介紹了美國DALLAS公司推出的低功耗時鐘芯片DS1307的結構和工作原理及其在太陽能電池控制系統中的應用。DS1307可以對年、月、日、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償等多種功能。太陽光線在不同的季節和不同時間其照射的方向及角度是不一樣的，為了最有效地接收到太陽光，太陽能電池板必須隨著季節和時間的變化而改變方向，實時鐘芯片DS1307對于太陽能電池板控制系統的時間與日期的確定具有重要意義。

0 引言

很多控制系統都需要借助于時間和日期，太陽能電池（發電系統）的電池板控制就是其中最典型的一例。太陽光線在春、夏、秋、冬的不同季節以及一天的不同時段其光照的方向和角度都不一樣，為了最大限度地發揮太陽能電池（發電系統）的作用，太陽能電池板必須隨著季節和時間的變化而改變其方向，如圖1所示是太陽能電池板在一天中的三個時間與太陽光線的位置關系。在設計太陽能電池板的控制系統時就要涉及到實時日期和時間，而實時鐘芯片DS1307可以對年、月、日、時、分、秒進行準確計時，在系統中采用DS1307可很好地解決太陽能電池板控制的時間與日期問題。

1、DS1307的結構及工作原理

DS1307是美國DALLAS公司推出的一種高性能的實時時鐘芯片，它是一個有56字節非易失SRAM的低功耗、全BCD碼的時鐘日歷RTC（real-timeclock）。其時鐘具有12小時制和24小時制兩種制式。其地址和數據信號可通過TWI雙向總線（與I2C總線兼容）傳輸。

1.1、DS1307的管腳及功能定義

DS1307具有自動掉電保護和上電復位功能，可輸出不同頻率的方波信號，其引腳排列如圖2所示。圖中：

圖2 ds1307引腳圖

VCC：+5V電源;

VBAT：+3V電池電源輸入;

X1，X2：32.768kHz的晶振輸入端;

SDA：數據線;

SCL：時鐘線;

SQW/OUT：方波信號輸出端。

1.2、DS1307的內部寄存器及功能

DS1307RTC寄存器地址為00h到07h;RAM寄存器地址位于08h到3Fh。在多字節訪問期間，如果地址到達RAM空間的結尾3Fh處，將發生卷繞，此時將定位到開始處即00h單元。DS1307的時間和日歷信息要通過讀取相應的寄存器來設置和初始化。如寄存器0的位7定義為振蕩器的使能、停止位（CH）：即CH=1，振蕩器停止;CH=0，振蕩器使能。而小時寄存器的位6則定義為12小時、24小時的選擇位：即BIT6=1時為12小時格式，BIT5=1指示PM;BT6=0時為24小時格式，此時BIT5為第二個小時的指示位，且依賴于R/W的狀態。DS1307內部有8個特殊寄存器即00H～07H單元，其中00H～06H分別為秒～年時間計數寄存器，07H為控制寄存器。控制寄存器07H單元用于控制芯片7腳產生不同頻率的方波信號。具體作用如表1所示。

其中：OUT為控制位，SQWE是使能位。當SQWE=0時，如果OUT=0，則SQW/OUT引腳輸出低電平，如果OUT=1，則SQW/OUT引腳輸出為高電平。當SQWE=1時，由RS1，RS0決定引腳/OUT輸出不同頻率的方波信號。RS1，RS0與輸出頻率的關系如表2所示。

總線接口單元包括數據與地址移位寄存器TWDR，START/STOP控制器和總線仲裁判定硬件電路單元。TWDR寄存器用于存放發送或者接收的數據或者地址。除了8位的TWDR，總線接口單元還有一個寄存器，包含了用于發送或者接受應答的（N）ACK信號，這個寄存器不能由程序直接訪問。當接收數據時，它可以通過TWI控制寄存器TWCR來復位或者清零;在發送數據時，（N）ACK的值由TWCR的值決定。

1.3 DS1307的數據交換及其格式

DS1307在TWI總線上作為一個從器件。通過執行一個START命令并且在驗證器件地址后才可以訪問。然后寄存器可以被訪問直到執行一個STOP命令為止。

TWI的地址包格式：所有在TWI總線上傳送的地址包長度均為9位，它包括7位地址位，1個R/W控制位和1個應答位ACK，如果R/W為1，則執行讀操作。如果R/W為0，則執行寫操作。從機被尋址后，必須在第9個SCL（ACK）周期通過拉低SDA做出應答，若從機忙或者無法響應主機，則應該在ACK周期保持SDA為高。然后主機可以發出STOP狀態或者REPSTART狀態重新開始發送。地址包包括從機地址和稱為SLA+R或者SLA+W的READ或者WRITE位。地址字節的MSB首先被發送。所有1111xxxx的地址均保留，以便將來使用。

TWI的數據包格式：所有在TWI總線上傳送的數據包長度均為9位，它包括8個數據位和一個應答位。在數據傳送中，主機產生時鐘及START與STOP狀態，而接收器響應接收。應答是ACK在第9個SCL周期拉低SDA實現的。如果接收器使SDA為高，則發送NACK信號。如果接收器由于某種原因不能接受更多數據，應在最后一個數據字節后發出NACK信號告訴發送器停止發送，數據的MSB首先發送。

