IC Thời Gian Thực - DS1307

I. Chip DS1307.
     DS1307 là chip đồng hồ thời gian thực (RTC : Real-time clock), khái niệm thời gian thực ở đây được dùng với ý nghĩa thời gian tuyệt đối mà con người đang sử dụng, tình bằng giây, phút, giờ…DS1307 là một sản phẩm của Dallas Semiconductor (một công ty thuộc Maxim Integrated Products). Chip này có 7 thanh ghi 8-bit chứa thời gian là: giây, phút, giờ, thứ (trong tuần), ngày, tháng, năm. Ngoài ra DS1307 còn có 1 thanh ghi điều khiển ngõ ra phụ và 56 thanh ghi trống có thể dùng như RAM. DS1307 được đọc và ghi thông qua giao diện nối tiếp I2C  nên cấu tạo bên ngoài rất đơn giản. DS1307 xuất hiện ở 2 gói SOIC và DIP có 8 chân như trong hình 1.

Hình 1. Hai gói cấu tạo chip DS1307.

       Các chân của DS1307 được mô tả như sau:
       - X1 và X2: là 2 ngõ kết nối với 1 thạch anh 32.768KHz làm nguồn tạo dao động cho chip.
       - V_BAT: cực dương của một nguồn pin 3V nuôi chip.
       - GND: chân mass chung cho cả pin 3V và Vcc.
       - Vcc: nguồn cho giao diện I2C, thường là 5V và dùng chung với vi điều khiển. Chú ý là nếu Vcc không được cấp nguồn nhưng VBAT được cấp thì DS1307 vẫn đang hoạt động (nhưng không ghi và đọc được).
       - SQW/OUT: một ngõ phụ tạo xung vuông (Square Wave / Output Driver), tần số của xung được tạo có thể được lập trình. Như vậy chân này hầu như không liên quan đến chức năng của DS1307 là đồng hồ thời gian thực, chúng ta sẽ bỏ trống chân này khi nối mạch.
       - SCL và SDA là 2 đường giao xung nhịp và dữ liệu của giao diện I2C.
Có thể kết nối DS1307 bằng một mạch điện đơn giản như trong hình 2.

Hình 2. Mạch ứng dụng đơn giản của DS1307.

      Cấu tạo bên trong DS1307 bao gồm một số thành phần như mạch nguồn, mạch dao động, mạch điều khiển logic, mạch giao điện I2C, con trỏ địa chỉ và các thanh ghi (hay RAM). Do đa số các thành phần bên trong DS1307 là thành phần “cứng” nên chúng ta không có quá nhiều việc khi sử dụng DS1307. Sử dụng DS1307 chủ yếu là ghi và đọc các thanh ghi của chip này. Vì thế cần hiểu rõ 2 vấn đề cơ bản đó là cấu trúc các thanh ghi và cách truy xuất các thanh ghi này thông qua giao diện I2C.
       Bộ nhớ DS1307 có tất cả 64 thanh ghi 8-bit được đánh địa chỉ từ 0 đến 63 (từ 0x00 đến 0x3F theo hệ hexadecimal). Tuy nhiên, thực chất chỉ có 8 thanh ghi đầu là dùng cho chức năng “đồng hồ” (gọi là RTC) còn lại 56 thanh ghi bỏ trông có thể được dùng chứa biến tạm như RAM nếu muốn. Bảy thanh ghi đầu tiên chứa thông tin về thời gian của đồng hồ bao gồm: giây (SECONDS), phút (MINUETS), giờ (HOURS), thứ (DAY), ngày (DATE), tháng (MONTH) và năm (YEAR). Việc ghi giá trị vào 7 thanh ghi này tương đương với việc “cài đặt” thời gian khởi động cho RTC. Việc đọc giá từ 7 thanh ghi là đọc thời gian thực mà chip tạo ra. Ví dụ, lúc khởi động chương trình, chúng ta ghi vào thanh ghi “giây” giá trị 42, sau đó 12s chúng ta đọc thanh ghi này, chúng ta thu được giá trị 54. Thanh ghi thứ 8 (CONTROL) là thanh ghi điều khiển xung ngõ ra SQW/OUT (chân 6). Tuy nhiên, do chúng ta không dùng chân SQW/OUT nên có thề bỏ qua thanh ghi thứ 8. Tổ chức bộ nhớ của DS1307 được trình bày trong hình 3.

Hình 3. Tổ chức bộ nhớ của DS1307.

      Vì 7 thanh ghi đầu tiên là quan trọng nhất trong hoạt động của DS1307, chúng ta sẽ khảo sát các thanh ghi này một cách chi tiết. Trước hết hãy quan sát tổ chức theo từng bit của các thanh ghi này như trong hình 4.

Hình 4. Tổ chức các thanh ghi thời gian.

      Điều đầu tiên cần chú ý là giá trị thời gian lưu trong các thanh ghi theo dạng BCD. BCD là viết tắt của cụm từ Binary-Coded Decimal, tạm dịch là các số thập phân theo mã nhị phân. Ví dụ bạn muốn cài đặt cho thanh ghi MINUTES giá trị 42. Nếu quy đổi 42 sang mã thập lục phân thì chúng ta thu được 42=0x2A. Theo cách hiểu thông thường chúng ta chỉ cần gán MINUTES=42 hoặc MINUTES=0x2A, tuy nhiên vì các thanh ghi này chứa giá trị BCD nên mọi chuyện sẽ khác ( hình 5).

Hình 5. Số BCD.

