深入解析 Adafruit DS3231 精密 RTC 模塊：從特性到應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，精確的時(shí)間記錄至關(guān)重要。無(wú)論是數(shù)據(jù)記錄器、時(shí)鐘設(shè)備，還是需要精確時(shí)間戳的應(yīng)用場(chǎng)景，一個(gè)可靠的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）都是不可或缺的。今天，我們就來(lái)深入探討一下 Adafruit 公司推出的 DS3231 精密 RTC 模塊，看看它有哪些獨(dú)特之處，以及如何在實(shí)際項(xiàng)目中使用它。

文件下載：3013.pdf

一、DS3231 簡(jiǎn)介

DS3231 是一款 “Extremely Accurate I2C Integrated RTC/TCXO/Crystal”（極其精確的 I2C 集成實(shí)時(shí)時(shí)鐘/溫補(bǔ)晶體振蕩器/晶體）芯片。它的最大亮點(diǎn)在于將晶體集成在芯片內(nèi)部，同時(shí)配備了溫度傳感器。一般的 RTC 大多使用外部 32kHz 定時(shí)晶體，雖然這種晶體能以低電流消耗來(lái)保持時(shí)間，但在溫度變化時(shí)會(huì)有輕微的漂移。而 DS3231 的溫度傳感器可以通過(guò)增加或減少時(shí)鐘脈沖來(lái)補(bǔ)償頻率變化，從而保證時(shí)間的精確記錄。

Adafruit 為這款芯片打造了一款小巧的、適合面包板使用的開(kāi)發(fā)板，并且配備了支持即插即用的 STEMMA QT 連接器，大大降低了使用難度。此外，該模塊支持 2.3V 至 5.5V 的電源輸入，可以兼容 3.3V（如 Feather/Raspberry Pi）或 5V（如 Arduino/Metro328）的邏輯電平。只要在背面插入一枚硬幣電池，即使主電源丟失，也能實(shí)現(xiàn)數(shù)年的精確時(shí)間記錄。

二、引腳定義

電源引腳

• Vin：電源輸入引腳。由于 RTC 可以在 2.3V 至 5.5V 的電源下工作，因此對(duì)于 3.3V 或 5V 的邏輯/電源，無(wú)需額外的穩(wěn)壓器或電平轉(zhuǎn)換器。為開(kāi)發(fā)板供電時(shí)，應(yīng)提供與微控制器邏輯電平相同的電源，例如對(duì)于 5V 的 Arduino 微控制器，應(yīng)使用 5V 電源。
• GND：電源和邏輯的公共接地端。

I2C 邏輯引腳

• SCL：I2C 時(shí)鐘引腳，連接到微控制器的 I2C 時(shí)鐘線。該引腳具有一個(gè) 10K 上拉電阻連接到 Vin。
• SDA：I2C 數(shù)據(jù)引腳，連接到微控制器的 I2C 數(shù)據(jù)線。同樣，該引腳也具有一個(gè) 10K 上拉電阻連接到 Vin。
• STEMMA QT：僅適用于 STEMMA QT 版本的開(kāi)發(fā)板。這些連接器允許您連接到具有 STEMMA QT 連接器的開(kāi)發(fā)板，或者通過(guò)各種相關(guān)配件連接到其他設(shè)備。

其他引腳

• BAT：與電池的正極焊盤(pán)相連。如果需要從硬幣電池為其他設(shè)備供電，或者使用不同的獨(dú)立電池提供備用電源，可以使用該引腳。VBat 電壓范圍為 2.3V 至 5.5V，當(dāng)主電源 Vin 丟失時(shí)，DS3231 會(huì)自動(dòng)切換到備用電源。
• 32K：32KHz 振蕩器輸出。為開(kāi)漏輸出，若要從微控制器引腳讀取該信號(hào)，需要外接上拉電阻。
• SQW：可選的方波或中斷輸出。同樣是開(kāi)漏輸出，讀取信號(hào)時(shí)需要外接上拉電阻。
• RST：與大多數(shù)復(fù)位引腳不同，它不僅是一個(gè)輸入引腳，還可用于復(fù)位外部設(shè)備或指示主電源丟失。為開(kāi)漏輸出，但內(nèi)部有一個(gè) 50K 上拉電阻。只要 Vin 存在，上拉電阻會(huì)使該引腳電壓保持為高電平；當(dāng) Vin 下降且芯片切換到電池備用狀態(tài)時(shí)，該引腳變?yōu)榈碗娖健?/li>

三、組裝步驟

準(zhǔn)備排針

如果需要，將排針裁剪至合適的長(zhǎng)度。為了便于焊接，可以將排針插入面包板，長(zhǎng)引腳朝下。

安裝開(kāi)發(fā)板

將開(kāi)發(fā)板放置在排針上，使短引腳穿過(guò)開(kāi)發(fā)板的焊盤(pán)。

焊接

確保焊接所有引腳，以實(shí)現(xiàn)可靠的電氣連接。如果您對(duì)焊接操作不太熟悉，可以參考 Adafruit 的《優(yōu)秀焊接指南》（https://adafru.it/aTk）。焊接完成后，目視檢查焊點(diǎn)，并繼續(xù)后續(xù)步驟。同時(shí)，不要忘記為實(shí)時(shí)時(shí)鐘安裝電池備用電源，將 CR1220 尺寸的電池安裝在開(kāi)發(fā)板背面，安裝時(shí)確保電池上的 “+” 號(hào)可見(jiàn)。

