實時時鐘芯片DS3231

Maxim Integrated新型實時時鐘（RTC） DS3231，內部集成了TCXO、RTC和32.768kHz晶體，并采用低成本、標準型、16引腳SOIC封裝。在-40°C至+85°C溫度范圍內，計時精度為±2分鐘/年。這一出色性能使DS3231成為當前要求高計時精度應用的最佳解決方案。而RTC的其它集成功能也擴展了系統應用領域，適合那些對計時精度要求極高的應用。應用包括：服務器、電表、安防及門禁控制系統、車隊管理、遠程信息處理系統、GPS導航裝 置、POS終端以及ATM。

除計時精度高之外，DS3231還具有一些其它功能， 這些功能擴展了系統主機的附加功能和選擇范圍。該器件內部集成了一個非常精確的數字溫度傳感器，可通過I2C* 接口對其進行訪問（如同時間一樣）。這個溫度傳感器的精度為±3°C。片上控制電路可實現自動電源檢測，并管理主電源和備用電源（即低壓電池）之間的電源 切換。如果主電源掉電，該器件仍可繼續提供精確的計時和溫度，性能不受影響。當主電源重新加電或電壓值返回到容許范圍內時，片上復位功能可用來重新啟動系 統微處理器。

DS3231 RTC主要指標

Device Name Extremely Accurate Real-Time Clock_TCXO_Crystal

Package Size 16-Pin， 300 mil SOIC

Operating Voltage （V） 2.3 to 5.5

Timekeeping Accuracy （over temp）± 3ppm （-40 degrees Celsius to +85 degrees Celsius）

± 1ppm （0 to +40 degrees Celsius）

Current Consumption （μA）1.5 （typ）; 4.0 （max）

在單片機系統設計中 ，對系統的抗干擾設計、信號完整性設計、時序設計大都能引起關注;但對由于備用電池與系統電源上電或電源切換導致個別芯片的時序不穩定 ，引起不能正常工作或啟動的問題 ，很多設計者還是認識不清。下面通過對實時時鐘 DS3231 在使用中出現上電讀異常的實例分析 ，說明由于系統電源上電或電源切換帶來的沖擊波動 ，引起芯片時序不穩定導致的系統工作不穩定現象。

系統描述

時鐘接口典型電路如圖1所示。CPU通過I2C總線與DS3231連接，DS3231的RST與CPU的RESET相連。DS3231的VCC接系統電源VCC，VBA T接3.6 V可充電NIHI電池，電池通過二極管V1和電阻R1平時處于浮沖狀態，系統掉電后切換到電池供電。CPU可通過I2C總線向時鐘芯片DS3231寫時間信息，DS3231以寫入的時間信息為基準進行精確走時。整個單片機系統可以隨時從DS3231讀取精確的時間信息。

系統上電讀取信息出錯問題分析及解決

問題描述

系統程序設計為：上電后CPU從時鐘芯片讀取時間信息放入內存供系統使用，然后每隔5 s讀取1次時鐘，刷新CPU系統時間。

系統在CPU的仿真工作下，時鐘芯片DS3231的時間能正常地寫入;系統斷電一段時間后重新上電，時鐘芯片內的實時數據能正確讀出。

生成固化程序后將程序固化，在100塊批量生產中，發現有37塊板的時鐘芯片上電后讀出的時間有誤，但通過CPU重新寫入時鐘芯片時間信息，并讀取時鐘芯片時間，結果正確。斷電后重新上電，再讀時間仍是錯誤的。

問題分析

圖 2 為時鐘芯片的電源切換原理及開關時序。

電源控制功能由溫度補償電壓基準（VPF）和監視VCC電平的比較器電路提供。當VCC高于V PF時，DS3231由VCC供電;當VCC低于V PF但高于VBA T時，DS3231由VCC供電;當VCC低于V PF且低于VBAT時，DS3231由VBA T供電。引腳RST用來指示電源故障報警情況。當VCC低于V PF時，會產生內部電源故障報警信號，并強制拉低RST引腳。當VCC返回并超過V PF電平時，RST引腳保持低電平大約250 ms（tREC），以使供電電源穩定下來。如果在VCC加載時振蕩器沒有工作（參考電源控制部分），則會跳過tREC，RST立刻變為高電平。

系統正常運行時DS3231內部由VCC供電，如圖3（a）所示。在系統斷電時VCC消失，DS3231切換到VBA T，如圖3（b）所示。在系統上電時由VBAT切換到VCC供電，如圖3（c）所示。

上電后通過CPU重新寫入當前時間信息，斷電一段時間后重新上電，使用仿真器進入仿真調試狀態。程序單步執行，從時鐘芯片內讀取的時間是正確的當前時間，表明時鐘在電池狀態下正確走時。

既然斷電后時鐘能正確走時、保持，并且上電后能在仿真下正確讀取時間信息，說明系統斷電時刻沒有造成時鐘芯片內數據混亂。我們認為是上電時刻造成了時鐘芯片內的數據混亂。

解決方法

通過上面的分析，可知是上電時刻的電源切換沖擊造成的，采取下面的措施進行解決。

①如圖4所示，在DS3231的VCC上串聯一個小電阻，減緩圖3（c）中電源切換時從VBA T到VCC的上升沿斜率。串聯電阻后，37片DS3231中有30片在程序固化后能正常讀取時鐘信息，其余7片仍然無法正確讀取。

②如圖5所示，將DS3231的VCC接地，VBAT直接接電池后，系統上電后DS3231芯片內的電源將不再進行切換。程序固化后，37片DS3231都能正常讀取時鐘信息，說明電源切換確實影響到DS3231的正常工作。

③仿真程序狀態與固化程序狀態的區別在于：仿真下，系統上電后程序沒有立刻執行，而是等待人工干預，這一段時間使得DS3231內部電源切換造成的波動徹底穩定下來;而固化程序則是系統一上電立刻從DS3231中讀取時鐘，這時時鐘還沒有穩定下來。將程序修改為上電后不立刻讀取時鐘，而是執行一段程序延時，或先執行其他任務后再讀取時鐘。這樣，37塊時鐘芯片都能正常讀取時鐘信息。

原因分析

由于DS3231內的VCC與VBAT在上電時刻的切換產生電源波動沖擊，使得DS3231在短時間內不能按正常時序工作，而對DS3231進行讀/寫的CPU已正常啟動，并執行對DS3231的讀/寫操作，因而造成DS3231內存儲器的數據混亂。

單片機系統中，在上電時刻由于CPU與外圍接口芯片對上電初始時序的要求不同，使得系統不能正常工作的情況較為常見?？梢酝ㄟ^改變不同芯片的上電時序，或程序上電運行后的延時等措施，確保CPU與不同外設芯片的時序配合。