдаем на шину пакет SLA-R*/ /*считываем данные*/ /*формируем состояние СТОП*/ Return data; Как обычно тестовый проект, объединяющий все выше сказанное. Программа простая. Инициализируем периферию, загружаем в DS1307 начальное значение. Далее в цикле считываем временя и выводим на LCD. Для общения с DS1307 используются всего три функции. Отзывы об этих часах в интернете самые противоречивые. Кто-то говорит что часы замечательные, а кто-то называет их убогой поделкой Далласа. И вот я, дабы развеять все недостоверные слухи, достал микруху из загашника начала экспериментировать. Особенности:
Распиновка
Выводы часов расположены следующим образом: X1, X2
— Выводы для подключения кварцевого резонатора на частоту 32.768 кГц Подключение к контроллеру
Правильная разводка платы
Кстати может работать и без кварца. Для этого на ногу X1 подают внешний тактовый сигнал с частотой 32.768 кГц, а X2 остаётся висеть в воздухе. Организация памяти часов
Все числа в памяти хранятся в двоично-десятичном формате. Это значит что в одном байте может хранится сразу две цифры. Например число 0x23 — содержит в себе цифру 2 и цифру 3. На каждую цифру выделяется по 4 бита. Зачем так сделано? Для удобства и экономии памяти. Кроме времени и даты в памяти хранятся несколько бит настроек: Софт
Для работы с часами DS1307 была написана нехитрая библиотека содержащая следующие базовые функции: DS_start
— запускает часы. Запустить часы можно так же установив время. Процедуры установки/чтения времени и даты могут воспринимать/возвращать входные данные в двоично-десятичном формате и в десятичном. Для выбора желаемого формата нужно закомментировать или раскомментировать по три строчки в каждой процедуре (в коде есть примечания по этому поводу). Тестовая программа позволяет управлять часами через UART (скорость 9600, контроллер работает на частоте 8 мГц). При запуске сразу выдаются время, дата и приглашение ввести команду от 1 до 3. При выборе варианта 1 происходит повторное считывание времени/даты. Вариант 2 позволяет установить время, а вариант 3 дату. Если хочется попробовать поиграть с часами в то в архив с исходником включён файл для симуляции. Точность
Вывод
Обновлено 23.07.2018.
Всем привет. Для работы с часами, в прошлой статье был рассмотрен интерфейс TWI, на который мы сегодня будем ссылаться. Ну что ж начнем. Данные часы являются TWI совместимыми, т.е. принцип обмена данными по шине будет таким же как мы и рассматривали. Как видно из описания имеется вход для аварийного питания от батареи, при отключенном внешнем питание. В этом режиме RTC поддерживает только свое основное назначение – отсчет времени, без внешних запросов. Напряжение питания батареи должно быть 2 – 3.5V. В техническом описание пишется что при заряде более 48 мА/ч, при температуре 25 град Цельсия, наша схема продержится около 10 лет. Более чем надо. На рисунке ниже представлена “таблеточка” CR2032 и крепление, которые будем использовать. Теперь пройдемся по внешнему питанию. Рабочее напряжение часов 5В с небольшим диапазоном 4,5 -5,5В. Напряжение от батареи 3В(минимум 2, максимум 3,5В) Работа RTC делится на три режима по напряжению: Как и в прошлых постах попробуем запустить в Proteus. Отладим код. И перенесем все в железо. Ниже приведена схема подключения. Где SQW/OUT – это вывод часов который можно запрограммировать на вывод частоты 1Гц, 4.096Гц, 8.192Гц и 32,768Гц. Т.е. можно использовать для внешнего прерывания контроллера с периодичностью в 1 с. Очень полезная функция. Но нам не пригодится. Кстати он тоже с открытым коллектором, поэтому необходим подтягивающий резистор. Номинал 4,7 кОм. Выводы Х1 и Х2 – к ним подключаем кварцевый резонатор с частотой 32,768 кГц. Либо можно применить внешний тактовый генератор с той же частотой. Но при этом вывод X1 подключается к сигналу, а X2 остаётся неподключенным (висеть в воздухе.). Ну и выводы SDA и SCL, с которыми мы познакомились в прошлой статье. Немного остановимся на резонаторе (рисунок ниже). Который можно назвать сердцем часов, и от которого зависит точность хода. Качество самого резонатора, лежит на совести производителя, но со своей стороны, мы можем уменьшить погрешность, которую вносят внешние факторы, если будем придерживаться следующих рекомендаций по размещению резонатора: 2. Ширину трассы также по возможности делать меньше, для уменьшения вероятности принятия помех с других источников.