四、Arduino 使用方法

硬件連接

將開(kāi)發(fā)板輕松連接到任何具有 I2C 接口的微控制器，這里以 Arduino 為例：

• 將 Vin（紅色線）連接到 3 - 5V 的電源，使用與微控制器邏輯電平相同的電壓。對(duì)于大多數(shù) Arduino 來(lái)說(shuō)，通常是 5V。
• 將 GND（黑色線）連接到公共電源/數(shù)據(jù)接地端。
• 將 SCL（黃色線）引腳連接到 Arduino 的 I2C 時(shí)鐘 SCL 引腳。對(duì)于基于 UNO 和 '328 的 Arduino，該引腳也稱為 A5；對(duì)于 Mega，為數(shù)字引腳 21；對(duì)于 Leonardo/Micro，為數(shù)字引腳 3。
• 將 SDA（藍(lán)色線）引腳連接到 Arduino 的 I2C 數(shù)據(jù) SDA 引腳。對(duì)于基于 UNO 和 '328 的 Arduino，該引腳也稱為 A4；對(duì)于 Mega，為數(shù)字引腳 20；對(duì)于 Leonardo/Micro，為數(shù)字引腳 2。需要注意的是，DS3231 的默認(rèn) I2C 地址為 0x68，且不可更改。

下載 RTCLib 庫(kù)

我們將使用 JeeLab 的優(yōu)秀 RTC 庫(kù) RTClib 的一個(gè)分支（https://adafru.it/aX2），這是一個(gè)用于從 RTC 獲取和設(shè)置時(shí)間的庫(kù)。從 Arduino 庫(kù)管理器中搜索并安裝 Adafruit 的 RTCLib 庫(kù)。如果您對(duì) Arduino 庫(kù)的安裝不太熟悉，可以參考 Adafruit 的教程：http://learn.adafruit.com/adafruit-all-about-arduino-libraries-install-use（https://adafru.it/aYM）。

首次 RTC 測(cè)試

在 Arduino 未通電或未連接 USB 的情況下，從電池座中取出電池，等待 3 秒鐘后再將電池放回，這將重置 RTC 芯片。

加載示例代碼

打開(kāi)文件 -> 示例 -> RTClib -> ds3231，將代碼上傳到連接了 RTC 的 Arduino 上。上傳完成后，在串口監(jiān)視器中以 9600 波特率查看輸出。幾秒鐘后，您將看到 Arduino 檢測(cè)到 DS3231 首次上電，并根據(jù) Arduino 代碼設(shè)置時(shí)間。之后，斷開(kāi) Arduino 和 RTC 幾秒鐘（或幾分鐘、幾小時(shí)、幾周），然后再重新連接。下次運(yùn)行時(shí)，您將不會(huì)再看到 “RTC lost power” 消息，而是會(huì)立即獲取到正確的時(shí)間。

讀取時(shí)間

通過(guò)調(diào)用 RTClib 庫(kù)中的 now() 函數(shù)來(lái)獲取時(shí)間，該函數(shù)返回一個(gè) DateTime 對(duì)象，其中包含了年、月、日、時(shí)、分、秒等信息。與一些 RTC 庫(kù)中分別調(diào)用 RTC.year() 和 RTC.hour() 等函數(shù)來(lái)獲取當(dāng)前時(shí)間的方法不同，now() 函數(shù)可以一次性獲取時(shí)間的 “快照”，避免了在時(shí)間切換瞬間可能出現(xiàn)的時(shí)間不準(zhǔn)確問(wèn)題。此外，還可以通過(guò)調(diào)用 unixtime() 函數(shù)從 DateTime 對(duì)象中獲取自 1970 年 1 月 1 日午夜以來(lái)的秒數(shù)（不包括閏秒），這對(duì)于計(jì)算時(shí)間間隔非常方便。

五、CircuitPython 使用方法

硬件連接

將 DS3231 按照前面 Arduino 部分所述的方式連接到您的開(kāi)發(fā)板，即 Vin 連接到開(kāi)發(fā)板的 3.3V 或 5V 輸出，GND 連接到開(kāi)發(fā)板的接地端，SCL 連接到開(kāi)發(fā)板的 I2C SCL / 時(shí)鐘線，SDA 連接到開(kāi)發(fā)板的 I2C SDA / 數(shù)據(jù)線。

安裝 CircuitPython 庫(kù)

