介紹了美國DALLAS公司推出的低功耗時(shí)鐘芯片DS1307的結(jié)構(gòu)和工作原理及其在太陽能電池控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。DS1307可以對(duì)年、月、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。太陽光線在不同的季節(jié)和不同時(shí)間其照射的方向及角度是不一樣的，為了最有效地接收到太陽光，太陽能電池板必須隨著季節(jié)和時(shí)間的變化而改變方向，實(shí)時(shí)鐘芯片DS1307對(duì)于太陽能電池板控制系統(tǒng)的時(shí)間與日期的確定具有重要意義。

0 引言

很多控制系統(tǒng)都需要借助于時(shí)間和日期，太陽能電池（發(fā)電系統(tǒng)）的電池板控制就是其中最典型的一例。太陽光線在春、夏、秋、冬的不同季節(jié)以及一天的不同時(shí)段其光照的方向和角度都不一樣，為了最大限度地發(fā)揮太陽能電池（發(fā)電系統(tǒng)）的作用，太陽能電池板必須隨著季節(jié)和時(shí)間的變化而改變其方向，如圖1所示是太陽能電池板在一天中的三個(gè)時(shí)間與太陽光線的位置關(guān)系。在設(shè)計(jì)太陽能電池板的控制系統(tǒng)時(shí)就要涉及到實(shí)時(shí)日期和時(shí)間，而實(shí)時(shí)鐘芯片DS1307可以對(duì)年、月、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，在系統(tǒng)中采用DS1307可很好地解決太陽能電池板控制的時(shí)間與日期問題。

1、DS1307的結(jié)構(gòu)及工作原理

DS1307是美國DALLAS公司推出的一種高性能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，它是一個(gè)有56字節(jié)非易失SRAM的低功耗、全BCD碼的時(shí)鐘日歷RTC（real-timeclock）。其時(shí)鐘具有12小時(shí)制和24小時(shí)制兩種制式。其地址和數(shù)據(jù)信號(hào)可通過TWI雙向總線（與I2C總線兼容）傳輸。

1.1、DS1307的管腳及功能定義

DS1307具有自動(dòng)掉電保護(hù)和上電復(fù)位功能，可輸出不同頻率的方波信號(hào)，其引腳排列如圖2所示。圖中：

圖2 ds1307引腳圖

VCC：+5V電源;

VBAT：+3V電池電源輸入;

X1，X2：32.768kHz的晶振輸入端;

SDA：數(shù)據(jù)線;

SCL：時(shí)鐘線;

SQW/OUT：方波信號(hào)輸出端。

1.2、DS1307的內(nèi)部寄存器及功能

DS1307RTC寄存器地址為00h到07h;RAM寄存器地址位于08h到3Fh。在多字節(jié)訪問期間，如果地址到達(dá)RAM空間的結(jié)尾3Fh處，將發(fā)生卷繞，此時(shí)將定位到開始處即00h單元。DS1307的時(shí)間和日歷信息要通過讀取相應(yīng)的寄存器來設(shè)置和初始化。如寄存器0的位7定義為振蕩器的使能、停止位（CH）：即CH=1，振蕩器停止;CH=0，振蕩器使能。而小時(shí)寄存器的位6則定義為12小時(shí)、24小時(shí)的選擇位：即BIT6=1時(shí)為12小時(shí)格式，BIT5=1指示PM;BT6=0時(shí)為24小時(shí)格式，此時(shí)BIT5為第二個(gè)小時(shí)的指示位，且依賴于R/W的狀態(tài)。DS1307內(nèi)部有8個(gè)特殊寄存器即00H～07H單元，其中00H～06H分別為秒～年時(shí)間計(jì)數(shù)寄存器，07H為控制寄存器。控制寄存器07H單元用于控制芯片7腳產(chǎn)生不同頻率的方波信號(hào)。具體作用如表1所示。

其中：OUT為控制位，SQWE是使能位。當(dāng)SQWE=0時(shí)，如果OUT=0，則SQW/OUT引腳輸出低電平，如果OUT=1，則SQW/OUT引腳輸出為高電平。當(dāng)SQWE=1時(shí)，由RS1，RS0決定引腳/OUT輸出不同頻率的方波信號(hào)。RS1，RS0與輸出頻率的關(guān)系如表2所示。