3. Контур в виде защитного кольца необходимо поместить вокруг кристалла, что помогает изолировать кристалл от шума.
4. Проводники поместить в кольцо и и подключить к заземлению.
5. Припаиваем резонатор к земле. Если земля разведена верно и есть уверенность.
На рисунке ниже видно контур и место припая к земле. Как подключать разобрались. Идем далее – разберемся как с ним работать. RTC является программируемым и имеет 8 байт специальных регистров для его конфигурации и энергонезависимую статическую память 56 байтов. Для обмена информации необходима 2-х проводная шина данных, т.е. последовательная шина данных- который мы рассмотрели в прошлой статье. Итак для работы пробежимся по даташиту. Что нам необходимо: Таблица регистров. Рисунок ниже. Первые восемь регистров – для вывода и программирования наших часов. При обращении по адресу 00H к 7-му биту(CH) и установкой его в 0 –запускаем часы. Хочется отметить, что конфигурация регистров может быть любая, поэтому при первом запуске необходимо его настроить под свои требования. Остальные семь битов единицы и десятки секунд. Ну и последний регистр 07H. Данный регистр является управляющим.Где OUT отвечает за управление выводом SQW/OUT. Ниже таблица включения вывода.
SQWE – при установке этого бита в,1 на вывода выходят импульсы с заданной частотой,которая устанавливается,битами RS1 и RS0.
Этот вывод нам не пригодится в проекте. Хотя для него я развел на плате дорожку. В качестве экспериментов может быть где то в будущем и применим, ведь здесь можно сделать прерывании в 1 с. Теперь имея всю необходимую информацию, напишем функции для работы с часами. А также запустим проект в Proteus
. Который будет иметь следующий вид: Обратите внимание, что резонатор в Proteus, можно и не подключать к часам(обведенное красным). На рисунке выведен терминал часов, который отображает время, которое в свою очередь привязано к системному времени. Терминал отладчика протокола I2C или TWI, на котором отображается время отправки и приема сигнала, где D0 – передаваемая команда, D1 - прием. Ниже я буду выводить скриншоты терминала с результатом работы программы. Программа. Рассмотрев основные настройки часов напишем функцию инициализации. В этой функции мы передали три байта, адрес устройства, адрес регистра и байт информации для записи в этот регистр и сформировали состояние СТОП. Осталась последняя функция чтения. Ниже формат чтения. В данной функции выполняется передача байта адреса устройства +бит записи, байт адреса регистра для установки на него указатель, выполнение условия ПОВСТАР, передача байта адреса устройства +бит чтения, чтение регистра, адрес которого мы передали ранее. Если мы будем обращаться к часам в формате чтения, то при повторном обращении к часам указатель сдвигается на один байт вниз включая 56 байт ОЗУ, от 00H до 3FH. При достижении последнего адреса, указатель переходит на адрес 00.
Итак выше мы написали три функции, которые нам необходимы для работы с часами. Используя эти функции запустим программу в Proteus. Выведем, например дату. Ниже результат выполнения программы чтение даты. В окне отладчика I2C (TWI
) видно что сначала посылается адрес регистра в RTC (зеленый кружочек), в данном случае 04, который отвечает за дату месяца, и далее часы передают ответ 21 (красный кружочек). Когда мы запустим часы в железе, нам необходимо будет занести настоящее время. Ниже пример программы изменения минут. На рисунке видно, что сначала идет обращение к регистру 01, считывается минута 23. Далее мы используем функцию записи, и вносим значение 15. При следующей функции чтения у нас на табло часов значение 15. Ну и последний пример программы это вывод значений всех регистров На рисунке ниже видно, что вывелись данные 7-ми регистров. Исходник с проектом прилагается:
(Скачали: 601 чел.)
