基于STM32的可记忆高精度实时时钟系统

• 44
•
针对相关实时监测系统中存在的系统掉电后计时不准、无法记录关键事件时间节点等问题，本文设计了一种基于STM32的可记忆高精度实时时钟系统。

该系统以STM32嵌入式平台为主控单元，利用DS1302、AT24C02等数字芯片设计出相关功能模块，通过搭载SPI 、IIC 等总线通讯协议及智能处理算法，可实现对实时监测系统中相关数据的计时、记录及显示等功能。

试验结果表明，该系统具有较强的鲁棒性及可扩展性，可应用于安防监控及物流仓储等诸多领域，也可为飞行器姿态记录技术提供参考，具有一定的实用价值。

1 总体方案设计
系统总体设计方案如图1所示。

基于STM32的可记忆高精度实时时钟系统主要由主控模块、计时模块、记录模块及显示模块等四大部分组成，各模块之间协调配合，具有较强的自适应能力。

其中，计时模块用以保证系统掉电后走时的连续性及精确性，记录模块负责对中断信息及时间节点进行记录及存储，主控模块通过SPI 、IIC 等总线通讯协议采集相关数据，经嵌入式算法处理，最终
在显示模块上对时钟数据进行实时显示。

图1 系统总体设计方案
2 系统硬件设计
2.1 主控模块
主控模块选用的是基于ARM 内核的STM32F103系列单片机，具有丰富的外设资源及强大的运算处理能力，是当今电子设计领域的主流微处理器。

2.2 计时模块
计时模块选用的是DS1302，它是美国DALLAS 公司推出的一款高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31B 的静态RAM ，采用类SPI 的三线接口与单片机进行同步串行通信，可对年月日时分秒进行计时，并具备闰年补偿功能。

图2所示为DS1302电路原理图，其中，CE 端为使能信号，IO 端为双向数据线，用来传输指令及数据，SCLK 端为时钟信号，用来给操作时序提供时钟脉冲，X1与X2之间接一个32.768KHz 的晶振，Vcc1则用来给DS1302
提供备用电源。

图2 DS1302电路原理图
DS1302的操作时序如图3所示，前面送的是控制字后面送的是数据，控制字总是从最低位开始输出。

在控制字指令输入后的下一个时钟的上升沿时，数据被写入DS1302；同样，在控制字指令输入后的下一个时钟的下降沿时，读出DS1302
数据。

图3 DS1302操作时序
2.3 记录模块
记录模块选用ATMEL 公司生产的AT24C02 EEPROM 芯片，储存容量为256B ，采用IIC 总线与单片机进行同步串行通信，可用来记录相关重要事件发生的时间节点，并具有掉电数据保护功能，其所存数据可以保存100年以上。

采用的IIC 总线则是由飞利浦公司开发的两线式串行总线，该总线由时钟线SCL 及数据线SDA 构成，可接收和发送数据。

图4所示为AT24C02电路原理图，其中，SDA 和SCL 分别接一个4.7K 的上拉电阻，当总线空闲时，置为高电平。

基于STM32的可记忆高精度实时时钟系统
沈阳仪表科学研究院有限公司传感器国家工程研究中心 孙晓峰 蒋伯华 王 鹏 李广恒 刘承文
• 45
•
图4 AT24C02电路原理图
AT24C02读写操作时序如图5所示，其中写时序为先发送启动信号，送一个字节的控制字，等待应答信号；再送一个字节的单元地址，等待应答信号；送入8位数据，等待应答信号，最后以停止信号结束。

读操作时序与其类似，在启动信号后先发送一个含有片选地址的写操作控制字，等待应答后发送一个字节的单元地址，等待应答后再发送一个含有片选地址的读操作控制字，等待应答后，数据就会按SCL信号同步出现在SDA上。

2.4 显示模块
显示模块选用5V供电、带背光的1602工业字符型液晶，能够同时显示32个字符，通过8位并口与单片机进行连接，具有体积小、成本低、易于编程等优点。

图6所示为1602的电路原理图，其中，3脚接一个10K的电位计，可以用来调节液晶的亮度。

4脚的RS为命令/数据选择端，低电平为写命令，高电平为写数据。

6脚的EN为脉冲端，高脉冲将数据送入1602液晶，完成写操作。

7~14脚为8位并行数据IO口。

15脚为液晶背光电源。

3 系统软件设计
当系统上电后，不断从计时模块DS1302的相应寄存器单元中读取当前时间数据，经转换处理后送入显示模块1602液晶上进行实时显示。

当有关键事件发生时，系统将计时模块DS1302
当前的时
图5 AT24C02操作时序
图6 1602电路原理图
间数据保存到记录模块AT24C02的相应地址单元中，完成对关键事
件时间节点的记录。

当系统掉电后，计时模块DS1302的供电部分
由主电源切换到后备电池，以保证走时的精确性及连续性。

系统工
作流程如图7所示。

作者简介：孙晓峰（1988—），男，辽宁沈阳人，工学硕士，
现为沈阳仪表科学研究院有限公司传感器国家工程研究中心工程
师，主要研究方向为嵌入式系统设计及人工智能。

图7 系统工作流程。