DS1687 3V/5V實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片詳解

一、引言

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC, Real-Time Clock）是一種必不可少的組件。無(wú)論是在嵌入式設(shè)備、工業(yè)控制、個(gè)人計(jì)算機(jī)，還是在消費(fèi)電子產(chǎn)品中，RTC芯片都承擔(dān)著時(shí)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(qiáng)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(zhǎng)時(shí)間保持時(shí)鐘信息的能力。本文將對(duì) DS1687 進(jìn)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(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，集成了時(shí)間保持電路、永久存儲(chǔ)RAM、定時(shí)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?jǐn)?shù)據(jù)和時(shí)間信息長(zhǎng)達(dá)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(shí)、星期、日期、月份和年份信息，還具有閏年自動(dòng)補(bǔ)償功能。它可以通過(guò)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(zhǎng)時(shí)間斷電場(chǎng)合。

　　產(chǎn)品詳情

　　DS1685/DS1687為一款實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)，設(shè)計(jì)作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的DS1285、DS1385、DS1485以及DS1585 PC RTC的替代產(chǎn)品。該器件提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的DS1285時(shí)鐘功能，+3.0V或+5.0V工作電壓。DS1685還包含許多增強(qiáng)的功能，包括一個(gè)硅序列號(hào)、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(guò)諸如鍵盤(pán)或時(shí)間和日期(激活)報(bào)警這樣的外部激勵(lì)來(lái)給系統(tǒng)上電。通過(guò)任何一個(gè)事件，可以觸發(fā)PWR輸出，用于打開(kāi)某個(gè)外部電源。PWR引腳由軟件控制，以便當(dāng)任務(wù)完成后，系統(tǒng)電源能夠被關(guān)斷。

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

　　應(yīng)用

　　嵌入式系統(tǒng)

　　網(wǎng)絡(luò)集線器、交換機(jī)和路由器

　　安全系統(tǒng)

　　電表

　　特性

　　包含工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的DS1287 PC時(shí)鐘以及增強(qiáng)的特性:

　　與Y2K兼容

　　工作電壓+3V或+5V

　　64位硅序列號(hào)

　　電源控制電路支持系統(tǒng)由日期/時(shí)間報(bào)警或終端按鍵來(lái)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(fù)堆棧

　　242字節(jié)的用戶NV RAM

　　備份電池輸入

　　RAM清零輸入

　　世紀(jì)寄存器

　　日期報(bào)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(dú)立模塊(DS1687)密封DIP (EDIP)

　　計(jì)時(shí)算法包括閏年補(bǔ)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(dòng)切換至電池供電

• 時(shí)鐘功能：年、月、日、星期、時(shí)、分、秒（BCD格式）

• 閏年自動(dòng)補(bǔ)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(lèi)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(chǔ)溫度范圍：-55°C 至 +125°C

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

四、芯片引腳功能說(shuō)明

DS1687 提供了 24 個(gè)引腳，以下是各引腳的簡(jiǎn)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(hào)

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

• RW（讀/寫(xiě)）：指示數(shù)據(jù)讀還是寫(xiě)

• CS（芯片選擇）：激活芯片的控制信號(hào)

• RESET：系統(tǒng)復(fù)位輸入

• IRQ：中斷請(qǐng)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(gè)主要功能模塊：

1. 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊
   實(shí)現(xiàn)時(shí)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(lái)存儲(chǔ)各項(xiàng)時(shí)間數(shù)據(jù)。

2. CMOS SRAM（242字節(jié)）
   提供非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)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(biāo)志。

4. 電源管理單元
   實(shí)現(xiàn)主電源與備用電池之間的自動(dòng)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(guò)并行方式進(jìn)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(shí)基電路
   通過(guò)外接32.768kHz晶振產(chǎn)生準(zhǔn)確時(shí)鐘信號(hào)，為RTC模塊提供時(shí)間基準(zhǔn)。

