嵌入式人工智能（10-基于树莓派4B的DS1302实时时钟RTC）

news2024/9/22 21:33:02

1、实时时钟（Real Time Clock）

RTC，全称为实时时钟（Real Time Clock），是一种能够提供实时时间信息的电子设备。RTC通常包括一个计时器和一个能够记录日期和时间的电池。它可以独立于主控芯片工作，即使断电也能继续运行，并保持时间的精确度。

RTC一般用于需要准确时间的应用场合，如计算机系统的时间同步、数据采集系统的时间记录等。RTC可以提供秒、分、时、日、月、年等时间信息，还可以具备闹钟、定时器等功能。

在计算机系统中，RTC可以通过串行接口（如I2C、SPI接口）与主控芯片进行通信。主控芯片通过读取RTC的寄存器来获取当前时间，并可以通过写入寄存器来设置时间或功能。

除了计算机系统，RTC还可以用于其他电子设备中，如手机、电视等。

2、DS1302

(1)实时时钟芯片

DS1302是一款实时时钟芯片，由美国达拉斯半导体（Dallas Semiconductor）公司生产。它集成了时钟、日历和电池供电管理等功能。

DS1302通过3根线（数据线、时钟线和使能线）与外部控制器通信。它内部有一个32位的静态RAM，用于存储时间和日期等信息。它还有一个时钟输出引脚（CLKOUT），可以输出时钟信号。此外，DS1302还包括一个电池供电管理电路，可以在外部电源断开时维持时钟运行。

DS1302的主要特点如下：

  1. 时钟精度：±2分钟/月
  2. 工作电压：2V~5.5V
  3. 时钟频率：具有多个可选频率，最高可达到8MHz
  4. 时钟输出：可输出1Hz至32.768kHz的时钟信号
  5. 数据传输：采用串行方式传输，速率最高可达到2.048Mb/s
  6. 电源管理：具有电源失效检测和切换功能，可以自动切换到备用电池供电

DS1302广泛应用于各种需要实时时钟功能的设备，例如计算器、电子表、温度计、计步器、电子秤等。由于其低功耗和高精度的特点，它也常被用于嵌入式系统和物联网应用中。

(2)与树莓派接线

VCC：接树莓派的 3.3V 输出

GND：接树莓派的 Ground（地）

CLK：接树莓派的 GPIO21（BOARD 物理引脚编号40）

DAT：接树莓派的 GPIO20（BOARD 物理引脚编号38）

RST：接树莓派的 GPIO8（BOARD 物理引脚编号24）

(3)说明

DS1302的接线我特别说明下，我这里卡了一天，给我整懵了。我按照网上的接法接SLCK，ID_SD，CE0，运行程序老出问题，引脚功能报错，我估计接法不对，如果有同学整明白可以给我留言。我估计之前的接法是针对树莓派其他版本的。如果有时间还是要看下手册。

DS1302的接法还可以接到clk和IO引脚可以接树莓派SCL和SDA，不过不建议这样接，占用了OLED的引脚。如果接到这个IIC引脚上，通过sudo i2cdetect -y 1 命令也是查不到0x68这个1302器件ID。我这里也是搞了很长时间。

由于，DS1302的驱动在51和STM32都是通过IIC总线完成的，只要接到GPIO口，根据芯片手册的时序信号模拟IIC总线来发送与接收数据，主要有起始，结束、应答、非应答信号，再编写发送与接收字节函数，总之相比对程序员硬件软件要求比较高。在树莓派4B开发板中，DS1302也是基于IIC总线的，也有相应的C驱动和例程，但是我们还是用Pyhton来写。