На этом все. В следующей статьеподключим часы в железе, выведем время на индикатор и познакомимся с двоично-десятичным форматом для работы с часами. Всем пока. DS1307 – часы реального времени с последовательным интерфейсом, поддерживают. Часами можно управлять, используя микроконтроллер Atmega128 или другой МК, который имеет последовательный двухпроводной интерфейс. DS1307 подключается напрямую к двум портам I/O микроконтроллера, а двухпроводной интерфейс обеспечивается драйверами низкого уровня, которые описываются в разделе. Основными характеристиками DS1307 являются: низкая потребляемая мощность, полный BCD часы/календарь и 56 байт энергонезависимой памяти SRAM. Адрес и данные передаются последовательно через двухпроводную двунаправленную шину. Часы/календарь выдают следующую информацию: секунды, минуты, часы, дни, месяцы и годы. Конец месяца автоматически устанавливается для тех месяцев, в которых менее 31 дня. Имеется поправка на високосный год. Часы работают в 24-часовом или 12-часовом формате с индикатором AM/PM. DS1307 имеет встроенную схему контроля питания, которая обнаруживает ошибки питания и автоматически переключается на батарейное питание. DS1307 работает как «ведомое» устройство на последовательной шине. Для доступа к нему нужно установить состояние START и передать следом за адресом регистра идентификационный код устройства. К следующим регистрам можно обращаться последовательно, пока не установлено состояние STOP. Состояния START и STOP генерируются драйверами низкого уровня. DS1307 имеет двухпроводную шину, подключённую к двум выводам порта I/O МК: SCL – PD0, SDA – PD1. Напряжение VDD равно 5В, схема использует кварцевый (часовой) резонатор с частотой 32.678 кГц. В процессе передачи данных, при переходе линии тактового сигнала в высокое состояние, линия данных должна оставаться стабильной. Изменения состояния линии данных в тот момент, когда тактовая линия находится в высоком состоянии, будут пониматься как управляющие сигналы. В соответствии с этим должны быть оговорены следующие условия: Начало передачи данных.
Изменение состояния линии данных при переходе из высокого в низкое, в то время как тактовая линия находится в высоком состоянии, определяется как состояние START. Остановка передачи данных.
Изменение состояния линии данных при переходе из низкого в высокое, в то время как тактовая линия находится в высоком состоянии, определяется как состояние STOP. Рис. 2.40. Передача данных по последовательной двухпроводной шине Каждая передача данных начинается при наступлении состояния START и прекращается при наступлении состояния STOP. Количество байт данных переданных между состояниями START и STOP не ограничено и определяется «ведущим» устройством. Информация передаётся побайтно, и каждый приём подтверждается девятым битом. Подтверждение приёма.
