DS1687 3V/5V实时时钟芯片详解

一、引言

在现代电子系统中，实时时钟（RTC, Real-Time Clock）是一种必不可少的组件。无论是在嵌入式设备、工业控制、个人计算机，还是在消费电子产品中，RTC芯片都承担着时间保持、日期记录以及事件中断等重要功能。DS1687 是由 Dallas Semiconductor（现为 Maxim Integrated）推出的一款功能强大的 RTC 芯片，它支持 3V 和 5V 的双电压操作，具有高度集成性和长时间保持时钟信息的能力。本文将对 DS1687 进行全面系统的介绍。

二、产品概述

DS1687 是一款高度集成的实时时钟芯片，集成了时间保持电路、永久存储RAM、定时中断控制、闹钟中断等功能，支持掉电后电池供电，并能在极低电流下维持数据和时间信息长达数年。其内部含有 242字节的 RAM，可供系统用于数据备份用途。

该芯片不仅能提供秒、分、时、星期、日期、月份和年份信息，还具有闰年自动补偿功能。它可以通过并行总线与主控CPU通信，常用于ISA总线结构的系统中。DS1687 也具有32.768kHz石英晶体振荡器输入，并集成了电池备份切换逻辑，非常适合用于长时间断电场合。

　　产品详情

　　DS1685/DS1687为一款实时时钟(RTC)，设计作为工业标准的DS1285、DS1385、DS1485以及DS1585 PC RTC的替代产品。该器件提供工业标准的DS1285时钟功能，+3.0V或+5.0V工作电压。DS1685还包含许多增强的功能，包括一个硅序列号、上电/掉电控制电路、242字节的用户NV SRAM以及用于支持电源管理的32.768kHz频率输出。

　　DS1685/DS1687电源控制电路允许通过诸如键盘或时间和日期(激活)报警这样的外部激励来给系统上电。通过任何一个事件，可以触发PWR输出，用于打开某个外部电源。PWR引脚由软件控制，以便当任务完成后，系统电源能够被关断。

　　DS1685是具有上述特性的时钟/日历芯片。仅晶振和电池是外部必需的，以便在没有电源的情况下，维持每天时间及存储器数据。DS1687是一个完整的、自含时间保持的EDIP模块，整合了DS1685芯片、一个32.768kHz晶振以及一块锂电池。整个单元在Dallas Semiconductor经过完全测试，以保证在没有VCC的情况下，至少保持10年的时间和数据。

　　应用

　　嵌入式系统

　　网络集线器、交换机和路由器

　　安全系统

　　电表

　　特性

　　包含工业标准的DS1287 PC时钟以及增强的特性:

　　与Y2K兼容

　　工作电压+3V或+5V

　　64位硅序列号

　　电源控制电路支持系统由日期/时间报警或终端按键来上电

　　为电源管理提供32kHz输出

　　晶振选择位允许RTC使用6pF或12.5pF晶振工作

　　SMI恢复堆栈

　　242字节的用户NV RAM

　　备份电池输入

　　RAM清零输入

　　世纪寄存器

　　日期报警寄存器

　　兼容于现有的BIOS，以提供早期的DS1287功能

　　提供芯片(DS1685)或内置电池和晶振的独立模块(DS1687)密封DIP (EDIP)