3、DS1302驱动代码

import time
import RPi.GPIO
from datetime import datetime

# 使用物理编码
SCL = 40
IO = 38
RST = 24

# 数据读写的间隔
CLK_PERIOD = 0.00001

# 关闭GPIO警告
RPi.GPIO.setwarnings(False)
# 配置树莓派GPIO接口 使用物理编码
RPi.GPIO.setmode(RPi.GPIO.BOARD)

# 写入一个字节的数据
def writeByte(Byte):
    for Count in range(8):
        # 将SCL置为低电平 开启一次传输
        time.sleep(CLK_PERIOD)
        RPi.GPIO.output(SCL, 0)
        # 取一位数据进行写入
        Bit = Byte % 2
        Byte = int(Byte / 2)
        # 通过IO引脚进行写入
        time.sleep(CLK_PERIOD)
        RPi.GPIO.output(IO, Bit)
        # 将SCL置为高电平 结束一次传输
        time.sleep(CLK_PERIOD)
        RPi.GPIO.output(SCL, 1)

# 读取一个字节的数据
def readByte():
    # 将IO引脚设置为输入
    RPi.GPIO.setup(IO, RPi.GPIO.IN, pull_up_down=RPi.GPIO.PUD_DOWN)
    Byte = 0
    for Count in range(8):
        # 先将SCL重置为高电平
        time.sleep(CLK_PERIOD)
        RPi.GPIO.output(SCL, 1)
        # 将SCL置为低电平 开启一次传输
        time.sleep(CLK_PERIOD)
        RPi.GPIO.output(SCL, 0)
        # 读取一位数据
        time.sleep(CLK_PERIOD)
        Bit = RPi.GPIO.input(IO)
        Byte |= ((2 ** Count) * Bit)
    return Byte

# 重置一些数据
def resetDS1302():
    # SCL引脚设置为输出
    RPi.GPIO.setup(SCL, RPi.GPIO.OUT)
    # RST引脚设置为输出
    RPi.GPIO.setup(RST, RPi.GPIO.OUT)
    # IO引脚设置为输出
    RPi.GPIO.setup(IO, RPi.GPIO.OUT)
    # SCL和IO都置为低电平
    RPi.GPIO.output(SCL, 0)
    RPi.GPIO.output(IO, 0)
    time.sleep(CLK_PERIOD)
    # RST置为高电平
    RPi.GPIO.output(RST, 1)

# 结束操作
def endDS1302():
    # SCL引脚设置为输出
    RPi.GPIO.setup(SCL, RPi.GPIO.OUT)
    # RST引脚设置为输出
    RPi.GPIO.setup(RST, RPi.GPIO.OUT)
    # IO引脚设置为输出
    RPi.GPIO.setup(IO, RPi.GPIO.OUT)
    # SCL和IO都置为低电平
    RPi.GPIO.output(SCL, 0)
    RPi.GPIO.output(IO, 0)
    time.sleep(CLK_PERIOD)
    # RST置为低电平
    RPi.GPIO.output(RST, 0)


# 进行时间校准
def setDatetime(year, month, day,  hour, minute, second, dayOfWeek):
    # 引脚重置
    resetDS1302()
    # 设置写始终数据脉冲指令
    writeByte(int("10111110", 2))

    # 开始依次写数据
    # 写入秒数据，*16的作用是把十位右移4位 下面同
    writeByte((second % 10) | int(second / 10) * 16)
    # 写入分钟数据
    writeByte((minute % 10) | int(minute / 10) * 16)
    # 写入小时数据
    writeByte((hour % 10) | int(hour / 10) * 16)
    # 写入日期数据
    writeByte((day % 10) | int(day / 10) * 16)
    # 写入月份数据
    writeByte((month % 10) | int(month / 10) * 16)
    # 写入星期数据
    writeByte(dayOfWeek)
    # 写入年份数据
    writeByte((year % 100 % 10) | int(year % 100 / 10) * 16)
    # 结束数据写入
    writeByte(int("00000000", 2))
    # 结束任务
    endDS1302()

# 获取DS1302硬件时钟实践
def getDatetime():
    # 重置引脚
    resetDS1302()
    # 0xBF指令，开始时钟脉冲串读取数据
    writeByte(int("10111111", 2))

    Data = ""

