基于實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片X1227的電源控制器設計

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)時(shí)鐘 I2C接口 單片機 電源控制器

引言

X1228是美國XICOR公司最新推出的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）芯片。與其它RTC芯片相比，X1228除有基本的時(shí)鐘和報警功能外，還有4K位E2PROM存儲器和復位輸出、電壓監控、看門(mén)狗定時(shí)、頻率輸出等功能。

X1228可以準確地用秒、分、時(shí)、日、星期、月、年來(lái)顯示時(shí)間和日期，具有世紀字節，解決了兩千年問(wèn)題，自動(dòng)實(shí)現閏年調整；有2路報警，可設置為按秒、分、時(shí)、日、月和星期任意組合的定時(shí)報警；還有1個(gè)可編程的頻率輸出引腳（PHZ），用于輸出一個(gè)固定頻率的方波信號；內部的4K位E2PROM存儲器，可用于存儲用戶(hù)的設置參數或其它數據，其內容在電源失效時(shí)不會(huì )丟失；采用I2C總線(xiàn)與單片機接口，一次可傳送多個(gè)字節的數據，數據傳送的速率為400kHz；內部有電源監控電源監控電路，用于監測電源電壓，并能在上電和掉電時(shí)輸出復位信號，片內的看門(mén)狗定時(shí)器可編程為3個(gè)超時(shí)時(shí)間和關(guān)閉，還提供一個(gè)備用電源輸入引腳（VBACK），接一電池作為備用電源，可在主電源（VCC）失效時(shí)保證芯片正常工作和時(shí)鐘的連續運行。X1228因其計時(shí)準確、體積小、功能強，且與單片機接口方便、性?xún)r(jià)比高，在我們研制的開(kāi)放式實(shí)驗室管理系統電源控制器中得到了有效的應用。

圖1 X1228內部結構框圖

1 X1228的內部結構及工作原理

實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片X1228的內部結構如圖1所示，按功能基本分為實(shí)時(shí)時(shí)鐘及報警、存儲器和復位監控電路3個(gè)主要部分。

1.1 實(shí)時(shí)時(shí)鐘及報警

X1228對時(shí)鐘和報警的訪(fǎng)問(wèn)和設置都是通過(guò)時(shí)鐘/控制寄存器CCR來(lái)實(shí)現的。CCR分為五個(gè)部分：

①報警寄存器0（Alarm 0）為8字節，地址0000H～0007H，非易失性E2PROM存儲器；

②報警寄存器1（Alarm 1）為8字節，地址0008～000FH，非易失性E2PROM存儲器；

③控制寄存器（Control）為4字節，地址0010H～0013H，非易失性E2PROM存儲器；

④實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）為8字節，地址0030H～0037H，易失性RAM存儲器；

⑤狀態(tài)寄存器（Status）為1字節，地址為003FH，易失性RAM存儲器。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）外部?jì)H使用1個(gè)32.768kHz晶體來(lái)保持年、月、星期、日、時(shí)、分和秒的精確的內部表示。啟動(dòng)讀命令并指定對應于RTC寄存器的地址可以讀RTC，也可以通過(guò)寫(xiě)RTC寄存器來(lái)設置時(shí)間和日期。模擬微調寄存器ATR（低6位）用來(lái)調整X1和X2引腳間的片內負載電容，為5～39.5pF，這將使晶體選擇有較大的余地。數字微調寄存器DTR（低3位）用來(lái)調整RTC的誤差，達到長(cháng)時(shí)間的高精度。

兩組報警寄存器的結構與內容和RTC寄存器相同，只是增加了使能位（在MSB位）。通過(guò)使能位和實(shí)時(shí)寄存器的設置，可以確定報警時(shí)間。例如：在表1中，通過(guò)把EDWn、EHRn、EMNn使能位置“1”，并把DWAn、HRAn、MNAn報警警察寄存器置為星期三8：00AM，即把X1228設置為每星期三8：00AM報警。當把EHRn、EMNn使能位置“1”，并把HRAn、MNAn報警寄存器置為9：15PM時(shí)，即把X1228設置為每天9：15PM報警。設置EMOn，并結合其它使能位和特定的報警時(shí)間，用戶(hù)可以把X1228設置為每年同樣的時(shí)間報警?？刂萍拇嫫鱅NT中位IM為中斷方式位，“0”為中斷方式，“1”為脈沖方式；位AL1E和AL0E分別用來(lái)使能報警中斷信號IRQ的輸出；位FO1和FO0為可編程頻率輸出控制位，用來(lái)選擇PHZ引腳上的振蕩頻率輸出。