      Với số 42, trước hết nó được tách thành 2 chữ số (digit) 4 và 2. Mỗi chữ số sau đó được đổi sang mã nhị phân 4-bit. Chữ số 4 được đổi sang mã nhị phân 4-bit là 0100 trong khi 2 được đổi thành 0010. Ghép mã nhị phân của 2 chữ số lại chúng ta thu được mốt số 8 bit, đó là số BCD. Với trường hợp này, số BCD thu được là 01000010 (nhị phân) = 66. Như vậy, để đặt số phút 42 cho DS1307 chúng ta cần ghi vào thanh ghi MINUTES giá trị 66 (mã BCD của 42). Tất cả các phần mềm lập trình hay thanh ghi của chip điều khiển đều sử dụng mã nhị phân thông thường, không phải mã BCD, do đó chúng ta cần viết các chương trình con để quy đổi từ số thập nhị phân (hoặc thập phân thường) sang BCD. Thoạt nhìn, mọi người đều cho rằng số BCD chỉ làm vấn đền thêm rắc rối, tuy nhiên số BCD rất có ưu điểm trong việc hiển thị nhất là khi hiển thị từng chữ số như hiển thị bằng LED 7 đoạn chẳng hạn. Quay lại ví dụ 42 phút, giả sử chúng ta dùng 2 LED 7-đoạn để hiện thị 2 chữ số của số phút. Khi đọc thanh ghi MINUTES chúng ta thu được giá trị 66 (mã BCD của 42), do 66=01000010 (nhị phân), để hiển thị chúng ta chỉ cần dùng phương pháp tách bit thông thường để tách số 01000010 thành 2 nhóm 0100 và 0010 (tách bằng toán tử shift “>>” của C hoặc instruction LSL, LSR trong asm) và xuất trực tiếp 2 nhóm này ra LED vì 0100 = 4 và 0010 =2, rất nhanh chóng. Thậm chí, nếu chúng ta nối 2 LED 7-đoạn trong cùng 1 PORT, việc tách ra từng digit là không cần thiết, để hiển thị cả số, chỉ cần xuất trực tiếp ra PORT. Như vậy, với số BCD, việc tách và hiển thị digit được thực hiện rất dễ dàng, không cần thực hiện phép chia (rất tốn thời gian thực thi) cho cơ số 10, 100, 1000…như trong trường hợp số thập phân.
     Thanh ghi giây (SECONDS): thanh ghi này là thanh ghi đầu tiên trong bộ nhớ của DS1307, địa chỉ của nó là 0x00. Bốn bit thấp của thanh ghi này chứa mã BCD 4-bit của chữ số hàng đơn vị của giá trị giây. Do giá trị cao nhất của chữ số hàng chục là 5 (không có giây 60 !) nên chỉ cần 3 bit (các bit SECONDS6:4) là có thể mã hóa được (số 5 =101, 3 bit). Bit cao nhất, bit 7, trong thanh ghi này là 1 điều khiển có tên CH (Clock halt – treo đồng hồ), nếu bit này được set bằng 1 bộ dao động trong chip bị vô hiệu hóa, đồng hồ không hoạt động. Vì vậy, nhất thiết phải reset bit này xuống 0 ngay từ đầu.
     Thanh ghi phút (MINUTES): có địa chỉ 0x01, chứa giá trị phút của đồng hồ. Tương tự thanh ghi SECONDS, chỉ có 7 bit của thanh ghi này được dùng lưu mã BCD của phút, bit 7 luôn luôn bằng 0.
      Thanh ghi giờ (HOURS): có thể nói đây là thanh ghi phức tạp nhất trong DS1307. Thanh ghi này có địa chỉ 0x02. Trước hết 4-bits thấp của thanh ghi này được dùng cho chữ số hàng đơn vị của giờ. Do DS1307 hỗ trợ 2 loại hệ thống hiển thị giờ (gọi là mode) là 12h (1h đến 12h) và 24h (1h đến 24h) giờ, bit6 (màu green trong hình 4) xác lập hệ thống giờ. Nếu bit6=0 thì hệ thống 24h được chọn, khi đó 2 bit cao 5 và 4 dùng mã hóa chữ số hàng chục của giá trị giờ. Do giá trị lớn nhất của chữ số hàng chục trong trường hợp này là 2 (=10, nhị phân) nên 2 bit 5 và 4 là đủ để mã hóa. Nếu bit6=1 thì hệ thống 12h được chọn, với trường hợp này chỉ có bit 4 dùng mã hóa chữ số hàng chục của giờ, bit 5 (màu orange trong hình 4) chỉ buổi trong ngày, AM hoặc PM. Bit5 =0 là AM và bit5=1 là PM. Bit 7 luôn bằng 0. (thiết kế này hơi dở, nếu dời hẳn 2 bit mode và A-P sang 2 bit 7 và 6 thì sẽ đơn giản hơn).
     Thanh ghi thứ (DAY – ngày trong tuần): nằm ở địa chỉ 0x03. Thanh ghi DAY chỉ mang giá trị từ 1 đến 7 tương ứng từ Chủ nhật đến thứ 7 trong 1 tuần. Vì thế, chỉ có 3 bit thấp trong thanh ghi này có nghĩa.
     Các thanh ghi còn lại có cấu trúc tương tự, DATE chứa ngày trong tháng (1 đến 31), MONTH chứa tháng (1 đến 12) và YEAR chứa năm (00 đến 99). Chú ý, DS1307 chỉ dùng cho 100 năm, nên giá trị năm chỉ có 2 chữ số, phần đầu của năm do người dùng tự thêm vào (ví dụ 20xx).
      Ngoài các thanh ghi trong bộ nhớ, DS1307 còn có một thanh ghi khác nằm riêng gọi là con trỏ địa chỉ hay thanh ghi địa chỉ (Address Register). Giá trị của thanh ghi này là địa chỉ của thanh ghi trong bộ nhớ mà người dùng muốn truy cập.


Tham khảo thêm: Code mẫu - Giao tiếp PIC17F877A với DS1307




(nguồn: hocavr)