    # 依次读取
    # 先读出秒数据
    Byte = readByte()
    second = (Byte % 16) + int(Byte / 16) * 10
    # 分钟数据
    Byte = readByte()
    minute = (Byte % 16) + int(Byte / 16) * 10
    # 小时数据
    Byte = readByte()
    hour = (Byte % 16) + int(Byte / 16) * 10
    # 日期数据
    Byte = readByte()
    day = (Byte % 16) + int(Byte / 16) * 10
    # 月份数据
    Byte = readByte()
    month = (Byte % 16) + int(Byte / 16) * 10
    # 星期数据
    Byte = readByte()
    day_of_week = (Byte % 16)
    # 年数据
    Byte = readByte()
    year = (Byte % 16) + int(Byte / 16) * 10 + 2000

    # 结束任务
    endDS1302()
    return datetime(year, month, day, hour, minute, second)

# 时间格式化
def format_time(dt):
    if dt is None:
        return ""
    fmt = "%m/%d/%Y %H:%M"
    return dt.strftime(fmt)

def parse_time(s):
    fmt = "%m/%d/%Y %H:%M"
    return datetime.strptime(s, fmt)

主要有2个函数，一个是setDatetime(year, month, day,  hour, minute, second, dayOfWeek)，一个是getDatetime()。日期参数可以删掉，也可以随便给一个。在主程序中如果要引用这个驱动文件.py，使用 from ds1302 import * 。

4、主程序

from datetime import datetime

from ds1302 import *

import time





# 初始化程序

def datetime_setup():

	print ('')

	print ('')

	print (getDatetime())  # 获取时间信息

	print ('')

	print ('')

	ds_a = input( "Do you want to setup date and time?(y/n/c)\n c:Set the current time to the system time\n")     

	# 是否更新时间

	if ds_a == 'y' or ds_a == 'Y':                                           # 重新更新时间

		ds_date = input("Input date:(YYYY MM DD) ")                          # 输入年月日

		ds_time = input("Input time:(HH MM SS) ")                            # 输入时分秒

		ds_date = list(map(lambda x: int(x), ds_date.split()))                  # 判断格式        

		ds_time = list(map(lambda x: int(x), ds_time.split()))                  # 判断格式

		print ('')

		print ('')

		setDatetime(ds_date[0], ds_date[1], ds_date[2], ds_time[0], ds_time[1], ds_time[2],33) # 设置时间

		dt = getDatetime()             # 获取当前时间

		print ("You set the date and time to:", dt)  # 打印出当前时间

	if ds_a == 'c' or ds_a == 'C':    

		current_datetime()

		print ("current time is:", getDatetime()) 



# 循环函数

def datetime_loop():

	while True:

		dt= getDatetime()  # 获取时间

		print (dt)       # 打印出时间

		time.sleep(1) # 延时1S



# 释放资源

def resource_destory():

	endDS1302()				# 释放资源



#获取当前时间写入ds1302

def current_datetime():

	current = datetime.now()

	year = current.year

	month = current.month

	day = current.day

	hour = current.hour

	minute = current.minute

	second = current.second

	week = current.weekday()

	setDatetime(year,month,day,hour,minute,second,week)



# 程序入口

if __name__ == '__main__':		

	datetime_setup()

	try:

		datetime_loop()         # 循环函数

	except KeyboardInterrupt:  	# 当按下Ctrl+C时，将执行destroy()子程序。

		resource_destory()      # 释放资源

启动后可以不设置时间n，可以设置时间y，也可以读取系统时间设置到DS1302（C）。设置后，每隔一秒读取寄存器日期时间值，打印到屏幕上面。也可以显示到OLED上面。

显示到OLED上面需要把之前的显示封装成函数，在主程序中获取日期时间后调用。

5、问题

具体显示的结果参考之前的接线实物图，但是OLED显示会出现闪烁问题，就是用time.sleep(1)导致的，这个和C中的delay函数一样，对于这个问题，解决办法，是将获取时间函数直接放到OLED显示函数里面。

def Oled_display(x,y):
	global device
	device = load_device()
	font = ImageFont.truetype('STKAITI.TTF',16)
	while True:
		with canvas(device) as draw:
			draw.rectangle(device.bounding_box, outline=0, fill=0)
			draw.text((x,y),str(getDatetime()),font=font, fill='white')

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