DS1687 3V/5V實時時鐘芯片詳解

一、引言

在現代電子系統中，實時時鐘（RTC, Real-Time Clock）是一種必不可少的組件。無論是在嵌入式設備、工業控制、個人計算機，還是在消費電子產品中，RTC芯片都承擔著時間保持、日期記錄以及事件中斷等重要功能。DS1687 是由 Dallas Semiconductor（現為 Maxim Integrated）推出的一款功能強大的 RTC 芯片，它支持 3V 和 5V 的雙電壓操作，具有高度集成性和長時間保持時鐘信息的能力。本文將對 DS1687 進行全面系統的介紹。

二、產品概述

DS1687 是一款高度集成的實時時鐘芯片，集成了時間保持電路、永久存儲RAM、定時中斷控制、鬧鐘中斷等功能，支持掉電后電池供電，并能在極低電流下維持數據和時間信息長達數年。其內部含有 242字節的 RAM，可供系統用于數據備份用途。

該芯片不僅能提供秒、分、時、星期、日期、月份和年份信息，還具有閏年自動補償功能。它可以通過并行總線與主控CPU通信，常用于ISA總線結構的系統中。DS1687 也具有32.768kHz石英晶體振蕩器輸入，并集成了電池備份切換邏輯，非常適合用于長時間斷電場合。

　　產品詳情

　　DS1685/DS1687為一款實時時鐘(RTC)，設計作為工業標準的DS1285、DS1385、DS1485以及DS1585 PC RTC的替代產品。該器件提供工業標準的DS1285時鐘功能，+3.0V或+5.0V工作電壓。DS1685還包含許多增強的功能，包括一個硅序列號、上電/掉電控制電路、242字節的用戶NV SRAM以及用于支持電源管理的32.768kHz頻率輸出。

　　DS1685/DS1687電源控制電路允許通過諸如鍵盤或時間和日期(激活)報警這樣的外部激勵來給系統上電。通過任何一個事件，可以觸發PWR輸出，用于打開某個外部電源。PWR引腳由軟件控制，以便當任務完成后，系統電源能夠被關斷。

　　DS1685是具有上述特性的時鐘/日歷芯片。僅晶振和電池是外部必需的，以便在沒有電源的情況下，維持每天時間及存儲器數據。DS1687是一個完整的、自含時間保持的EDIP模塊，整合了DS1685芯片、一個32.768kHz晶振以及一塊鋰電池。整個單元在Dallas Semiconductor經過完全測試，以保證在沒有VCC的情況下，至少保持10年的時間和數據。

　　應用

　　嵌入式系統

　　網絡集線器、交換機和路由器

　　安全系統

　　電表

　　特性

　　包含工業標準的DS1287 PC時鐘以及增強的特性:

　　與Y2K兼容

　　工作電壓+3V或+5V

　　64位硅序列號

　　電源控制電路支持系統由日期/時間報警或終端按鍵來上電

　　為電源管理提供32kHz輸出

　　晶振選擇位允許RTC使用6pF或12.5pF晶振工作

　　SMI恢復堆棧

　　242字節的用戶NV RAM

　　備份電池輸入

　　RAM清零輸入

　　世紀寄存器

　　日期報警寄存器

　　兼容于現有的BIOS，以提供早期的DS1287功能

　　提供芯片(DS1685)或內置電池和晶振的獨立模塊(DS1687)密封DIP (EDIP)