　　计时算法包括闰年补偿有效期至2099年

三、主要技术参数

• 电压范围：3V 或 5V 供电

• 电源切换功能：主电源掉电后自动切换至电池供电

• 时钟功能：年、月、日、星期、时、分、秒（BCD格式）

• 闰年自动补偿：支持至 2100 年

• RAM 容量：242字节 CMOS SRAM

• 中断输出：周期中断、闹钟中断、用户定义中断

• 接口类型：并行接口（总线宽度为8位）

• 振荡器频率：32.768kHz

• 电池电流：小于1μA

• 存储温度范围：-55°C 至 +125°C

• 工作温度范围：0°C 至 +70°C（工业级为 -40°C 至 +85°C）

四、芯片引脚功能说明

DS1687 提供了 24 个引脚，以下是各引脚的简要功能：

• AD0–AD7：双向地址/数据线

• AS（地址选通）：控制地址锁存的信号

• DS（数据选通）：指示数据读写的信号

• RW（读/写）：指示数据读还是写

• CS（芯片选择）：激活芯片的控制信号

• RESET：系统复位输入

• IRQ：中断请求输出（低电平有效）

• SQW：方波输出（1Hz、4kHz、8kHz、32kHz 可选）

• X1/X2：连接 32.768kHz 晶振

• VCC：主供电电源（5V或3V）

• VBAT：电池供电输入

• GND：地

五、内部结构与功能模块

DS1687 的内部结构可以分为如下几个主要功能模块：

1. 实时时钟模块
   实现时间的跟踪和日期的管理。该模块内置了闰年算法，并采用BCD编码来存储各项时间数据。

2. CMOS SRAM（242字节）
   提供非易失性数据存储功能，在掉电情况下仍能保存用户自定义数据。

3. 中断控制器
   包含多个中断源，如秒中断、闹钟中断、周期性中断等，可配置中断频率和中断标志。

4. 电源管理单元
   实现主电源与备用电池之间的自动切换，并最大限度地降低功耗。

5. 总线接口逻辑
   支持与微处理器通过并行方式进行数据交互，包括地址译码、数据缓存等功能。

6. 振荡器与时基电路
   通过外接32.768kHz晶振产生准确时钟信号，为RTC模块提供时间基准。

六、工作原理分析

DS1687 的核心功能是基于振荡器产生稳定频率信号，经内部分频得到秒脉冲，从而驱动时间寄存器更新。所有时间寄存器（秒、分、时、日、月、年等）均采用BCD格式保存。

在工作状态下，若主电源（VCC）存在，芯片由主电源供电；一旦VCC掉电，它会无缝切换到VBAT进行供电。这种自动切换设计使得芯片能持续维持时钟与RAM数据，即使在系统完全断电期间，也不会丢失时间和数据。

中断机制允许CPU不必频繁读取RTC，而是通过设置中断条件（如每日闹钟或每秒中断），让芯片在达到设定条件后主动通知主控系统。

七、芯片特点总结

1. 双电压支持：适配3V和5V系统，兼容性强。

2. 掉电保持功能：利用外接电池供电确保RTC和RAM在掉电时持续工作。

3. 集成RAM：具备非易失性的242字节RAM，方便用户存储关键数据。

4. 中断丰富：支持多种中断源，简化主控处理流程。

5. 闰年补偿：自动处理复杂日期逻辑。

6. 高可靠性：低功耗、长时间稳定运行，适合关键应用。

7. 并行接口：便于嵌入传统ISA等总线架构。

八、典型应用场景

1. 个人电脑与工业PC
   作为主板CMOS RTC芯片存在，提供系统启动时钟和配置存储。

2. 工业控制系统
   记录生产数据、报警时间、设备运行周期等信息。

3. 网络设备
   如服务器、路由器，用于日志记录和定时任务管理。

4. 嵌入式设备
   包括POS机、车载系统、远程监控装置等。

5. 数据记录器
   实现时间戳功能，用于科学实验、环境监控等领域。

6. 安防设备
   时间同步、录像计划触发等功能依赖RTC芯片完成。

九、使用注意事项

• 外部电池选型应保证电压满足VBAT需求，通常使用3V锂电池。

• 晶振需使用32.768kHz标准时钟晶体，布线应尽量短、远离干扰。

• 若系统复位，需正确处理RESET信号，避免引发异常状态。

• 注意CS、AS、DS、RW等控制信号的时序协调，避免通信冲突。

• 定期检查中断标志位和状态寄存器，防止中断失效。

十、与其他RTC芯片对比

特性对比

DS1687

DS1307

DS3231

MCP79410

从对比表可以看出，DS1687 在中断机制、RAM容量、双电压支持等方面具有明显优势，但相较于新一代RTC芯片如DS3231，其在接口方式和时钟精度方面稍显落后。

十一、开发与调试建议

• 初期调试时建议使用逻辑分析仪观察RW、CS、DS等信号线时序。

• 设置时间建议按BCD格式写入，避免出现数值混乱。

• 编写初始化程序时应确保RTC振荡器已经稳定启动。

• 结合使用RTC中断功能与MCU低功耗睡眠，可显著降低系统功耗。

• 若系统长时间运行，应定期监测RTC状态寄存器，确保时钟未异常跳变。

十二、未来发展趋势

随着系统向低功耗、小型化、智能化方向发展，RTC芯片也在不断进化。虽然 DS1687 是较为传统的并口RTC芯片，但其稳定性和丰富功能使其在工业场景仍有广泛应用。未来的趋势包括：

• 接口标准转向 I2C / SPI

• 高精度集成（如TCXO）

• 更大容量非易失RAM

• 集成更多电源管理功能

• 更宽工作电压与更低功耗设计

十三、结语

DS1687 作为一款经典的实时时钟芯片，以其双电压支持、高稳定性和中断丰富的特点，在工业控制、嵌入式系统、老旧计算设备中拥有广泛的应用基础。虽然面临新一代RTC芯片的挑战，但其独特的并行总线结构以及丰富的外围功能仍让它在特定领域中不可替代。掌握其使用方法和工作原理，有助于我们在相关电子项目中构建更可靠、功能更强的时间管理系统。