Каждое приёмное устройство, при обращении к нему, вынуждено генерировать подтверждение приёма после получения каждого байта. «Ведущее» устройство должно генерировать дополнительные тактовые импульсы, которые ставятся в соответствие битам подтверждения. Если сигнал подтверждения приёма находится в высоком состоянии, то по приходу тактового импульса бита подтверждения, подтверждающее приём устройство должно переводить линию SDA в низкое состояние. Конечно, должны учитываться время установки и время удержания. «Ведущее» устройство должно сигнализировать об окончании передачи данных «ведомому» устройству, прекращая генерацию бита подтверждения, при получении от «ведомого» тактового импульса подтверждения приёма. В этом случае, «ведомый» должен перевести линию данных в низкое состояние, чтобы позволить «ведущему» генерировать условие STOP. На рис. 2.40 показано завершение передачи данных по двухпроводной линии. В зависимости от состояния бита R/-W, возможны два типа передачи: 1. Режим «ведомого» приемника (режим записи в DS1307): последовательные данные и такты получены через SDA и SCL соответственно. После передачи каждого байта передаётся подтверждающий бит (рис.2.40). Состояния START и STOP понимаются как начало и конец последовательной передачи. Распознавание адреса выполняется аппаратно после приема адреса «ведомого» и бита направления. Байт адреса является первым байтом, принимаемым после возникновения состояния START, генерируемого «ведущим». Байт адреса содержит семь битов адреса DS1307, равных 1101000, сопровождаемых битом направления (R/#W), который для записи равен 0 (рис. 2.40а). После приёма и декодирования байта адреса DS1307 выдаёт подтверждение на линию SDA. После подтверждения DS1307 адреса «ведомого» и бита записи, «ведущий» передает адрес регистра DS1307. Тем самым будет установлен указатель регистра в DS1307. Затем «ведущий» начнет передавать каждый байт данных с последующим приёмом подтверждения получения каждого байта. По окончании записи «ведущий» сформирует состояние STOP, для прекращения передачи данных. 2. Режим «ведомого» передатчика (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 DS1307 по SDA, тактовые импульсы - по SCL. Состояния START и STOP понимаются как начало и конец последовательной передачи (рис. 2.40). Байт адреса является первым байтом, принимаемым после возникновения состояния START, генерируемого «ведущим». Байт адреса содержит семь битов адреса DS1307, равных 1101000, сопровождаемых битом направления (R/-W), который для чтения равен 1. После приёма и декодирования байта адреса DS1307 принимает подтверждение с линии SDA. Тогда DS1307 начинает передавать данные с адреса, на который показывает указатель регистра. Если указатель регистра не записан перед инициализацией режима чтения, то первым прочитанным адресом является последним адрес, сохранённый в указателе регистра. DS1307 должен послать бит «неподтверждения», чтобы закончить чтение (рис. 2.40б). Схема подключения DS1307 к МК Atmega128 приведена на рис. 2.41, где кнопки SA1 и SA2 предназначены для начальной настройки часов. Рис. 2.41. Подключение схемы DS1307 микроконтроллеру по интерфейсу IIC (шина TWI) Контрольные вопросы 1. В чем отличие RISC –процессора от CISC-процессор? 2. В чем преимущества аккумуляторной архитектуры от архитектуры с регистрами общего назначения? 3. Что значит команды с фиксированной разрядностью? Дайте разъяснение. 4. Перечислите периферийные устройства МК и приведите примеры их использования. 5. Назначение отладочных средств. Что дает программисту использования отладчиков? 6. На какие линии делятся МК фирмы Atmel? В чем их отличие. 7. Где используются МК сверхмалым энергопотреблением? 8. Какие меры принимаются для снижения энергопотребления фирмами-разработчиками? Глава III. Лабораторный практикум по микроконтроллерам семейства AVR фирмы ATMEL
Лабораторный практикум предназначен для изучения студентами специальностей 22.01.00, 23.03.00 и 23.05 всех форм обучения основных принципов построения и программирования, цифровых систем управления и обработки данных и является частью учебно-методических разработок по дисциплинам «Микропроцессорные системы», «Микропроцессорные устройства систем управления», «Микропроцессорные системы управления», «Машинно-ориентированные языки программирования». Приведенные в практикуме лабораторные работы позволят получить практические навыки по разработке аппаратного, алгоритмического и программного обеспечения микроконтроллерных систем управления и обработки данных. В настоящем лабораторном практикуме наряду с описаниями лабораторных работ приводятся основные справочные и теоретические положения по теме выполняемой работы или ссылки на соответствующий материал данного учебного пособия, необходимый при подготовке и выполнении работы, а также контрольные вопросы, которые позволяют оценить степень подготовленности к работе. Все работы проводятся на учебно-лабораторном стенде УЛС-ATmega8535, разработанным автором по единой схеме «Получение задания [Анализ задания [ Разработка алгоритма решения задачи [ Разработка и отладка программного обеспечения на отладчике AVR Studio 4 [ Программирование реальной системы с использованием PonyProg2000[Проверка работоспособности и демонстрации реальной системы [ Составление и защита отчета».
