【紫光同创国产FPGA教程】【第二十二章】RTC时间实验

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1. 实验简介

实验通过阅读DS1302芯片手册，了解DS1302操作时序和相关寄存器，然后设计程序将DS1302 RTC时间通过串口发送到PC，通过串口调试助手可以看到时间信息。

2. 实验原理

RTC（Real-Time Clock)实时时钟为系统提供一个可靠的时间，并且在断电的情况下，RTC实时时钟也可以通过电池供电，一直运行下去。RTC通过类SPI总线向FPGA传送8位数据（BCD码）。数据包括秒，分，小时，日期，天，月和年。在本实验中我们将读取RTC的时,分,秒的数据通过串口发送到PC。

2.1 硬件介绍

开发板上RTC设计采用DALLAS公司的低功耗实时时钟芯片DS1302, DS1302的VCC2为主电源，VCC1为后备电源。在主电源关闭的情况下，也可以通过电池保持时钟的连续运行。DS1302外接32.768kHz晶振为RTC电路提供振荡源。 RTC部分的原理图如下图所示：

开发板RTC

2.2 DS1302时序和控制

1）写数据时序

DS1302芯片写操作的时序图。第一个字节是“访问寄存器的地址”，第二字节是“写数据”。在写操作的时候，都是“上升沿有效”，然而还有一个条件，就是CE（/RST）信号必须拉高。（数据都是从LSB开始发送，亦即是最低位开始至最高位结束）。

DS1302写时序

2）读数据时序

基本上和写操作的时序图大同小异，区别的地方就是在第二个字节是“读数据”的动作。第二字节读数据开始时，SCLK信号都是下降沿送出数据，这个时候可以使用上升沿读取数据。CE（/RST）信号同样是必须拉高。（第一节数据是从LSB开始输出，第二节数据是从LSB开始读入）。

3）命令格式和寄存器

无论是读操作还是写操作，在时序图中，第一个字节都是“访问寄存器的地址”，然而这一字节数据有自己的格式。

BIT 7 固定。 BIT 6 表示是访问寄存器本身，还是访问RAM空间。 BIT 5 到BIT1 表示是寄存器或RAM空间的地址。 BIT 0 表示是访问寄存器本身是写操作，还是读操作。

下图是DS1302的寄存器地址和数据格式

3. 程序设计

通过分析DS1302读写时序，可以看出和SPI时序类似，只不过数据输出和输入分时复用了，本实验利用SPI Master模块来做为DS1302的底层读写控制模块，然后再编写一个RTC读写模块。

ds1302_io模块完成DS1302寄存器读写控制，状态机如下图所示。

状态“S_IDLE”空闲状态，收到读写寄存器请求写进入“S_CE_HIGH”状态，将CE拉高，然后根据请求类型，进入读（S_READ）或写状态(S_WRITE)。

“S_WRITE”状态下一个状态进入写地址状态“S_WRITE_ADDR”,再进入写数据状态“S_WRITE_DATA”，完成一个寄存器的写入，最后应答，拉低CE。

“S_READ”状态下一个状态进入读地址状态“S_READ_ADDR”,再进入读数据状态“S_READ_DATA”，完成一个寄存器的读取，最后应答，拉低CE。

ds1302_io状态机

信号名称	方向	说明
clk	in	时钟输入
rst	in	异步复位输入，高复位
ds1302_ce	out	DS1302 CE，高有效
ds1302_sclk	out	DS1302串行时钟
ds1302_io	inout	DS1302数据
cmd_read	in	读寄存器请求，发出请求时准备好地址
cmd_write	in	写寄存器请求，发出请求时准备好地址和数据
cmd_read_ack	out	读寄存器应答，应答时读取数据有效
cmd_write_ack	out	写寄存器应答
read_addr	in	读寄存器地址
write_addr	in	写寄存器地址
read_data	out	读出的数据
write_data	in	写寄存器数据

ds1302_io端口

ds1302模块主要完成时间寄存器的读写控制，状态机状态较为简单。

ds1302模块状态机

信号名称	方向	说明
clk	in	时钟输入
rst	in	异步复位输入，高复位
ds1302_ce	out	DS1302 CE，高有效
ds1302_sclk	out	DS1302串行时钟
ds1302_io	inout	DS1302数据
write_time_req	in	ds1302写时间请求，请求发出时，时间数据write_second、write_minute、write_hour、write_date、write_month、write_week、write_year要有效
write_time_ack	out	写时间请求应答
write_second	in	写时间：秒，BCD码，00-59
write_minute	in	写时间：分，BCD码,，00-59
write_hour	in	写时间：时，BCD码,，00-23
write_date	in	写时间：日，BCD码,，01-31
write_month	in	写时间：月，BCD码,，01-12
write_week	in	写时间：周，BCD码,，01-07
write_year	in	写时间：年，BCD码,，00-99
read_time_req	in	读时间请求
read_time_ack	out	读时间请求应答
read_second	out	读时间：秒，BCD码，00-59
read_minute	out	读时间：分，BCD码,，00-59
read_hour	out	读时间：时，BCD码,，00-23
read_date	out	读时间：日，BCD码,，01-31
read_month	out	读时间：月，BCD码,，01-12
read_week	out	读时间：周，BCD码,，01-07
read_year	out	读时间：年，BCD码,，00-99

ds1302模块端口

ds1302_test模块主要CH状态检测，CH位于秒寄存器的BIT7位，上电后首先读取时间，判断秒寄存器的CH状态，如果为高，表示DS1302暂停，状态机进入“S_WRITE_CH”，将CH写0，并将一个初始时间写入，然后循环不断的读取时间寄存器。

ds1302_test状态机

信号名称	方向	说明
clk	in	时钟输入
rst	in	异步复位输入，高复位
ds1302_ce	out	DS1302 CE，高有效
ds1302_sclk	out	DS1302串行时钟
ds1302_io	inout	DS1302数据
read_second	out	时间：秒，BCD码，00-59
read_minute	out	时间：分，BCD码，00-59
read_hour	out	时间：时，BCD码，00-23
read_date	out	时间：日，BCD码，01-31
read_month	out	时间：月，BCD码，01-12
read_week	out	时间：周，BCD码，01-07
read_year	out	时间：年，BCD码，00-99

ds1302_test端口

4. 实验现象

将程序下载到开发板以后，连接uart转串口到PC机

开发板串口连接图

打开串口调试助手

端口选择按照设备管理器中“Silicon Labs CP210x USB to UART Bridge”设置，波特率选择“115200”，其他值默认。

我们可以看到串口每秒会收到一条数据，显示一个时间。