首先，確保您的開(kāi)發(fā)板運(yùn)行的是最新版本的 Adafruit CircuitPython 固件（https://adafru.it/tBa）。然后，從 Adafruit 的 CircuitPython 庫(kù)捆綁包（https://adafru.it/zdx）中找到并安裝必要的庫(kù)。對(duì)于非 Express 板，如 Trinket M0、Gemma M0 和 Feather/Metro M0 basic，需要手動(dòng)從捆綁包中安裝以下庫(kù)：adafruit_ds3231.mpy、adafruit_bus_device 和 adafruit_register。在繼續(xù)之前，請(qǐng)確保開(kāi)發(fā)板的 lib 文件夾或根文件系統(tǒng)中已經(jīng)復(fù)制了這些文件和文件夾。

代碼示例與使用

連接到開(kāi)發(fā)板的串行 REPL（https://adafru.it/pMf），在 CircuitPython 的 >>> 提示符下進(jìn)行操作。首先，導(dǎo)入必要的 board 模塊來(lái)初始化 I2C 總線：

import board
i2c = board.I2C()

對(duì)于一些沒(méi)有硬件 I2C 接口的開(kāi)發(fā)板，如 ESP8266，可能需要導(dǎo)入并使用 bitbangio 模塊：

import board
import bitbangio
i2c = bitbangio.I2C(board.SCL, board.SDA)

接下來(lái)，導(dǎo)入 DS3231 模塊并創(chuàng)建一個(gè) DS3231 類(lèi)的實(shí)例：

import adafruit_ds3231
ds3231 = adafruit_ds3231.DS3231(i2c)

此時(shí)，您就可以讀取和設(shè)置時(shí)鐘的時(shí)間了。通過(guò)訪問(wèn) DS3231 實(shí)例的 datetime 屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。例如，讀取時(shí)間可以使用以下代碼：

print(ds3231.datetime)

時(shí)間將以特殊的 Python 時(shí)間結(jié)構(gòu)（https://adafru.it/C4x）返回，該結(jié)構(gòu)具有 tm_year、tm_mon、tm_mday 等屬性。如果時(shí)間尚未設(shè)置，默認(rèn)值為 2000 年 1 月 1 日。要設(shè)置時(shí)間，可以使用以下代碼：

import time
ds3231.datetime = time.struct_time((2017, 1, 1, 0, 0, 0, 6, 1, -1))

最后，這里提供一個(gè)完整的示例程序，將其保存為 main.py 并上傳到開(kāi)發(fā)板，您將看到時(shí)間和日期每秒打印一次到 REPL：

# SPDX-FileCopyrightText: 2021 ladyada for Adafruit Industries
#
# SPDX-License-Identifier: MIT
# Change the if False to if True below to set the time, otherwise it will just
# Simple demo of reading and writing the time for the DS3231 real-time clock.
# print the current date and time every second. Notice also comments to adjust
# for working with hardware vs. software I2C.
import time
import board
import adafruit_ds3231

i2c = board.I2C()  # uses board.SCL and board.SDA
rtc = adafruit_ds3231.DS3231(i2c)

# Lookup table for names of days (nicer printing).
days = ("Sunday", "Monday", "Tuesday", "Wednesday", "Thursday", "Friday", 
"Saturday")

# pylint: disable-msg=using-constant-test
if False:  # change to True if you want to set the time!
    # year, mon, date, hour, min, sec, wday, yday, isdst
    t = time.struct_time((2017, 10, 29, 15, 14, 15, 0, -1, -1))
    # you must set year, mon, date, hour, min, sec and weekday
    # yearday is not supported, isdst can be set but we don't do anything with it 
    at this time
    print("Setting time to:", t)  # uncomment for debugging
    rtc.datetime = t
# pylint: enable-msg=using-constant-test
print()

# Main loop:
while True:
    t = rtc.datetime
    print(
        "The date is {} {}/{}/{}".format(
            days[int(t.tm_wday)], t.tm_mday, t.tm_mon, t.tm_year
        )
    )
    print("The time is {}:{:02}:{:02}".format(t.tm_hour, t.tm_min, t.tm_sec))
    time.sleep(1)  # wait a second

六、資料下載

在進(jìn)行開(kāi)發(fā)過(guò)程中，您可能需要以下相關(guān)資料：

• 數(shù)據(jù)手冊(cè)和相關(guān)文檔：
  • Maxim 公司的 DS3231 產(chǎn)品頁(yè)面：https://adafru.it/ldy
  • DS3231 數(shù)據(jù)手冊(cè)：https://adafru.it/ldA
  • GitHub 上的 EagleCAD PCB 文件：https://adafru.it/ohE
  • Adafruit Fritzing 庫(kù)中的 Fritzing 對(duì)象：https://adafru.it/aP3
• 原理圖和制造文件：
  • STEMMA QT 版本的原理圖和制造文件
  • 原始版本的原理圖和制造文件

綜上所述，Adafruit DS3231 精密 RTC 模塊以其高精度、低功耗和易于使用的特點(diǎn)，成為電子工程師在時(shí)間記錄相關(guān)項(xiàng)目中的理想選擇。無(wú)論是初學(xué)者還是有經(jīng)驗(yàn)的工程師，都可以通過(guò)簡(jiǎn)單的連接和編程，輕松實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間記錄功能。您在使用 DS3231 模塊的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享您的經(jīng)驗(yàn)和心得。