Отличительными особенностями стенда являются:
· универсальность; · возможность подключения различных типов датчиков и исполнительных устройств; · возможность использования современных аппаратно–программных средств отладки и программирования микроконтроллеров в реальных условиях; Эффективность использования УЛС в учебном процессе определяется:
1. Универсальностью стенда, т.к. стенд позволяет посредством коммутации перестраивать структуру стенда для решения различных задач, что даст возможность на одном стенде проводить большое количество лабораторных работ (более 30); 2. Повышением эффективности проведения занятий, так как отладкапрограммного обеспечения стенда производится на отладчике AVR Studio 4, a программирование реального МК производится с использованием аппаратно-программных средств PonyProg2000; 3. Возможностью решения поставленных задач по схеме «Получение задания [Анализ задания [ Разработка алгоритма решения задачи [ Разработка и отладка программного обеспечения на отладчике AVR Studio 4 [ Программирование реальной системы с использованием PonyProg2000[Проверка работоспособности и демонстрации реальной системы [ Составление и защита отчета» с использованием реальных микроконтроллеров и современных аппаратно–программных средств отладки и программирования микроконтроллерных систем управления и обработки данных. 4. Получением дополнительных навыков по работе с различными периферийными устройствами (системами индикации на основе ЖКИ, интерфейсами UART, SPI, IIC и RS-232) и т.д.; 5. Возможностью разработки собственных вариантов лабораторных работ. Принципиальная схема УЛС и расположение элементов на печатной плате приведены на рисунках 3.1 и 3.2. Основные элементы УЛС следующие:
1. Кнопка включения напряжения питание SB9 (В качестве источника питания стенда используется блок питания компьютера +5В, что обеспечивает безопасность работы на стенде). 2. Светодиод HL17 индицирует наличие напряжения +5В. 3. . Микросхема D1 - микроконтроллер Atmega8535 семейства AVR, производства фирмы ATMEL, 8-восьмиразрядный, с тактовой частотой от 0 до 16 МГц. В своем составе имеет – Flash-память программ 8 Кбайт, ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) 512 байт, 512 байт EEPROM (электрически перепрограммируемая память), два 8-разрядных и один 16-разрядный таймеры/счетчики, 8-канальный 10-битный АЦП (а
налого-ц
ифровой п
реобразователь), программируемый последовательный интерфейс UART, последовательные интерфейсы SPI и I2C. 4. Жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) LCD, подключенный к микроконтроллеру через параллельный порт (8 линий данных и 3 линии управления, разъемы Х8 и Х11 соответственно). ЖКИ дает возможность наглядно устанавливать (посредством кнопок настройки часов) и отображать текущее время и результаты работы АЦП. 5. Кнопки SB1, …, SB8 и светодиодные индикаторы HL1- HL8, предназначены для имитации дискретных сигналов ввода. 6. Линейка индикации дискретных сигналов вывода, реализованной на светодиодах HL9- HL16. 7. Резисторы переменного сопротивления R20, R21 для имитации датчиков угла поворота (задающее устройство в системах управления) или для формирования входного аналогового сигнала АЦП. 8. Кнопки-имитаторы внешних сигналов запроса прерывания S16, S17.
void RTC_SetValue(uint8_t adr, uint8_t data)
{
/*формируем состояние СТАРТ*/
TWCR = (1<
TWDR = (DS1307_ADR<<1)|0;
TWCR = (1<
TWDR = adr;
TWCR = (1<
if (data != RTC_RESET_POINTER){
/*это чтобы привести данные к BCD формату*/
data = ((data/10)<<4) + data%10;
TWCR = (1<
TWCR = (1<
/*формируем состояние СТАРТ*/
TWCR = (1<
/*выдаемна шину пакет SLA-R*/
TWDR = (DS1307_ADR<<1)|1;
TWCR = (1<
Когда бит TWINT снова установится в 1, в регистре данных будет байт принятый от ведомого.