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(hào)，經(jīng)內(nèi)部分頻得到秒脈沖，從而驅(qū)動(dòng)時(shí)間寄存器更新。所有時(shí)間寄存器（秒、分、時(shí)、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(huì)無(wú)縫切換到VBAT進(jìn)行供電。這種自動(dòng)切換設(shè)計(jì)使得芯片能持續(xù)維持時(shí)鐘與RAM數(shù)據(jù)，即使在系統(tǒng)完全斷電期間，也不會(huì)丟失時(shí)間和數(shù)據(jù)。

中斷機(jī)制允許CPU不必頻繁讀取RTC，而是通過(guò)設(shè)置中斷條件（如每日鬧鐘或每秒中斷），讓芯片在達(dá)到設(shè)定條件后主動(dòng)通知主控系統(tǒng)。

七、芯片特點(diǎn)總結(jié)

1. 雙電壓支持：適配3V和5V系統(tǒng)，兼容性強(qiáng)。

2. 掉電保持功能：利用外接電池供電確保RTC和RAM在掉電時(shí)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(chǔ)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

4. 中斷豐富：支持多種中斷源，簡(jiǎn)化主控處理流程。

5. 閏年補(bǔ)償：自動(dòng)處理復(fù)雜日期邏輯。

6. 高可靠性：低功耗、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，適合關(guān)鍵應(yīng)用。

7. 并行接口：便于嵌入傳統(tǒng)ISA等總線架構(gòu)。

八、典型應(yīng)用場(chǎng)景

1. 個(gè)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(dòng)時(shí)鐘和配置存儲(chǔ)。

2. 工業(yè)控制系統(tǒng)
   記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)、報(bào)警時(shí)間、設(shè)備運(yùn)行周期等信息。

3. 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備
   如服務(wù)器、路由器，用于日志記錄和定時(shí)任務(wù)管理。

4. 嵌入式設(shè)備
   包括POS機(jī)、車(chē)載系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置等。

5. 數(shù)據(jù)記錄器
   實(shí)現(xiàn)時(shí)間戳功能，用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域。

6. 安防設(shè)備
   時(shí)間同步、錄像計(jì)劃觸發(fā)等功能依賴(lài)RTC芯片完成。

九、使用注意事項(xiàng)

• 外部電池選型應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘晶體，布線應(yīng)盡量短、遠(yuǎn)離干擾。

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

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

• 定期檢查中斷標(biāo)志位和狀態(tài)寄存器，防止中斷失效。

十、與其他RTC芯片對(duì)比

特性對(duì)比

DS1687

DS1307

DS3231

MCP79410

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

十一、開(kāi)發(fā)與調(diào)試建議

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

• 設(shè)置時(shí)間建議按BCD格式寫(xiě)入，避免出現(xiàn)數(shù)值混亂。

• 編寫(xiě)初始化程序時(shí)應(yīng)確保RTC振蕩器已經(jīng)穩(wěn)定啟動(dòng)。

• 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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，應(yīng)定期監(jiān)測(cè)RTC狀態(tài)寄存器，確保時(shí)鐘未異常跳變。

十二、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

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(jìn)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(chǎng)景仍有廣泛應(yīng)用。未來(lái)的趨勢(shì)包括：

• 接口標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)

十三、結(jié)語(yǔ)

DS1687 作為一款經(jīng)典的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，以其雙電壓支持、高穩(wěn)定性和中斷豐富的特點(diǎn)，在工業(yè)控制、嵌入式系統(tǒng)、老舊計(jì)算設(shè)備中擁有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。雖然面臨新一代RTC芯片的挑戰(zhàn)，但其獨(dú)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(lǐng)域中不可替代。掌握其使用方法和工作原理，有助于我們?cè)谙嚓P(guān)電子項(xiàng)目中構(gòu)建更可靠、功能更強(qiáng)的時(shí)間管理系統(tǒng)。