В один тестирующий стенд понадобилось добавить источник автономного точного времени для логов. В коробке с неотсортированными примочками каким-то образом оказался только чип DS3231.

Это чип часов реального времени. Причем необычный RTC. Внутри него есть собственный кварцевый резонатор, а ещё датчик температуры и регистры конфигураций. В спеке написано, что за год ошибка не превысит 2 минуты. Внутри DS3231 всего-навсего 33k транзисторов. Попробуем разобраться, что это за ASIC такой и как с ним работать.

Распиновка корпуса DS3231:

https://docs.google.com/spreadsheets/d/1HU7AiqZ2NBZyWqT0Ura-tjRy0CjZiKvkRfyBWxorrsQ/edit#gid=0

Схема подключения микросхемы:

А это габариты модуля.

Программная часть

С точки зрения программиста чип выглядит так.

Чип программируется через 2х проводной синхронный интерфейс I2C. На шине I2C чип обладает адресом 0x68=0b1101000=104. Вот так отображается карта I2C адресов когда к шине подключен DS3231 и еще какая то eeprom.

У любого I2C устройства 2 адреса. На чтение и на запись. Для DS3231 это:

Байты передаются старшим битом вперед. У него 19 регистров конфигураций по 8 бит каждый. Всего 152 бита конфигов. Вот полная карта регистров.

Заметьте, что на год выделено всего‑навсего 8 бит. То есть можно отсчитывать только 256 лет, а если учитывать, что под десятки только 4 бита, то получается что 159 лет. Как же закодировать 2023 год? Можно в регистре year (0×06) хранить только десятки и единицы от значения годов. Столетия прибавлять или вычитать как константу.

Часы RTC DS3231 не такие уж и хорошие как написано в спеке. Из коробки при работе на улице летом за две недели работы они ушли в сторону на 20 минут вперед от точного времени из интернета. Если посмотреть осциллографом, что выдаёт пин 32kHz на выходе кварца, то там прямоугольный сигнал не 32 768 Hz а 32 776Hz.

Чтобы окончательно в этом убедиться можно выводить на улицу частоту кварца делёную на четыре. Тут становится совсем явно, что желаемая частота 8192 Hz даже ни разу не появилась.

Это значит, что часы надо подстраивать, варьируя регистр Aging Offset с адресом 10h.

Согласно спеке положительные значения Aging Offset замедляют кварцевый резонатор. Это мне как раз и надо. Попробуем поставить максимальное замедление +127. Частота кварца поделенная на 4 приняла значение из диапазона 8193....8194. Это лучше 8194...8197, но на 4...8 Hz больше нужного значения.

В часах также есть термо‑компенсация. И термо‑компенсация не происходит сама собой. Без термо компенсации часы будут работать совсем плохо и показывать каждый день на 2 минуты больше. Поэтому надо периодически брать регистр Control (0Eh) и выставлять в 1 бит пятый бит CONV.

Плюсы DS3231

1--интерфейс I2C

2--возможность посмотреть реальную частоту кварца

3--есть датчик температуры внутри

4--есть прерывания по совпадению с датой и временем

5--есть подстройка

6--есть термо компенсация

7--автоматическое просчитывание календаря на аппаратном уровне

Недостатки DS3231

1--Не хватает read-only регистра с ID микросхемы

2--Нет возможности заменить кварц так как он внутри микросхемы

3--накапливают ошибку 10 минут в неделю 

4--Много лишних NC пинов на чипе

Идеи проектов на RTC

• Часы, будильники, календари.

• Устройство которое напоминает что‑то сделать.

• Телематические блоки, источник TimeStamp(ов).

• Навигационные системы.

Несмотря на то, что сам драйвер часов реального времени это сравнительно простая микросхема однако для работы с часами реального времени надо целая куча разнообразных служебных функций для работы с датой и временем. Это сравнение дат. Вычисление порядкового номера дня в году, преобразование даты в строки разных национальный форматов, синтаксический разбор времени‑даты из строчек, проверка структуры данных времени на валидность, вычисление разницы между двумя датами в секундах и прочее и прочее. При этом для всего для этого необходимы модульные тесты.

Как инициализировать часы реального времени?

Понятно что время надо как-то синхронизировать. Тут есть минимум 4 варианта:

1--Получить точное время из GNSS модуля.

2--задавать по какому‑н интерфейсу, например по UART‑CLI вручную.

3--прошивка может также распарсить время прямо из дирректив препроцессора __TIME__ __DATE__. Таким образом время будет отличатся только на длительность компиляции.

4--Если вы живете в нормальной стране, то скорее всего в вашем городе FM радиостанции передают точное время по бинарному протоколу RDS (Radio Data System). Тогда вы можете синхронизироваться при помощи дешевых микросхем FM тюнеров, например Si4703
https://habr.com/ru/articles/687898/

Вывод

DS3231 не оправдал ожиданий. Спешит на 4...8 Hz или мне просто попался бракованный экземпляр микросхемы. Надо поискать что‑то другое. Одно из двух: чип DS3231 реально спешит, либо логический анализатор Saleae Pro бракованный.

Если Вам известны другие варианты проверенных RTC модулей со встроенным батарейным отсеком, то напишите в комментариях.

Словарь

Links

DS3231: высокоточная микросхема RTC

Часы на DS3231 и AVR-микроконтроллере

DS3231 – подключение часов реального времени

Контрольные вопросы:

— Почему часовые кварцы делают с частотой ровно 32 768 Hz?