/*считываем данные с подтверждением*/
TWCR = (1<
/*считываем данные без подтверждения*/
TWCR = (1<
TWCR = (1<
uint8_t RTC_GetValue(void)
{
uint8_t data;
TWCR = (1<
TWDR = (DS1307_ADR<<1)|1;
TWCR = (1<
TWCR = (1<
TWCR = (1<
}Тестовый проект для DS1307
VBAT
— Вывод для подключения 3-х вольтовой батареи резервного питания
GND
— Земля
SDA
— линия данных шины i2c
SCL
— линия тактовых импульсов шины i2c
SQW/OUT
– выходной сигнал для тактирования внешних устройств
VCC
— питание 5 вольт
Обвязка минимальна. Потребуется кварц 32.768 кГц, пара резисторов для работы шины i2c и батарейка на три вольта.
Точность хода да и вообще работоспособность часов, зависит от разводки печатной платы. Даллас в своем даташите рекомендует сократить до минимума длинну проводников от микросхемы до кварцевого резонатора и окружить эти проводники прямоугольником подключенным к земле. Кроме этого для надежности я припаял к корпусу кварца проводок идущий к земле и параллельно питанию поставил конденсатор на 0.1 мкф.
Данная микруха наделена 64 байтами памяти. Первые восемь байт — рабочие. В них хранится время, дата, день недели. Остальные выделены под нужды пользователя. В них можно хранить например какие-нибудь настройки или еще что-нибудь. Естественно, когда резервное питание пропадает, вся информация в этой памяти разрушается. Вся работа с часами (чтение и установка времени/даты) сводится к тому, чтобы читать и записывать нужные ячейки памяти.
DS_stop
— останавливает часы
DS_set_time —
Установка времени. Перед вызовом процедуры нужно поместить в tmp1 — секунды в tmp2 — минуты и в tmp3-часы. Часы в 24-х часовом формате.
DS_get_time: —
считывание времени из часов. секунды будут записаны в tmp1, минуты в tmp2, часы в tmp3
DS_get_date:
— считывание даты из часов. День будет записан в tmp1, месяц в tmp2, год в tmp3
DS_set_date: —
установка даты. Перед вызовом процедуры нужно поместить в tmp1 — день в tmp2 — месяц и в tmp3-год (последние 2 цифры)
Тут очень многое зависит от применяемого кварца и разводки платы. Даташит сообщает что емкость кварца должна быть 12.5 пф. Говорят, что лучше всего применять кварцы от материнских плат. Для коррекции хода можно подпаять к резонатору подстроечный конденсатором и при помощи него в небольших пределах менять частоту. Лично у меня эти часы работают вторые сутки и отстали на 3 секунды. Что-то мне подсказывает, что дело в ёмкости кварца, попробую другой отпишусь.
Неплохие часы. Для любительского применения идеальный вариант. Хотя некоторые пишут о глюках, но я пока не столкнулся.
1. Vcc=5В – чтение, запись, отсчет;
2. Vcc= ниже 1,25*Vbat , но выше Vbat +0.2V — только отсчет батареи от внешнего питания.
3. Vcc ниже Vbat: RTC и ОЗУ переходит на питание от батареи. Потребление в активном состоянии 1,5 мА, от батареи 500-800нА.
Напряжение для передачи/приема информации:
Логический 0: -0.5В — +0.8В
Логическая 1: 2.2 В – Vcc+0.3В
01H – Минуты.
02H – Часы, которые настраиваются:
— Бит 6 – при 1 вывод 12 часовой формат, 0 – 24.
— Бит 5 – при 1 (при 12 часовом формате) PM , 0-AM
— Бит 5 – (при 24 ч формате) это вывод второго десятка часов (20-23часа.)
— Бит4 – первый десяток часов, остальные биты это единицы часов.
03H – день недели;
04H – дата;
05H – месяц года
06H – год.
