2.2.1. Tổng quan về real time DS1307
2.2.1.1. Sơ đồ chân
pin symbol Description
1 X1 Kết nối với thạch anh
2 X2
3 Vbat Pin cung cấp dự phòng khi mất điện(3V)
4 GND mass
5 SDA Đường dữ liệu
6 SCL Xung đồng hồ
7 SQW/OUT Chân ra phụ
8 Vcc Nguồn cung cấp chính(5V)
Bảng 2.2 – Chức năng các chân của DS1307 Hình 2.15 – sơ đồ chân DS1307
27 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. VBAT: 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 sau:
Hình 2.16 – Sơ đồ khối DS1307 (Nguồn: DS1307 datasheet)
Hình 2.17 – Sơ đồ kết nối DS1307 với vi điều khiển (Nguồn: DS1307 datasheet)
28
2.2.1.2. Tổ chức bộ nhớ và chức năng của các thanh ghi.
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 xuất hiện ở 2 gói SOIC và DIP có 8 chân
Cấu tạo bên trong DS1307 bao gồm một số thành phần như mạch nguồn, mạch dao động, mạch điều khiển logic, mạch giao diện I2C, con trỏ địa chỉ và các thanh ghi (hay RAM). Sử dụng DS1307 chủ yếu là ghi và đọc các thanh ghi của chip này. Vì thế có 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. Như đã trình bày, bộ nhớ DS1307 có tất cả 64 thanh ghi 8-bit được đánh địa chỉ từ 0 đến 63 (từ 00H đến 3FH theo hệ HexaDecimal). Tuy nhiên, thực chất chỉ có 8 thanh ghi đầu là dùng cho chức năng “đồng hồ” (RTC) còn lại 56 thanh ghi bỏ trống 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 trị 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 2.18,2.19. 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.
DS1307 có 64 byte bộ nhớ, trong đó 8 byte đầu chứa dữ liệu và điều khiển, 56 byte sau được sử dụng như RAM không bay hơi dùng để lưu trữ dữ liệu.
Hình 2.18 – Các thanh ghi của DS1307 (Nguồn: DS1307 datasheet)
29 Tổ chức các thanh ghi thời gian Thanh ghi giây (SECONDS): thanh ghi này là thanh ghi đầu tiên trong bộ nhớ của DS1307, địa chỉ của nó là 0×00. 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 SECONDS 6:4) 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 01H, 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 02H. 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 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 chỉ buổi trong ngày, AM hoặc PM. Bit5 =0 là AM và bit5=1 là PM. Bit 7 luôn bằng 0. Thanh ghi thứ (DAY – ngày trong tuần): nằm ở địa chỉ 03H. 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) vàYEAR 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.
Dữ liệu được lưu trong bộ nhớ DS1307 theo dạng số BCD, tức là số hàng chục được lưu trên 4 bit cao, số hàng đơn vị được lưu trên 4 bit thấp của thanh ghi.
Thanh ghi second: Địa chỉ 00h, đây là thanh ghi lưu trữ giây và lien tục đếm lên, các bit 6,5,4 được dùng để lưu hang chục của giây, các bit 3,2,1,0 chứa hang đơn vị của giây, bit7 là bit CH(clock hold) khi bit này bằng 1 real time ngừng chạy, khi hoạt động người ta phải xòa bit này về 0.
Thanh ghi minutes: địa chỉ 01h, là thanh ghi dành cho phút, 4 bit cao chứa hang chục của phút, 4 bit thấp chứa hang đơn vị của phút.
Thanh ghi hous: địa chỉ 02h, đây là thanh ghi khó sử dụng nhất trong DS1307, bit6 quy định chế độ 12h/24h, khi bit này bằng 0 là chế độ 24h, bằng 1 là chế độ 12h, khi ở chế độ 12h thì bit 5 sẽ chứa thông tin PM/AM
30 Thanh ghi DAY,DATE,MONTH,YEAR chứa thông tin về thứ, ngày, tháng, năm. Thanh ghi điều khiển: địa chỉ 07h, chứa các điều khiển cho real time
SQWE: bằng 1 cho phép xuất xung vuông ở chân SQWE, bằng 0 không cho phép và mức logic của chân này là bit OUT.
RS1 và RS0: hai bit này quy định tần số xung vuông xuất ra ở chân SQWE
2.2.2. Chuẩn giao tiếp I2C
I2C là viết tắc của từ Inter-Integrated Circuit là một chuẩn truyền thông do hãng điện tử Philips Semiconductor sáng lập và xây dựng thành chuẩn năm 1990. Phiên bản mới nhất của I2C là V3.0 phát hành năm 2007.