DS1307通過雙向數據線SDA和時鐘SCL與外界進行數據交換，從其時序關系可看出，DS1307有2種操作方式：

1）寫操作：把SDA數據線上的數據按RAM指定的首地址（WordAddress）依次寫入N個字節數據，首先主器件傳輸從器件的地址字節。緊跟著是一系列的數據字節。從器件每收到一個字節后返回一個應答位ACK。其格式如圖3所示。

2）讀操作：按RAM指定的首地址依次讀出N個字節數據，主器件首先傳送從器件地址。從器件返回一個應答位。隨后是從器件傳輸的一系列數據字節，主器件收到除最后一個字節外的所有字節后返回一個應答位。在收到最后一個字節后，返回一個“非應答位”NACK。其格式如圖4所示。

其中：S為起始信號（START），1101000為DS1307的口地址，A為應答信號ACK，/A為非應答信號NACK，P為停止信號（STOP）。主器件產生所有的串行時鐘和START、STOP條件，通過傳輸STOP和重發START條件來停止。

2、太陽能電池控制系統的工作原理及與DS1307的硬件接口

微控制器選用Atmel公司的AVR單片機AT2Mega8，主要是利用了ATMega8芯片的高性能、低功耗、接口豐富的特點。它有兩線制串行接口TWI模塊用于與DS1307接口，有PWM口用于太陽能電池板步進電機的轉動控制，有10位的A/D接口用于太陽光線傳感器及與上位機的通信接口。要有最高效的太陽能接收效率，通過計算，太陽能電池板與太陽光線的角度應在某一范圍內。太陽光線傳感器與太陽能電池板在同一平面，主要用于太陽光線的跟蹤，由太陽光線傳感器可以得到太陽能電池板與太陽光線入射角間的關系。根據這兩者間的差距，采用一種模糊控制算法來驅動太陽能電池板步進電機，可以使太陽能電池板與太陽光線的角度控制在最佳范圍內。

ATMega系列單片機片內集成兩線制串行接口模塊，Atmel稱它為TWI接口。事實上TWI與PHILIPS的I2C總線是同一回事。AVR硬件實現的TWI接口是面向字節和基于中斷的，相對軟件模擬I2C總線有更好的實時性和代碼效率，引腳輸入部分還配有毛刺抑制單元，可去除高頻干擾。如圖5是DS1307與AVR單片機ATMega8的硬件接口電路原理圖。

3、DS1307在太陽能電池控制系統的軟件接口

軟件設計中，首先要對AVR單片機ATMega8與實時鐘芯片DS1307進行初始化，給DS1307準確的日期和時間。控制過程中，通過讀DS1307的日期與時間，結合太陽能電池板與太陽光線入射角間的關系，通過一種模糊控制算法計算出步進電機最佳的轉動方向和角度。

結合AVRI/0端口功能，在TWI使能時可設置SCL和SDA引腳對應的I/O口內部上拉電阻有效，這樣可省去I2C要求的兩個外部上拉電阻。不論主控模式還是被控模式，都應當將TWI控制寄存器TWCR的TWEN位置1從而使能TWI模塊。TWEN位被置位后，I/O引腳PC5和PC4被轉換成SCL和SDA，對TWI控制寄存器TWCR的操作可在總線上產生START和STOP信號，從一個START到STOP被認為是主控模式的行為。將TWI地址寄存器TWAR的第一位TWGCE置有效，同時將TWI控制寄存器TWCR的TWEA（應答允許）位置1，TWI模塊就可以對總線上對它的尋址做出應答，并置狀態字。對TWI模塊的操作均為寄存器的讀寫操作，Avr-libc沒有提供專門的API，可以利用基于USART的標準I/O實現對DS1307讀寫日歷和時鐘。下面這段程序是接口操作的部分代碼：

//初始化TWI功能

voidRtcInit（void）

{

TWBR=73;

}

//更新或讀取DS1307日歷/時間數據

ucharRtcUpdateData（uchardirection）;

{

ucharret;

if（direction）//讀

ret=rtc_read（0，g_aTimeBuf，7）;

else//寫

ret=rtc_write（0，g_aTimeBuf，7）;

returnret;

}

//讀DS1307用戶RAM

ucharRtcReadRAM（ucharaddr，uchar3buf，ucharlen）;

{

addr+=8;

returnrtc_read（addr，buf，len）;

}

//寫DS1307用戶RAM

ucharRtcWriteRAM（ucharaddr，uchar3buf，ucharlen）;

{

addr+=8;

returnrtc_write（addr，buf，len）;

}

ucharbyte_bintobcd（ucharbin）;

{

ucharret;

bin&=0x7f;

bin%=100;

ret=bin/10;

ret《《=4;

ret|=bin%10;

returnret;

}

ucharbyte_bcdtobin（ucharbcd）;

{

ucharret;

ret=bcd&0x0f;

ret+=（bcd》》4）310;

returnret;

}

從程序中可以看出，TWI的讀和寫都是通過置位TWINT來實現的，原因是當總線上起動開始條件后寫入的第一個字節中已經有了本次操作的傳輸方向，TWI模塊記住了這一標記，從而決定了下一步操作是讀還是寫。

4、結束語

采用DS1307與AVR單片機ATMega8相配合能很好地解決太陽能電池（發電系統）控制裝置的時間與日期問題。為太陽能電池板的控制提供了準確的時間與日期的依據。