總線接口單元包括數(shù)據(jù)與地址移位寄存器TWDR，START/STOP控制器和總線仲裁判定硬件電路單元。TWDR寄存器用于存放發(fā)送或者接收的數(shù)據(jù)或者地址。除了8位的TWDR，總線接口單元還有一個(gè)寄存器，包含了用于發(fā)送或者接受應(yīng)答的（N）ACK信號(hào)，這個(gè)寄存器不能由程序直接訪問。當(dāng)接收數(shù)據(jù)時(shí)，它可以通過TWI控制寄存器TWCR來復(fù)位或者清零;在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，（N）ACK的值由TWCR的值決定。

1.3 DS1307的數(shù)據(jù)交換及其格式

DS1307在TWI總線上作為一個(gè)從器件。通過執(zhí)行一個(gè)START命令并且在驗(yàn)證器件地址后才可以訪問。然后寄存器可以被訪問直到執(zhí)行一個(gè)STOP命令為止。

TWI的地址包格式：所有在TWI總線上傳送的地址包長度均為9位，它包括7位地址位，1個(gè)R/W控制位和1個(gè)應(yīng)答位ACK，如果R/W為1，則執(zhí)行讀操作。如果R/W為0，則執(zhí)行寫操作。從機(jī)被尋址后，必須在第9個(gè)SCL（ACK）周期通過拉低SDA做出應(yīng)答，若從機(jī)忙或者無法響應(yīng)主機(jī)，則應(yīng)該在ACK周期保持SDA為高。然后主機(jī)可以發(fā)出STOP狀態(tài)或者REPSTART狀態(tài)重新開始發(fā)送。地址包包括從機(jī)地址和稱為SLA+R或者SLA+W的READ或者WRITE位。地址字節(jié)的MSB首先被發(fā)送。所有1111xxxx的地址均保留，以便將來使用。

TWI的數(shù)據(jù)包格式：所有在TWI總線上傳送的數(shù)據(jù)包長度均為9位，它包括8個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)應(yīng)答位。在數(shù)據(jù)傳送中，主機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘及START與STOP狀態(tài)，而接收器響應(yīng)接收。應(yīng)答是ACK在第9個(gè)SCL周期拉低SDA實(shí)現(xiàn)的。如果接收器使SDA為高，則發(fā)送NACK信號(hào)。如果接收器由于某種原因不能接受更多數(shù)據(jù)，應(yīng)在最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后發(fā)出NACK信號(hào)告訴發(fā)送器停止發(fā)送，數(shù)據(jù)的MSB首先發(fā)送。

DS1307通過雙向數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從其時(shí)序關(guān)系可看出，DS1307有2種操作方式：

1）寫操作：把SDA數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)按RAM指定的首地址（WordAddress）依次寫入N個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，首先主器件傳輸從器件的地址字節(jié)。緊跟著是一系列的數(shù)據(jù)字節(jié)。從器件每收到一個(gè)字節(jié)后返回一個(gè)應(yīng)答位ACK。其格式如圖3所示。

2）讀操作：按RAM指定的首地址依次讀出N個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，主器件首先傳送從器件地址。從器件返回一個(gè)應(yīng)答位。隨后是從器件傳輸?shù)囊幌盗袛?shù)據(jù)字節(jié)，主器件收到除最后一個(gè)字節(jié)外的所有字節(jié)后返回一個(gè)應(yīng)答位。在收到最后一個(gè)字節(jié)后，返回一個(gè)“非應(yīng)答位”NACK。其格式如圖4所示。

其中：S為起始信號(hào)（START），1101000為DS1307的口地址，A為應(yīng)答信號(hào)ACK，/A為非應(yīng)答信號(hào)NACK，P為停止信號(hào)（STOP）。主器件產(chǎn)生所有的串行時(shí)鐘和START、STOP條件，通過傳輸STOP和重發(fā)START條件來停止。

2、太陽能電池控制系統(tǒng)的工作原理及與DS1307的硬件接口

微控制器選用Atmel公司的AVR單片機(jī)AT2Mega8，主要是利用了ATMega8芯片的高性能、低功耗、接口豐富的特點(diǎn)。它有兩線制串行接口TWI模塊用于與DS1307接口，有PWM口用于太陽能電池板步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制，有10位的A/D接口用于太陽光線傳感器及與上位機(jī)的通信接口。要有最高效的太陽能接收效率，通過計(jì)算，太陽能電池板與太陽光線的角度應(yīng)在某一范圍內(nèi)。太陽光線傳感器與太陽能電池板在同一平面，主要用于太陽光線的跟蹤，由太陽光線傳感器可以得到太陽能電池板與太陽光線入射角間的關(guān)系。根據(jù)這兩者間的差距，采用一種模糊控制算法來驅(qū)動(dòng)太陽能電池板步進(jìn)電機(jī)，可以使太陽能電池板與太陽光線的角度控制在最佳范圍內(nèi)。