I2C là một chuẩn truyền thông nối tiếp đa chip chủ (tạm dịch của cụm từ multi-master serial computer bus). Khái niệm “multi-master” được hiểu là trong
Bảng 2.3 – Chọn tần số SQW Hình 2.19 – Chi tiết các thanh ghi thường sử dụng
(Nguồn: DS1307 datasheet)
Hình 2.20 – Thanh ghi điều khiển (Nguồn: DS1307 datasheet)
31 cùng một bus có thể có nhiều hơn một thiết bị làm Master, đồng thời một Slave có thể trở thành một Master nếu nó có khả năng. Ví dụ trong một mạng TWI của nhiều vi điều khiển kết nối với nhau, bất kỳ một vi điều khiển nào cũng đều có thể trở thành Master ở một thời điểm nào đó. Tuy nhiên nếu một mạng dùng một vi điều khiển để điều khiển các chip nhớ (như EEPROM AT24C1024 chẳng hạn) thì khái niệm “multi-master” không tồn tại vì các chip nhớ được thiết kế sẵn là Slave, không có khả năng trở thành master. I2C được thực hiện trên 2 đường SDA (Serial DATA) và SCL (Serial Clock) trong đó SDA là đường truyền/nhận dữ liệu và SCL là đường xung nhịp. Căn cứ theo chuẩn I2C, các đường SDA và SCL trên các thiết bị có cấu hình “cực góp mở” (open-drain hoặc open-collector), nghĩa là cần có các “điện trở kéo lên” (pull-up resistor) cho các đường này. Ở trạng thái nghỉ (Idle), 2 chân SDA và SCL ở mức cao. Hình 2.21 mô tả một mô hình mạng I2C cơ bản.
Tiếp theo chúng ta tìm hiểu một số khái niệm và đặc điểm của I2C. Các khái niệm và đặc điểm được đề cập dưới đây được dùng cho cả TWI và I2C.
Master: là chip khởi động quá trình truyền nhận, phát đi địa chỉ của thiết bị cần giao tiếp và tạo xung giữ nhịp trên đường SCL. Slave: là chip có một địa chỉ cố định, được gọi bởi Master và phục vụ yêu cầu từ Master.
SDA- Serial Data: là đường dữ liệu nối tiếp, tất cả các thông tin về địa chỉ hay dữ liệu đều được truyền trên đường này theo thứ tự từng bit một. Chú ý là trong chuẩn I2C, bit có trọng số lớn nhất (MSB) được truyền trước nhất, đặc điểm này ngược lại với chuẩn UART.
SCL –Serial Clock: là đường giữ nhịp nối tiếp. I2C là chuần truyền thông nối tiếp đồng bộ, cần có 1 đường tạo xung giữ nhịp cho quá trình truyền/nhận, cứ mỗi xung trên đường giữ nhịp SCL, một bit dữ liệu trên đường SDA sẽ được lấy mẫu (sample). Dữ liệu nối tiếp trên đường SDA được lấy mẫu khi đường SCL ở mức cao trong một chu kỳ giữ nhịp, vì thế đường SDA không được đổi trạng thái khi SCL ở mức cao (trừ START và STOP condition). Chân SDA có thể được đổi trạng thái khi SCL ở mức thấp.
32 START Condition-Điều kiện bắt đầu: từ trạng thái nghỉ, khi cả SDA và SCL ở mức cao nếu Master muốn thực hiện một “cuộc gọi”, Master sẽ kéo chân SDA xuống thấp trong khi SCL vẫn cao. Trạng thái này gọi là START Condition (gọi tắt là S).
STOP Condition-Điều kiện kết thúc: sau khi thực hiện truyền/nhận dữ liệu, nếu Master muốn kết thúc quá trình nó sẽ tạo ra một STOP condition. STOP condition được Master thực hiện bằng cách kéo chân SDA lên cao khi đường SCL đang ở mức cao. STOP condition chỉ được tạo ra sau khi địa chỉ hoặc dữ liệu đã được truyền/nhận.
REPEAT START – Bắt đầu lặp lại: khoảng giữa START và STOP condition là khoảng bận của đường truyền, các Master khác không tác động được vào đường truyền trong khoảng này. Trường hợp sau khi kết thúc truyền/nhận mà Master không gởi STOP condition lại gởi thêm 1 START condition gọi là REPEAT START. Khả năng này thường được dùng khi Master muốn lấy dữ liệu liên tiếp từ các Slaves. Hình 2.22 mô tả các Master tạo ra START, STOP và REPEAT START.
