DS1687 3V/5V實時時鐘芯片詳解

一、引言

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，實時時鐘（RTC, Real-Time Clock）是一種必不可少的組件。無論是在嵌入式設備、工業(yè)控制、個人計算機，還是在消費電子產(chǎn)品中，RTC芯片都承擔著時間保持、日期記錄以及事件中斷等重要功能。DS1687 是由 Dallas Semiconductor（現(xiàn)為 Maxim Integrated）推出的一款功能強大的 RTC 芯片，它支持 3V 和 5V 的雙電壓操作，具有高度集成性和長時間保持時鐘信息的能力。本文將對 DS1687 進行全面系統(tǒng)的介紹。

二、產(chǎn)品概述

DS1687 是一款高度集成的實時時鐘芯片，集成了時間保持電路、永久存儲RAM、定時中斷控制、鬧鐘中斷等功能，支持掉電后電池供電，并能在極低電流下維持數(shù)據(jù)和時間信息長達數(shù)年。其內(nèi)部含有 242字節(jié)的 RAM，可供系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)備份用途。

該芯片不僅能提供秒、分、時、星期、日期、月份和年份信息，還具有閏年自動補償功能。它可以通過并行總線與主控CPU通信，常用于ISA總線結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中。DS1687 也具有32.768kHz石英晶體振蕩器輸入，并集成了電池備份切換邏輯，非常適合用于長時間斷電場合。

　　產(chǎn)品詳情

　　DS1685/DS1687為一款實時時鐘(RTC)，設計作為工業(yè)標準的DS1285、DS1385、DS1485以及DS1585 PC RTC的替代產(chǎn)品。該器件提供工業(yè)標準的DS1285時鐘功能，+3.0V或+5.0V工作電壓。DS1685還包含許多增強的功能，包括一個硅序列號、上電/掉電控制電路、242字節(jié)的用戶NV SRAM以及用于支持電源管理的32.768kHz頻率輸出。

　　DS1685/DS1687電源控制電路允許通過諸如鍵盤或時間和日期(激活)報警這樣的外部激勵來給系統(tǒng)上電。通過任何一個事件，可以觸發(fā)PWR輸出，用于打開某個外部電源。PWR引腳由軟件控制，以便當任務完成后，系統(tǒng)電源能夠被關(guān)斷。

　　DS1685是具有上述特性的時鐘/日歷芯片。僅晶振和電池是外部必需的，以便在沒有電源的情況下，維持每天時間及存儲器數(shù)據(jù)。DS1687是一個完整的、自含時間保持的EDIP模塊，整合了DS1685芯片、一個32.768kHz晶振以及一塊鋰電池。整個單元在Dallas Semiconductor經(jīng)過完全測試，以保證在沒有VCC的情況下，至少保持10年的時間和數(shù)據(jù)。

　　應用

　　嵌入式系統(tǒng)

　　網(wǎng)絡集線器、交換機和路由器

　　安全系統(tǒng)

　　電表

　　特性

　　包含工業(yè)標準的DS1287 PC時鐘以及增強的特性:

　　與Y2K兼容

　　工作電壓+3V或+5V

　　64位硅序列號

　　電源控制電路支持系統(tǒng)由日期/時間報警或終端按鍵來上電

　　為電源管理提供32kHz輸出

　　晶振選擇位允許RTC使用6pF或12.5pF晶振工作

　　SMI恢復堆棧

　　242字節(jié)的用戶NV RAM

　　備份電池輸入

　　RAM清零輸入

　　世紀寄存器

　　日期報警寄存器

　　兼容于現(xiàn)有的BIOS，以提供早期的DS1287功能

　　提供芯片(DS1685)或內(nèi)置電池和晶振的獨立模塊(DS1687)密封DIP (EDIP)

　　計時算法包括閏年補償有效期至2099年

三、主要技術(shù)參數(shù)

