摘? 要: 具有串行傳輸總線I2C接口的實時時鐘/日歷芯片RS5C372A/B在以微處理器PIC16F877為核心的無功補償節能控制系統中的應用實例,并對其與主控CPU PIC16F877的硬件接口電路、軟件編程設計中的關鍵問題作了闡述。
????關鍵詞: 串口I2C BUS? 實時時鐘/日歷芯片? RS5C372A/B? PIC16F877
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隨著微處理器構成的控制系統在工業領域的廣泛應用,一些控制系統需要掌握日期和年份信息或更精確的時間顯示及固定時間的報警。一個控制系統需要高性能、低功耗、帶RAM的專用芯片來完成其體積、功耗、功能、精確性及可靠性等因素的控制,而利用實時時鐘/日歷芯片就能很好地解決這些問題。本文主要介紹串行I2C實時時鐘/日歷芯片RS5C372A/B作為控制系統時鐘單元模塊的使用特點、操作方式及與主CPU的硬件電路接口和軟件編程設計技術。
1?無功補償節能系統結構簡介
由微處理器組成的微控制系統在某些場合需要精確的時間、日期、日歷顯示和預定時間報警功能。準確地記錄設備事故發生的時間或在預定時間內給主系統報警,以便提醒工作人員監測機器的工作狀態和及時發現故障,對避免設備的損壞具有重要作用。如電飯鍋、洗衣機、空調等家用電器需要時間的監控和報警。專用實時時鐘/日歷芯片組成的時鐘模塊單元就能很好地完成這些功能。圖1是筆者開發電力系統無功補償節能系統的結構框圖。該系統主要功能:三相交流電壓、電流經過諧波電壓、電流信號檢測、采樣,經A/D轉換后傳送到主CPU處理后算出無功補償量,發出指令投切電容器補償無功功率以達到節能效果;時鐘模塊單元可以記錄控制系統的運行時間,并通過液晶顯示器顯示;如果控制系統發生故障,可以記錄故障發生的時間,以便監測人員查清事故發生的具體時間和原因。
在該控制系統中,主CPU選用PIC系列的16F877型號的單片機,該芯片采用雙列直插、40pin封裝形式。主要特征:工作頻率DC20MHz,片內有8KBFlash程序存儲器(ROM)、368B數據存儲器(RAM)、256B E2PROM程序存儲器(ROM)、14個中斷源、I/O端口(A、B、C、D、E)、3個定時器/計數器、同步串行通信口MSSP模塊、異步串行通信口USART、并行通信口PSP、8個通道的10位模數轉換模塊。由于PIC16F877片內資源比較豐富,能很好地滿足系統的要求。時鐘模塊單元選用日本RICOH公司的RS5C372A/B實時時鐘/日歷芯片,該芯片具有自動識別閏年到2099年,有12小時制或24小時制時間顯示,同時還可以通過輸出引腳向主CPU定時報警(可以設定為分鐘、小時、一星期中的某天)和定時中斷請求(從秒到月份的中斷)等功能。RS5C372A/B芯片的主要特點是:高性能、低價格、低功耗和小體積。
2? 硬件接口電路
在本系統中,由于主控CPU16F877有串行MSSP模塊,具有硬件I2C功能,因此它和RS5C372A/B時鐘芯片之間的通信可以用主控硬件I2C方式實現,也可以用其2個普通的I/O端口作為SCL/SDA,按照I2C的時序編寫模擬I2C通信軟件。模擬I2C靈活方便,移植性強。PIC16F877和RS5C372硬件電路接口示意圖如圖2所示。
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為了方便討論,在圖2中,主CPU16F877只畫出和時鐘系統有關的引腳。RS5C372A/B實時時鐘/日歷芯片內部帶有I2C總線協議,遵循PHILIPS公司的I2C總線協議進行通信,并通過SCL、SDA二引腳和主控芯片相通信,且連線簡單。I2C總線和主CPU的電源及時鐘芯片可以由同一個電源供電,但應盡可能用獨立的電源獨自供電,如果是獨立供電,原則上要求向SCL、SDA供電的電源電壓大小不能小于各供電電源。最好RS5C372A/B芯片有一個獨立的電源,以防系統電源出故障后仍能正常運行。圖2中,RB4、RB5為PIC16F877外部中斷請求I/O口,接RS5C372A/B芯片的中斷輸出
引腳。由于SCL、SDA、引腳是開漏極輸出,在實際應用電路中,SCL、SDA、引腳都應該接上拉電阻,其阻值約為10kΩ,以保證信號傳輸的穩定。而時鐘芯片必須接0.1μF的普通電容和22μF的電解電容或4.7μF的鉭電容各1個,以消除毛刺、噪聲信號的干擾;6、7腳可以接32.768kHz或32.000kHz的外部時鐘,并通過設定片內寄存器值控制。
3 軟件程序設計