Address Packet Format – Định dạng gói địa chỉ: trên mạng TWI (I2C), tất cả các thiết bị (chip) đều có thể là Master hay Slave. Mỗi thiết bị có một địa chỉ cố định gọi là Device address. Khi một Master muốn giao tiếp với một Slave nào đó, nó trước hết tạo ra một START condition và tiếp theo là gởi địa chỉ Device address của Slave cần giao tiếp trên đường truyền, vì thế xuất hiện khái niệm “gói địa chỉ” (Address Packet). Gói địa chỉ trong I2C có định dạng 9 bits trong đó 7 bit đầu (gọi là SLA, được gởi liền sau START condition) chứa địa chỉ Slave, một bit READ/WRITE và một bit ACK-Ackknowledge (xác nhận). Do bit địa chỉ có độ dài 7 bits nên về mặt lý thuyết, trên 1 mạng TWI (I2C) có thể tồn tại tối đa 2^7=128 thiết bị có địa chỉ riêng biệt. Tuy nhiên, có một số địa chỉ không được sử dụng như các địa chỉ có định dạng 1111xxx (tức các địa chỉ lớn hơn hoặc bằng 120 không được dùng). Riêng địa chỉ 0 được dùng cho “cuộc gọi chung” (General call). Bit READ/WRITE (R/W) được truyền tiếp sau 7 bit địa chỉ là bit báo cho Slave biết Master muốn “đọc” hay “ghi” vào Slave. Nếu bit này bằng 0 (gọi là W) thì quá trình “Ghi” dữ liệu từ Master đến Slave được yêu cầu, nếu bit này bằng 1 (gọi là R) thì Master muốn “đọc” dữ liệu từ Slave về. Tám bits trên (SLA+R/W) được Master phát ra sau khi phát START condition, nếu một Slave trên mạng nhận ra rằng địa chỉ mà Master yêu cầu trùng khớp với Device address của chính mình, nó sẽ “đáp trả” lại Master bằng cách phát ra 1 tín hiệu “xác nhận” ACK bằng cách kéo chân SDA xuống thấp trong xung thứ 9. Ngược lại, nếu không có Slave đáp ứng lại, chân SDA vẫn ở mức cao trong xung giữ nhịp thứ 9 thì gọi là tín hiệu “không xác nhận” – NOT ACK, lúc này Master cần có những ứng xử phù hợp tùy theo mỗi trường hợp cụ thể, ví dụ Master có thể gởi STOP condition và sau đó phát lại địa chỉ Slave khác…Như vậy, trong 9 bit của gói địa chỉ thì chỉ có 8 bit được gởi bởi Master, bit còn lại là do Slave. Ví dụ Master muốn yêu cầu “đọc” dữ liệu từ Slave có địa chỉ 43, nó cần phát đi một byte như sau trên đường truyền: (43<<1)+1, trong đó (43<<1) là dịch số 43 về bên trái 1 vị trí vì 7 bit địa chỉ nằm ở các vị trí cao trong gói địa chỉ, sau đó cộng giá trị này với “1” tức là quá trình “đọc” được yêu cầu.
33 General call – Cuộc gọi chung: khi Master phát đi gói địa chỉ có dạng 0 (thực chất là 0+W) tức nó muốn thực hiện một cuộc gọi chung đến tất cả các Slave. Tất nhiên, cho phép hay không cho phép cuộc gọi chung là do Slave quyết định. Nếu các Slave được cài đặt cho phép cuộc gọi chung, chúng sẽ đáp lại Master bằng ACK. Cuộc gọi chung thường xảy ra khi Master muốn gởi dữ liệu chung đến các Slaves. Chú ý là cuộc gọi chung có dạng 0+R là vô nghĩa vì không thể có chuyện Master nhận dữ liệu từ tất cả các Slave cùng thời điểm.
Data Packet Format – Định dạng gói dữ liệu: sau khi địa chỉ đã được phát đi, Slave đã đáp lại Master bằng ACK thì quá trình truyền/nhận dữ liệu sẽ diễn ra giữa cặp Master/Slave này. Tùy vào bit R/W trong gói địa chỉ, dữ liệu có thể được truyền theo hướng từ Master đến Slave hay từ Slave đến Master. Dù di chuyển theo hướng nào, gói dữ liệu luôn bao gồm 9 bits trong đó 8 bits đầu là dữ liệu và 1 bit cuối là bit ACK. Tám bits dữ liệu do thiết bị phát gởi và bit ACK do thiết bị nhận tạo ra. Ví dụ khi Master thực hiện quá trình gởi dữ liệu đến Slave, nó sẽ phát ra 8 bits dữ liệu, Slave nhận và phát lại ACK (kéo SDA xuống 0 ở xung thứ 9), sau đó Master sẽ quyết định gởi tiếp byte dữ liệu khác hay không. Nếu Slave phát tín hiệu NOT ACK (không tác động SDA ở xung thứ 9) sau khi nhận dữ liệu thì Master sẽ kết thúc quá trình gởi bằng cách phát đi STOP condition. Hình 2.23 mô tả định dạng gói dữ liệu trong I2C.
Phối hợp gói địa chỉ và dữ liệu: một quá trình truyền/nhận I2C thường được bắt đầu từ Master, Master phát đi một START condition sau đó gởi gói địa chỉ SLA+R/W trên đường truyền. Tiếp theo nếu có một Slave đáp ứng lại, dữ liệu có thể truyền/nhận liên tiếp trên đường truyền (1 hoặc nhiều byte liên tiếp). Khung truyền thông thường được mô tả như hình 2.23.