• 電壓范圍：3V 或 5V 供電

• 電源切換功能：主電源掉電后自動切換至電池供電

• 時鐘功能：年、月、日、星期、時、分、秒（BCD格式）

• 閏年自動補償：支持至 2100 年

• RAM 容量：242字節(jié) CMOS SRAM

• 中斷輸出：周期中斷、鬧鐘中斷、用戶定義中斷

• 接口類型：并行接口（總線寬度為8位）

• 振蕩器頻率：32.768kHz

• 電池電流：小于1μA

• 存儲溫度范圍：-55°C 至 +125°C

• 工作溫度范圍：0°C 至 +70°C（工業(yè)級為 -40°C 至 +85°C）

四、芯片引腳功能說明

DS1687 提供了 24 個引腳，以下是各引腳的簡要功能：

• AD0–AD7：雙向地址/數(shù)據(jù)線

• AS（地址選通）：控制地址鎖存的信號

• DS（數(shù)據(jù)選通）：指示數(shù)據(jù)讀寫的信號

• RW（讀/寫）：指示數(shù)據(jù)讀還是寫

• CS（芯片選擇）：激活芯片的控制信號

• RESET：系統(tǒng)復位輸入

• IRQ：中斷請求輸出（低電平有效）

• SQW：方波輸出（1Hz、4kHz、8kHz、32kHz 可選）

• X1/X2：連接 32.768kHz 晶振

• VCC：主供電電源（5V或3V）

• VBAT：電池供電輸入

• GND：地

五、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能模塊

DS1687 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以分為如下幾個主要功能模塊：

1. 實時時鐘模塊
   實現(xiàn)時間的跟蹤和日期的管理。該模塊內(nèi)置了閏年算法，并采用BCD編碼來存儲各項時間數(shù)據(jù)。

2. CMOS SRAM（242字節(jié)）
   提供非易失性數(shù)據(jù)存儲功能，在掉電情況下仍能保存用戶自定義數(shù)據(jù)。

3. 中斷控制器
   包含多個中斷源，如秒中斷、鬧鐘中斷、周期性中斷等，可配置中斷頻率和中斷標志。

4. 電源管理單元
   實現(xiàn)主電源與備用電池之間的自動切換，并最大限度地降低功耗。

5. 總線接口邏輯
   支持與微處理器通過并行方式進行數(shù)據(jù)交互，包括地址譯碼、數(shù)據(jù)緩存等功能。

6. 振蕩器與時基電路
   通過外接32.768kHz晶振產(chǎn)生準確時鐘信號，為RTC模塊提供時間基準。

六、工作原理分析

DS1687 的核心功能是基于振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定頻率信號，經(jīng)內(nèi)部分頻得到秒脈沖，從而驅(qū)動時間寄存器更新。所有時間寄存器（秒、分、時、日、月、年等）均采用BCD格式保存。

在工作狀態(tài)下，若主電源（VCC）存在，芯片由主電源供電；一旦VCC掉電，它會無縫切換到VBAT進行供電。這種自動切換設計使得芯片能持續(xù)維持時鐘與RAM數(shù)據(jù)，即使在系統(tǒng)完全斷電期間，也不會丟失時間和數(shù)據(jù)。

中斷機制允許CPU不必頻繁讀取RTC，而是通過設置中斷條件（如每日鬧鐘或每秒中斷），讓芯片在達到設定條件后主動通知主控系統(tǒng)。

七、芯片特點總結(jié)

1. 雙電壓支持：適配3V和5V系統(tǒng)，兼容性強。

2. 掉電保持功能：利用外接電池供電確保RTC和RAM在掉電時持續(xù)工作。

3. 集成RAM：具備非易失性的242字節(jié)RAM，方便用戶存儲關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

4. 中斷豐富：支持多種中斷源，簡化主控處理流程。

5. 閏年補償：自動處理復雜日期邏輯。

6. 高可靠性：低功耗、長時間穩(wěn)定運行，適合關(guān)鍵應用。

7. 并行接口：便于嵌入傳統(tǒng)ISA等總線架構(gòu)。

八、典型應用場景

1. 個人電腦與工業(yè)PC
   作為主板CMOS RTC芯片存在，提供系統(tǒng)啟動時鐘和配置存儲。

2. 工業(yè)控制系統(tǒng)
   記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)、報警時間、設備運行周期等信息。

3. 網(wǎng)絡設備
   如服務器、路由器，用于日志記錄和定時任務管理。

4. 嵌入式設備
   包括POS機、車載系統(tǒng)、遠程監(jiān)控裝置等。

5. 數(shù)據(jù)記錄器
   實現(xiàn)時間戳功能，用于科學實驗、環(huán)境監(jiān)控等領域。

6. 安防設備
   時間同步、錄像計劃觸發(fā)等功能依賴RTC芯片完成。

九、使用注意事項

• 外部電池選型應保證電壓滿足VBAT需求，通常使用3V鋰電池。

• 晶振需使用32.768kHz標準時鐘晶體，布線應盡量短、遠離干擾。

• 若系統(tǒng)復位，需正確處理RESET信號，避免引發(fā)異常狀態(tài)。

• 注意CS、AS、DS、RW等控制信號的時序協(xié)調(diào)，避免通信沖突。

• 定期檢查中斷標志位和狀態(tài)寄存器，防止中斷失效。

十、與其他RTC芯片對比

特性對比

DS1687

DS1307

DS3231

MCP79410

從對比表可以看出，DS1687 在中斷機制、RAM容量、雙電壓支持等方面具有明顯優(yōu)勢，但相較于新一代RTC芯片如DS3231，其在接口方式和時鐘精度方面稍顯落后。

十一、開發(fā)與調(diào)試建議

• 初期調(diào)試時建議使用邏輯分析儀觀察RW、CS、DS等信號線時序。

• 設置時間建議按BCD格式寫入，避免出現(xiàn)數(shù)值混亂。

• 編寫初始化程序時應確保RTC振蕩器已經(jīng)穩(wěn)定啟動。

• 結(jié)合使用RTC中斷功能與MCU低功耗睡眠，可顯著降低系統(tǒng)功耗。

• 若系統(tǒng)長時間運行，應定期監(jiān)測RTC狀態(tài)寄存器，確保時鐘未異常跳變。

十二、未來發(fā)展趨勢

隨著系統(tǒng)向低功耗、小型化、智能化方向發(fā)展，RTC芯片也在不斷進化。雖然 DS1687 是較為傳統(tǒng)的并口RTC芯片，但其穩(wěn)定性和豐富功能使其在工業(yè)場景仍有廣泛應用。未來的趨勢包括：

• 接口標準轉(zhuǎn)向 I2C / SPI

• 高精度集成（如TCXO）

• 更大容量非易失RAM

• 集成更多電源管理功能

• 更寬工作電壓與更低功耗設計

十三、結(jié)語

DS1687 作為一款經(jīng)典的實時時鐘芯片，以其雙電壓支持、高穩(wěn)定性和中斷豐富的特點，在工業(yè)控制、嵌入式系統(tǒng)、老舊計算設備中擁有廣泛的應用基礎。雖然面臨新一代RTC芯片的挑戰(zhàn)，但其獨特的并行總線結(jié)構(gòu)以及豐富的外圍功能仍讓它在特定領域中不可替代。掌握其使用方法和工作原理，有助于我們在相關(guān)電子項目中構(gòu)建更可靠、功能更強的時間管理系統(tǒng)。