表1 時(shí)鐘/控制寄存器CCR映像表

狀態(tài)寄存器SR中位BAT為“1”，表示由電池VBACK供電，硬件置位/復位；位AL1、AL0為報警指示位，“1”為發(fā)生報警，狀態(tài)寄存器讀操作復位讀標志；位RWEL為寄存器寫(xiě)使能鎖存，位WEL為寫(xiě)使能鎖存，上電時(shí)均為“0”，禁止狀態(tài)。注意：要對CCR或存儲器進(jìn)行任何非易失性寫(xiě)操作，須首先寫(xiě)“02H”至SR，將WEL位置“1”，其次寫(xiě)“06H”至SR，將RWEL和WEL都置“1”，然后才能寫(xiě)實(shí)際數據到CCR或存儲器。

1.2 復位監控電路與看門(mén)狗定時(shí)器

X1228電源控制電路接收從Vcc和VBACK引腳輸入的電源，當VccVBACK-0.2V時(shí)，電源控制電路將電源自動(dòng)切換至VBACK。上電時(shí)，在Vcc超過(guò)復位門(mén)限值250ms后，RESET腳產(chǎn)生一個(gè)200ms的低電平脈沖為系統提供復位信號。X1228內部有一個(gè)檢測預置門(mén)限電壓的比較器監視Vcc引腳上的電壓，當發(fā)生電源失效時(shí)，在RESET腳發(fā)出一個(gè)復位脈沖。注意：當產(chǎn)生復位脈沖時(shí)，正在進(jìn)行的任何非易失性寫(xiě)操作不受影響，繼續操作直到完成。

看門(mén)狗定時(shí)器可通過(guò)向BL寄存器中WD1、WD0這兩位的“寫(xiě)入”，設置為3種不同超時(shí)間隔或不工作，“00”為1.75s，“01”為750ms，“10”為250ms，“11”為不工作?？撮T(mén)狗啟動(dòng)時(shí)，必須在規定間隔內對它進(jìn)行刷新，方法是在SCL線(xiàn)為高時(shí)SDA線(xiàn)產(chǎn)生下降沿。如果看門(mén)狗在規定間隔內沒(méi)有被刷新，則RESET腳變?yōu)橛行?。注意：如果使用開(kāi)始條件來(lái)刷新看門(mén)狗定時(shí)器，必須跟著(zhù)一個(gè)結束條件以復位X1228。

1.3 存儲器訪(fǎng)問(wèn)

X1228支持I2C總線(xiàn)協(xié)議，與CPU的連接很簡(jiǎn)單。如圖2所示，AT89C51為主器件，X1228為從器件。SCL為串行移位時(shí)鐘輸入，P3.4接SCL模擬時(shí)鐘信號；SDA為串行數據輸入輸出，P3.5與SDA相連以實(shí)現AT89C51與X1229的數據通信。X1228工作在中斷方式，由IRO引腳定時(shí)發(fā)出中斷信號，作為AT89C51 INT1的輸入信號。

主器件在發(fā)出開(kāi)始條件后必須接著(zhù)輸出一個(gè)地址字節。從地址字節的高4位是標識位，規定了訪(fǎng)問(wèn)E2PROM陣列還是訪(fǎng)問(wèn)CCR，“1010”表示訪(fǎng)問(wèn)E2PROM陣列，“1101”表示訪(fǎng)問(wèn)CCR；從地址字節的位3～位1是選擇位（I2C器件級聯(lián)時(shí)使用），X1228這3位總是“111”；從地址字節的最后一位R/W位定義操作類(lèi)型。

塊保護控制寄存器BL中位BP2、BP1、BP0決定了E2PROM存儲器陣列中哪些塊是寫(xiě)保護的，“000”表示“無(wú)寫(xiě)保護”，“001”表示地址0180H～01FFH寫(xiě)保護，“010”表示地址0100H～01FFH寫(xiě)保護，“011”表示“全地址寫(xiě)保護”，“100”表示地址0000H～003FH（第1頁(yè)）寫(xiě)保護，“101”表示地址0000H～007FH（前2頁(yè)）寫(xiě)保護，“110”表示地址0000H～00FFH（前4頁(yè)）寫(xiě)保護，“111”表示地址0000H～01FFH（前8頁(yè)）寫(xiě)保護。

對X1228存儲器的訪(fǎng)問(wèn)有隨機讀、順序讀、當前地址讀和字節寫(xiě)、頁(yè)寫(xiě)等，其操作均與標準I2C總線(xiàn)器件相同，在此不作重述。

