摘要：介紹具有SPI接口的多功能實時時鐘器件M41T94，它具有精度高、功耗低等特點。提出一種M41T94在配網監測終端中的應用設計。結合單片機C8051F340的控制，給出配網監測終端實時時鐘模塊的軟硬件設計。
關鍵詞：實時時鐘；M41T94；配網監測；SPI接口

1 引言
??? 在單片機應用和智能儀器儀表中，尤其是分布式控制系統，實時時鐘已成為不可或缺的一部分。實時時鐘器件不僅提供系統時鐘，而且還附帶其他功能，服務于應用系統。一般時鐘器件存在精度低，功耗大，功能少，操作繁瑣諸多不足。復雜系統采用高性能多功能的時鐘器件，可減少分立元件，提高系統集成度和穩定性。因此，基于實時時鐘的功能特點，提出一種基于M41T94在配網監測終端應用的設計方案。

2 M41T94簡介
??? M41T94是一款高精度、多功能、低功耗實時時鐘器件，使用SPI串行總線與外部單片機MCU傳輸數據。M41T94除具有大多數時鐘器件的時鐘和日歷、鬧鐘設置功能外，還提供更精確的時鐘(十分之一秒、百分之一秒)，以及掉電時間自動鎖存、時間標定、看門狗等功能。M41T94實時時鐘器件采用SOIC封裝，具有16引腳和28引腳兩種版本類型，其引腳配置如圖1所示。其中28引腳版本內部封裝電池和晶體振蕩器，而16引腳版本則需外接電池和品體振蕩器。

??? 以16引腳版本為例，其主要引腳功能為：
??? SDO(Serial Data Output)：串行數據輸出引腳。該引腳通過SPI接口輸出時鐘、日歷、控制及狀態信息。
??? SDI(Serial Data Input)：串行數據輸入引腳。該引腳輸入命令字及數據信息。E(Chip Enable)：器件使能引腳。當E為高電平時，器件禁止，SDO保持高阻狀態；器件操作前，須先將E置為低電平。
??? VBAT(Battery Support Voltage)：外部電池供電引腳。系統掉電時，M41T94自動切換至電池供電。
??? RST(Reset Output)：復位輸出引腳。當監測到掉電或其他復位輸出時，RST輸出復位信號用于控制器的復位源。
??? M41T94采用SPI接口，便于與單片機通信；并具有64字節帶電保護RAM，其中20個8位寄存器供內部時鐘系統使用，44字節通用NVRAM供用戶使用。通過SPI接口，主機發送不同的命令字選擇相應的寄存器，實現對M41T94的讀寫及控制操作。

3 配網監測終端的實時時鐘系統
??? 配網監測系統是南配網監測終端構成的分布式電網參數監測系統。監測終端實時測量并計算電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因素等電網參數；統計和記錄供電時間、停電時刻、停電時間、來電時刻、日供電合格率、月供電合格率、正點電壓值等信息。因此，時鐘是監測終端不可或缺的部分。由于監測終端長時間的掛網運行，且記錄的參數都與時間有關，要求時鐘具有較高的走時精度。M41T94時鐘計時可達百分之一秒，并具有掉電時間鎖定，時鐘標定等功能，能夠滿足配網監測終端的要求。M41T94在配網監測終端中主要實現系統掉電、上電時間記錄、自身時間標定、系統定時校時等任務。在配網監測終端中，記錄配網停電、來電時刻是配網運行狀態的重要參數。正常運行狀態下，M41T94內部時鐘寄存器數據不斷刷新，實時記錄當前時刻時間，當M41T94自動監測VCC下降到監測點VCC時，寄存器0Ch單元的HT位硬件置為1，阻止時鐘寄存器刷新，此時時鐘寄存器的數據就是準確的掉電時間。當發生掉電時，M41T94能夠自動切換電源，利用外部電池供電，時鐘保持正常運行，這樣就保證時間的準確性和實時性。因此，當C8051F340單片機上電復位時，它首先讀取實時時鐘的時間，即為掉電時刻的時間值，然后由軟件將HT位清零，M41T94用當前實時時間刷新時鐘寄存器，再次讀取，就可得到上電時刻時間。為了保證讀取的上電時間準確，要求在上電復位后盡快完成上電時間的讀取。
??? 配網監測終端是在外界環境下運行，要求測量終端具有較高的時間精度，M41T94本身具有高走時精度，但在長時間的運行中，產生時間漂移，造成時間的累積誤差。通過時間標定，進一步提高M41T94的精度，從而大幅減少這種累積誤差。M41T94的分級校正是以每64 min為一個校正循環，每個調級刻度將對每64 min的前62 min產生校正。而M41T94的外接晶體振蕩器為32768 Hz。因此，每個調級刻度，即是對每125 829 120(64分×60秒/分×32 768周期/秒)個實際的晶振周期中，增加512個，或減少256個振動周期，即+4．068 ppm或-2．034 ppm。通過實際測試，得到各個溫度段的晶振校正系數，建立每個溫度段的時鐘校正系數表。根據當前溫度，設定相應的校正系數，從而得到精確時鐘。通過標定后，在25℃溫度下，時鐘的精度優于±2 ppm。
??? 終端實時時鐘的定時校時能夠消除由于累積誤差造成的時間漂移，保證實時時間的準確性。在配網監測終端中，實時時鐘M41T94本身具有較高精度，經時間標定后，可進一步提高精度，使其一年的時鐘累積誤差約±1 min。因此在滿足系統要求的同時，可設定每半年進行一次時鐘校準。M41T94有鬧鈴定時功能，利用此功能定時時鐘校準，通過向0Ah～0Eh寄存器寫入準確時間值，并置AFE位為1。當時鐘時間與該時間匹配時，標志位AF置1，且激活IRQ/FT/OUT引腳產生中斷，通知MCU校時時間到，MCU通過向時鐘服務器請求獲取當前準確時間進行實時時鐘校準。同時，重新設置0Ah～0Eh寄存器的數值，為下次校時作準備。根據M41T94的特點和功能，適用于配網監測終端時鐘系統。