RS5C372A/B芯片總共有16個計數器和寄存器,其內部器件地址為0H～FH。這些計數器和寄存器在缺省狀態、起始狀態和讀寫狀態都各不相同,上電后必須對芯片進行初始化操作,使芯片工作正常后才能對其進行正常的讀寫。RS5C372A/B芯片上電后約要1～2秒才進入開始狀態,然后調用一個初始化RS5C372A時鐘芯片子程序,讀控制寄存器2中XSTP位的狀態,如果XSTP=0,則可以進入正常的操作程序;若XSTP=1,則把初值賦給控制寄存器2和各個時鐘日歷計數器。當成功寫入控制寄存器2時,則XSTP=0。在這個過程中主CPU如沒有ACK回應或剛在開始時讀出數據為FFH值,則說明主CPU和RS5C372A/B之間的通信沒有成功。RS5C372A/B芯片的監測振蕩器停止振蕩功能也是用控制寄存器2所存儲的振蕩器停止標志位XSTP的狀態信息,來檢測RS5C372A/B芯片是不是從0伏起供電或已經上電。這一功能對判斷時鐘芯片內部數據是否有效極其有用。
????RS5C372A/B芯片上電初始化流程圖如圖3所示。XSTP位的狀態很關鍵,它是在控制寄存器2(內部地址為FH)的第4位。因此在時鐘通信模塊程序中必須編寫一個讀XSTP位的狀態子程序,以便在通信過程中可以隨時監控XSTP位的狀態。如果XSTP=1,說明芯片運行一段時間后,晶振曾發生過停振,時鐘芯片數字已經不準確,需要重新調整。
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在程序調試階段,為了最后確認時鐘芯片是不是正常工作,可以在上電后讀出16個寄存器的值和它的缺省值(默認值)進行比較,如二值相同則為正常通信。例如:時間微調寄存器(07H)和控制寄存器1(0EH)的系統默認值都為0,若讀出數據不為0,則認為工作不正常,應重新檢查程序。RS5C372A/B芯片還有一個內部振蕩器(具有高精度的時間微調電路),通過內部的寄存器配置可以方便地調整因晶體振蕩起伏過寬、季節變化或溫度變化而造成的時鐘精確性的變化,其調整精度可達到189ppm(在32.000kHz時可以近似到±194ppm)。
RS5C372A/B器件地址為0110010,雖然遵循I2C協議進行通信,但因為芯片只有16個寄存器,讀寫數據方式和一般的具有I2C的E2PROM和其他的時鐘芯片相比,更靈活且多樣。RS5C372A/B芯片讀數據有以下3種方式。
(1)指定地址讀
指定地址讀I2C的E2PROM和其他時鐘芯片操作方式相同,其區別是:它通過操作內部的地址指針寄存器和組織寄存器來設定讀寫數據的起始地址和字節數。
(2)非I2C方式讀
非I2C方式讀是指寫完后不用重新啟動起始位,可直接讀。雖然不遵循I2C的協議,但RS5C372A/B芯片允許這樣的讀法,以提高讀數據的速度。
(3)從指針起始處(FH)讀的方式
RS5C372A/B芯片在缺省下指針指向內部地址FH起始處,在這種情況下主CPU可以直接讀時鐘芯片的數據。特別要注意的是:在讀時間數據時要一次連續讀完,才能得到正確的時間。一個讀/寫周期應該在0.5秒內完成,否則容易造成錯誤,即讀出的數據是錯誤的卻認為是對的。
RS5C372A/B芯片在I2C模式下,以7位地址方式傳送數據,最高速率可以達到400kHz。不過據筆者的經驗,在200kHz速率下,RS5C372A/B芯片和主控芯片之間的通信更穩定。
以下是筆者用模擬I2C的方式和通過PIC系列單片機匯編語言編寫的PIC16F877和RS5C372A/B實時時鐘/日歷芯片的通信子程序模塊(但也可以用硬件MSSP模塊中的I2C功能來實現),已經通過調試。模擬I2C的關鍵在于按硬件電路時序圖的要求來編寫。在這個通信程序模塊里又可以分為讀/寫N個字節子程序、初始化RS5C372A時鐘芯片子程序,監測XSTP位狀態子程序、讀秒/分/小時子程序、讀星期幾/日/月/年子程序。讀寫子程序又可以分為編寫通用的啟動起始位子程序、停止位子程序、位接收(位發送)子程序、發送和接收(8位)數據子程序。限于篇幅,不能寫出所有源代碼。讀的方式可以采用上面三種方式中的一種。主程序流程圖如圖4所示,讀子程序流程圖如圖5所示(讀子程序采用第1種方式)。
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4 ?結? 論
??? 本文介紹了實時時鐘/日歷芯片RS5C372A/B在無功補償控制系統中的具體應用,并給出了硬件電路接口和程序設計。RS5C372A/B芯片編程方便、靈活、價格低廉,廣泛應用于便攜式儀器(如數碼相機、遠程控制器、攝像機)及家用電器等。相對于其他的時鐘芯片,RS5C372A/B芯片有著很高的性能價格比,不失為一種系統時鐘單元的首選芯片。
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參考文獻
1? 何立民.I2C總線應用系統設計.北京:北京航空航天大學出版社,1995
2? 劉和平,黃開長,嚴利平等譯.PIC16F877X數據手冊——28/40腳8位FLASH單片機.北京:北京航空航天大學出版社,2001
3? Philips Semiconductor.The I2C-BUS Specification Version 2.1.2000
4? RICOH.I2C Bus Serial Interface Real-time Clock ICs?RS5C372A/B Application Manual.1995