2 X1228在電源控制器中的應用

為了充分利用實(shí)驗室資源，讓學(xué)生能夠自主選擇實(shí)驗內容與時(shí)間，從而激發(fā)學(xué)生積極參與科學(xué)實(shí)驗的興趣，提高分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，同時(shí)也為了緩解近年來(lái)高校擴招對實(shí)驗室的壓力，實(shí)現高校部分實(shí)驗室的開(kāi)放式管理勢在必行。我們研制的開(kāi)放式實(shí)驗室管理系統，再配上有經(jīng)驗的指導教師精心制作的實(shí)驗教學(xué)課件，為實(shí)驗室的無(wú)人值守化管理提供了物質(zhì)基礎。該開(kāi)放式實(shí)驗室管理系統由一個(gè)管理中心和一個(gè)門(mén)禁控制器及若干個(gè)實(shí)驗組電源控制器組成，系統框圖如圖3所示。學(xué)生進(jìn)入開(kāi)放式實(shí)驗室做實(shí)驗，必須先刷卡，得到允許后方可進(jìn)入。若實(shí)驗時(shí)間超過(guò)預定時(shí)間（前10分鐘發(fā)提示警告信息），則實(shí)驗組儀器設備的供電會(huì )自動(dòng)切斷。

管理中心由1臺計算機、報表打印機和管理軟件組成。完成的功能有：①I(mǎi)C卡的發(fā)放、實(shí)驗室儀器設備配置情況和實(shí)驗安排情況預置；②通過(guò)門(mén)禁控制器獲取實(shí)驗學(xué)生的有關(guān)信息，根據存儲在機內的儀器設備使用配置情況及預置的實(shí)驗安排情況，決策該學(xué)生當前是否能參與實(shí)驗并分配實(shí)驗組號；③向門(mén)禁控制器回發(fā)信息；④若允許學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗室，則發(fā)指令至相應的實(shí)驗組電源控制器，以便及時(shí)為該組儀器設備供電；⑤對學(xué)生實(shí)驗時(shí)間、儀器設備使用情況進(jìn)行存儲管理，為實(shí)驗指導教師掌握學(xué)生實(shí)驗情、實(shí)驗技術(shù)人員進(jìn)行儀器設備的維護維修提供依據；⑥各種報表輸出。

門(mén)禁控制器主要負責：①對學(xué)生所持有的IC卡刷卡，以獲取與實(shí)驗有關(guān)的信息，通過(guò)RS485總線(xiàn)傳輸至上位機，以決定是否允許該學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗室；②接收上位機發(fā)來(lái)的允許否信息，通過(guò)LCD顯示器顯示并執行；③學(xué)生實(shí)驗完畢，需再次刷卡，并通過(guò)門(mén)禁控制器所攜帶的小鍵盤(pán)，對實(shí)驗組儀器則認為該實(shí)驗在規定時(shí)間內未完成，需重做。

實(shí)驗組電源控制器主要是接收上位機指令，控制每個(gè)實(shí)驗組儀器設備的供電情況，并在預定實(shí)驗結束時(shí)間的前10分鐘向學(xué)生發(fā)提示報警信息。

在實(shí)驗組電源控制器中，我們采用了AT89C51單片機控制實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片X1228（如圖2）來(lái)實(shí)現對每個(gè)實(shí)驗組儀器設備的供電情況定時(shí)控制，采用OCMJ2X8的LCD顯示模塊顯示實(shí)時(shí)時(shí)間。AT89C51從串行口接收來(lái)自PC的2字節命令，由P1.5輸出高電平，通過(guò)一只固態(tài)繼電器（SSR）SAP4010來(lái)接通220V交流供電電路；接收8字節BCD碼，寫(xiě)入X1228的RTC寄存器，對X1228進(jìn)行校時(shí)；從串行口接收8字節寫(xiě)入Alarm0來(lái)設置X1228的報警輸出，在單片機的外中斷1服務(wù)程序中，通過(guò)P3.2口接的1只有源訊響器，在預定實(shí)驗結束時(shí)間的前10分鐘向學(xué)生發(fā)提示報警信息；實(shí)驗時(shí)間到，P1.5輸出高電平，通過(guò)SAP4010切斷220V交供電電流。管理中心上位機與電源控制器之間采用MAX3082構成的RS485總線(xiàn)進(jìn)行通信。因總線(xiàn)上允許最大節點(diǎn)數為256個(gè)，故完全能滿(mǎn)足實(shí)際應用需要。

結語(yǔ)

在開(kāi)放式實(shí)驗室管理系統的電源控制器中，由于采用了I2C總線(xiàn)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片X1228，它集成時(shí)時(shí)鐘、報警輸出、電源監控和看門(mén)狗定時(shí)器于一體，從而大大減小了系統成本和電路板空間。該電源控制器若稍做改進(jìn)，也可廣泛地應用地需要進(jìn)行定時(shí)開(kāi)關(guān)機的家用電器中。