4 M41T94在配網監測終端中的應用
4．1 硬件設計
??? 采用增強型的51單片機C8051F340作為控制器，圖2為C8051F340與M41T94的接口電路。單片機C8051F340平均每個時鐘周期執行1條單周期指令，在相同時鐘下，大大提高了指令運行速度。該設計系統上電后，要求在軟件控制下快速讀取掉電和上電時間，C8051F340的快速運行能夠保證讀取時間的準確性；C8051F340還具有64 K字節的Flash和SPI接口，便于與M41T94數據通信和存儲；C8051F340具有多路A／D轉換，在電網測量系統中可減少A/D轉換的分立元件，增加系統的集成度和穩定性；C8051F340具有可編程數字I／O和交叉開關，允許將片內數字系統資源映射到端口I／O引腳，用戶可根據特定應用選擇通用I／O端口和所需數字資源的組合；同時C8051F340具有與標準51單片機相同的指令集、軟件設定I／O端口配置、可通過JTAG接口在線調試等特性，因此，C8051F340適合用作系統控制器.

??? M41T94使用SPI串行通信接口，易于實現與具有SPI接口單片機C8051F340的數據通信。SPI接口通信是通過SDI、SDO、SCK和E等引腳實現。圖2中R54-2，R54-3和R54-4為SPI總線的上拉電阻，M41T94片選信號E引腳與C8051F340的P4.4引腳連接；M41T94的復位輸出RST引腳與C8051F340的RST連接，將C8051F340的RSTSRC.1(PORSF位)清零，禁止C8051F340內部VDD監視器作為MCU的復位源，這樣當掉電時，M41T94輸出復位信號使MCU復位，防止MCU對M41T94讀取數據錯誤。
4．2 軟件設計
??? C8051F340通過串行通信接口SPI控制M41T94。通信時，C8051F340選用主模式作為主機，M41T94作為從機。為了與M41T94相對應，C8051F340采用3線連接模式，不使用NSS。控制位CPHA(SPI0CN.5)=1，SCK時鐘第2個邊沿采樣數據，CPOL(SPI0CN.4)=1，空閑狀態時，SCK引腳為高電平。只有片選信號E置為低電平，C8051F340才能控制M41T94，當E變高時，通信結束。首先時鐘器件E引腳置為低電平，緊接著單片機通過SPI接口發送命令字，然后對M41T94讀取或寫入數據。對內部RAM的讀寫各有兩種方式，單字節讀寫和多字節連續讀寫。前者發送一次操作命令只讀／寫1個字節數據，后者發送1次命令可連續讀寫多個字節數據。SPI的數據傳輸是從每一個字節的最高位(MSB)開始。C8051F340對M41T94的連續讀取模式中命令字包括一個8位字節，該字節的最高位(D7)為讀／寫選擇位，D7=1時，表示對M41T94寫操作，D7=0時，表示讀M41T94數據；該字節低7位為M41T94的地址選擇位，在連續讀寫模式下，該地址為連續讀/寫的起始地址，在讀/寫過程中，地址指針自動遞增，當遞增到3Fh后，指針自動返回到首地址(00h)。當對時鐘、日歷寄存器(00～07h)讀寫，或掉電時，M41T94停止對這些寄存器(00～07h)的刷新，以保證讀寫數據的準確性。
4．2．1 初始化
??? C8051F340對M41T94的控制就是讀寫M41T94的寄存器和NVRAM。在M41T94讀寫前，C8051F340首先要對其初始化，即對M41T94寄存器初始化，其程序代碼如下：

4．2．2 實時時鐘掉電、上電時間
??? 當系統掉電時，M41T94自動鎖存掉電時間，上電后讀取掉電時間和當前實時時間。其相應程序代碼如下：

5 結束語
??? M41T94的時鐘精度高，功耗低，掉電時可自動切換供電電源，并具有掉電時間自動鎖存、時間標定、時鐘校準等功能，因此該器件可廣泛應用于電力系統、工業控制、智能儀器儀表、消費類電子產品.