　　計時算法包括閏年補償有效期至2099年

三、主要技術參數

• 電壓范圍：3V 或 5V 供電

• 電源切換功能：主電源掉電后自動切換至電池供電

• 時鐘功能：年、月、日、星期、時、分、秒（BCD格式）

• 閏年自動補償：支持至 2100 年

• RAM 容量：242字節 CMOS SRAM

• 中斷輸出：周期中斷、鬧鐘中斷、用戶定義中斷

• 接口類型：并行接口（總線寬度為8位）

• 振蕩器頻率：32.768kHz

• 電池電流：小于1μA

• 存儲溫度范圍：-55°C 至 +125°C

• 工作溫度范圍：0°C 至 +70°C（工業級為 -40°C 至 +85°C）

四、芯片引腳功能說明

DS1687 提供了 24 個引腳，以下是各引腳的簡要功能：

• AD0–AD7：雙向地址/數據線

• AS（地址選通）：控制地址鎖存的信號

• DS（數據選通）：指示數據讀寫的信號

• RW（讀/寫）：指示數據讀還是寫

• CS（芯片選擇）：激活芯片的控制信號

• RESET：系統復位輸入

• IRQ：中斷請求輸出（低電平有效）

• SQW：方波輸出（1Hz、4kHz、8kHz、32kHz 可選）

• X1/X2：連接 32.768kHz 晶振

• VCC：主供電電源（5V或3V）

• VBAT：電池供電輸入

• GND：地

五、內部結構與功能模塊

DS1687 的內部結構可以分為如下幾個主要功能模塊：

1. 實時時鐘模塊
   實現時間的跟蹤和日期的管理。該模塊內置了閏年算法，并采用BCD編碼來存儲各項時間數據。

2. CMOS SRAM（242字節）
   提供非易失性數據存儲功能，在掉電情況下仍能保存用戶自定義數據。

3. 中斷控制器
   包含多個中斷源，如秒中斷、鬧鐘中斷、周期性中斷等，可配置中斷頻率和中斷標志。

4. 電源管理單元
   實現主電源與備用電池之間的自動切換，并最大限度地降低功耗。

5. 總線接口邏輯
   支持與微處理器通過并行方式進行數據交互，包括地址譯碼、數據緩存等功能。

6. 振蕩器與時基電路
   通過外接32.768kHz晶振產生準確時鐘信號，為RTC模塊提供時間基準。

六、工作原理分析

DS1687 的核心功能是基于振蕩器產生穩定頻率信號，經內部分頻得到秒脈沖，從而驅動時間寄存器更新。所有時間寄存器（秒、分、時、日、月、年等）均采用BCD格式保存。

在工作狀態下，若主電源（VCC）存在，芯片由主電源供電；一旦VCC掉電，它會無縫切換到VBAT進行供電。這種自動切換設計使得芯片能持續維持時鐘與RAM數據，即使在系統完全斷電期間，也不會丟失時間和數據。

中斷機制允許CPU不必頻繁讀取RTC，而是通過設置中斷條件（如每日鬧鐘或每秒中斷），讓芯片在達到設定條件后主動通知主控系統。

七、芯片特點總結

1. 雙電壓支持：適配3V和5V系統，兼容性強。

2. 掉電保持功能：利用外接電池供電確保RTC和RAM在掉電時持續工作。

3. 集成RAM：具備非易失性的242字節RAM，方便用戶存儲關鍵數據。

4. 中斷豐富：支持多種中斷源，簡化主控處理流程。

5. 閏年補償：自動處理復雜日期邏輯。

6. 高可靠性：低功耗、長時間穩定運行，適合關鍵應用。

7. 并行接口：便于嵌入傳統ISA等總線架構。

八、典型應用場景

1. 個人電腦與工業PC
   作為主板CMOS RTC芯片存在，提供系統啟動時鐘和配置存儲。

2. 工業控制系統
   記錄生產數據、報警時間、設備運行周期等信息。

3. 網絡設備
   如服務器、路由器，用于日志記錄和定時任務管理。

4. 嵌入式設備
   包括POS機、車載系統、遠程監控裝置等。

5. 數據記錄器
   實現時間戳功能，用于科學實驗、環境監控等領域。

6. 安防設備
   時間同步、錄像計劃觸發等功能依賴RTC芯片完成。

九、使用注意事項

• 外部電池選型應保證電壓滿足VBAT需求，通常使用3V鋰電池。

• 晶振需使用32.768kHz標準時鐘晶體，布線應盡量短、遠離干擾。

• 若系統復位，需正確處理RESET信號，避免引發異常狀態。

• 注意CS、AS、DS、RW等控制信號的時序協調，避免通信沖突。

• 定期檢查中斷標志位和狀態寄存器，防止中斷失效。

十、與其他RTC芯片對比

特性對比

DS1687

DS1307

DS3231

MCP79410

從對比表可以看出，DS1687 在中斷機制、RAM容量、雙電壓支持等方面具有明顯優勢，但相較于新一代RTC芯片如DS3231，其在接口方式和時鐘精度方面稍顯落后。

十一、開發與調試建議

• 初期調試時建議使用邏輯分析儀觀察RW、CS、DS等信號線時序。

• 設置時間建議按BCD格式寫入，避免出現數值混亂。

• 編寫初始化程序時應確保RTC振蕩器已經穩定啟動。

• 結合使用RTC中斷功能與MCU低功耗睡眠，可顯著降低系統功耗。

• 若系統長時間運行，應定期監測RTC狀態寄存器，確保時鐘未異常跳變。

十二、未來發展趨勢

隨著系統向低功耗、小型化、智能化方向發展，RTC芯片也在不斷進化。雖然 DS1687 是較為傳統的并口RTC芯片，但其穩定性和豐富功能使其在工業場景仍有廣泛應用。未來的趨勢包括：

• 接口標準轉向 I2C / SPI

• 高精度集成（如TCXO）

• 更大容量非易失RAM

• 集成更多電源管理功能

• 更寬工作電壓與更低功耗設計

十三、結語

DS1687 作為一款經典的實時時鐘芯片，以其雙電壓支持、高穩定性和中斷豐富的特點，在工業控制、嵌入式系統、老舊計算設備中擁有廣泛的應用基礎。雖然面臨新一代RTC芯片的挑戰，但其獨特的并行總線結構以及豐富的外圍功能仍讓它在特定領域中不可替代。掌握其使用方法和工作原理，有助于我們在相關電子項目中構建更可靠、功能更強的時間管理系統。