OUT
SQWE
SQW/OUT
1
0
1
0
0
0
/*Функция инициализации включает в себя установку скорости обмена данных по формуле(в предыдущей статье), установка пред делителя и включение модуля TWI*/
void init_DS1307 (void)
{
TWBR = 2;
/*При частоте 1 МГц */
TWSR = (0 << TWPS1)|(0 << TWPS0);
/*Пред делитель на 64*/
TWCR |= (1 << TWEN);
/*Включение модуля TWI*/
}
void write_DS1307 (uint8_t reg, uint8_t time)
/*передаем два параметра: адрес регистра, к которому будем обращаться и передаваемую информацию*/
{
/* Формируем состояние СТАРТ, выставляя разряды регистра управления*/
TWCR = (1<
/*Разрешить работу модуля TWEN; Сформировать состояние старт TWSTA; Сбросить флаг TWINT */
/*Ждем окончания формирования условия старт, т.е. пока не установится флаг, код статуса = 08*/
while (!(TWCR & (1<
/*Далее перелаем пакет адреса (адрес устройства). Содержимое пакета загружается в регистр TWDR*/
TWDR = 0xd0;
/*0b1101000 + 0 – адрес + бит записи*/
/*Сбрасываем флаг для передачи информации*/
TWCR = (1<
/*Ждем установки флага*/
while (!(TWCR & (1<
/*передаем регистр к которому будем обращаться*/
TWDR = reg;
TWCR = (1<
while (!(TWCR & (1<
/*Передаем информацию для записи в байт регистра*/
TWDR = time;
TWCR = (1<
while (!(TWCR & (1<
/*формируем состояние СТОП*/
TWCR = (1<
}
/*Функция чтения данных из DS1307*/
uint8_t read_DS1307 (uint8_t reg)
/*Передаем адрес регистра*/
{
uint8_t time;
/*формируем состояние СТАРТ*/
TWCR = (1<
while (!(TWCR & (1<
TWDR = 0xd0;
/*Передаем адрес + бит записи*/
TWCR = (1<
while (!(TWCR & (1<
TWDR = reg;
/*Адрес регистра*/
TWCR = (1<
while (!(TWCR & (1<
/*формируем состояние ПОВСТАР*/
TWCR = (1<
while (!(TWCR & (1<
TWDR = 0xd1;
/*Передаем адрес + бит чтения*/
TWCR = (1<
while (!(TWCR & (1<
/*считываем данные*/
TWCR = (1<
while (!(TWCR & (1<
time = TWDR;
time = (((time & 0xF0) >> 4)*10)+(time & 0x0F);
/*формируем состояние СТОП*/
TWCR = (1<
return time;
}
#include
#include
uint8_t time;
void init_DS1307 (void);
uint8_t read_DS1307 (uint8_t reg);
void write_DS1307 (uint8_t reg, uint8_t time);
int main (void)
{
DDRC = 0×00;
/*Выставляем порт как вход*/
PORTC = 0xFF;
/*Подтягиваем сопротивление*/
init_DS1307;
while (1)
{
_delay_ms (50);
read_DS1307 (0×04);
/*Чтение регистра даты*/
}
}
while (1)
{
_delay_ms (500);
read_DS1307 (0×01); /*Считываем минуту*/
_delay_ms (500);
write_DS1307 (0×01, 15); /*Записываем необходимую минуту*/
_delay_ms (500);
read_DS1307 (0×01); /*Считываем минуту*/
}
while (1)
{
delay_ms (500);
read_DS1307 (0×00);
_delay_ms (500);
read_DS1307 (0×01);
_delay_ms (500);
read_DS1307 (0×02);
_delay_ms (500);
read_DS1307 (0×03);
_delay_ms (500);
read_DS1307 (0×04);
_delay_ms (500);
read_DS1307 (0×05);
_delay_ms (500);
read_DS1307 (0×06);
_delay_ms (500);
}
Действительные данные.
Состояние линии данных соответствует действительным данным тогда, когда после условия START линия данных стабильна во время высокого состояния тактового сигнала. Данные на линии должны быть изменены во время низкого состояния тактового сигнала. Один тактовый импульс на один бит данных.