ATMega系列單片機(jī)片內(nèi)集成兩線制串行接口模塊，Atmel稱它為TWI接口。事實(shí)上TWI與PHILIPS的I2C總線是同一回事。AVR硬件實(shí)現(xiàn)的TWI接口是面向字節(jié)和基于中斷的，相對(duì)軟件模擬I2C總線有更好的實(shí)時(shí)性和代碼效率，引腳輸入部分還配有毛刺抑制單元，可去除高頻干擾。如圖5是DS1307與AVR單片機(jī)ATMega8的硬件接口電路原理圖。

3、DS1307在太陽能電池控制系統(tǒng)的軟件接口

軟件設(shè)計(jì)中，首先要對(duì)AVR單片機(jī)ATMega8與實(shí)時(shí)鐘芯片DS1307進(jìn)行初始化，給DS1307準(zhǔn)確的日期和時(shí)間。控制過程中，通過讀DS1307的日期與時(shí)間，結(jié)合太陽能電池板與太陽光線入射角間的關(guān)系，通過一種模糊控制算法計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)最佳的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和角度。

結(jié)合AVRI/0端口功能，在TWI使能時(shí)可設(shè)置SCL和SDA引腳對(duì)應(yīng)的I/O口內(nèi)部上拉電阻有效，這樣可省去I2C要求的兩個(gè)外部上拉電阻。不論主控模式還是被控模式，都應(yīng)當(dāng)將TWI控制寄存器TWCR的TWEN位置1從而使能TWI模塊。TWEN位被置位后，I/O引腳PC5和PC4被轉(zhuǎn)換成SCL和SDA，對(duì)TWI控制寄存器TWCR的操作可在總線上產(chǎn)生START和STOP信號(hào)，從一個(gè)START到STOP被認(rèn)為是主控模式的行為。將TWI地址寄存器TWAR的第一位TWGCE置有效，同時(shí)將TWI控制寄存器TWCR的TWEA（應(yīng)答允許）位置1，TWI模塊就可以對(duì)總線上對(duì)它的尋址做出應(yīng)答，并置狀態(tài)字。對(duì)TWI模塊的操作均為寄存器的讀寫操作，Avr-libc沒有提供專門的API，可以利用基于USART的標(biāo)準(zhǔn)I/O實(shí)現(xiàn)對(duì)DS1307讀寫日歷和時(shí)鐘。下面這段程序是接口操作的部分代碼：

//初始化TWI功能

voidRtcInit（void）

{

TWBR=73;

}

//更新或讀取DS1307日歷/時(shí)間數(shù)據(jù)

ucharRtcUpdateData（uchardirection）;

{

ucharret;

if（direction）//讀

ret=rtc_read（0，g_aTimeBuf，7）;

else//寫

ret=rtc_write（0，g_aTimeBuf，7）;

returnret;

}

//讀DS1307用戶RAM

ucharRtcReadRAM（ucharaddr，uchar3buf，ucharlen）;

{

addr+=8;

returnrtc_read（addr，buf，len）;

}

//寫DS1307用戶RAM

ucharRtcWriteRAM（ucharaddr，uchar3buf，ucharlen）;

{

addr+=8;

returnrtc_write（addr，buf，len）;

}

ucharbyte_bintobcd（ucharbin）;

{

ucharret;

bin&=0x7f;

bin%=100;

ret=bin/10;

ret《《=4;

ret|=bin%10;

returnret;

}

ucharbyte_bcdtobin（ucharbcd）;

{

ucharret;

ret=bcd&0x0f;

ret+=（bcd》》4）310;

returnret;

}

從程序中可以看出，TWI的讀和寫都是通過置位TWINT來實(shí)現(xiàn)的，原因是當(dāng)總線上起動(dòng)開始條件后寫入的第一個(gè)字節(jié)中已經(jīng)有了本次操作的傳輸方向，TWI模塊記住了這一標(biāo)記，從而決定了下一步操作是讀還是寫。

4、結(jié)束語

采用DS1307與AVR單片機(jī)ATMega8相配合能很好地解決太陽能電池（發(fā)電系統(tǒng)）控制裝置的時(shí)間與日期問題。為太陽能電池板的控制提供了準(zhǔn)確的時(shí)間與日期的依據(jù)。