基于實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片X1227的電源控制器設(shè)計(jì)

摘要：介紹多功能實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片X1228的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能、特點(diǎn)以及在開放式實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)中電源控制器部分的應(yīng)用。

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

引言

X1228是美國(guó)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(bào)警功能外，還有4K位E2PROM存儲(chǔ)器和復(fù)位輸出、電壓監(jiān)控、看門狗定時(shí)、頻率輸出等功能。

X1228可以準(zhǔn)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(jì)字節(jié)，解決了兩千年問(wèn)題，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)閏年調(diào)整；有2路報(bào)警，可設(shè)置為按秒、分、時(shí)、日、月和星期任意組合的定時(shí)報(bào)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(hào)；內(nèi)部的4K位E2PROM存儲(chǔ)器，可用于存儲(chǔ)用戶的設(shè)置參數(shù)或其它數(shù)據(jù)，其內(nèi)容在電源失效時(shí)不會(huì)丟失；采用I2C總線與單片機(jī)接口，一次可傳送多個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送的速率為400kHz；內(nèi)部有電源監(jiān)控電源監(jiān)控電路，用于監(jiān)測(cè)電源電壓，并能在上電和掉電時(shí)輸出復(fù)位信號(hào)，片內(nèi)的看門狗定時(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(xù)運(yùn)行。X1228因其計(jì)時(shí)準(zhǔn)確、體積小、功能強(qiáng)，且與單片機(jī)接口方便、性價(jià)比高，在我們研制的開放式實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)電源控制器中得到了有效的應(yīng)用。

圖1 X1228內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

1 X1228的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片X1228的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，按功能基本分為實(shí)時(shí)時(shí)鐘及報(bào)警、存儲(chǔ)器和復(fù)位監(jiān)控電路3個(gè)主要部分。

1.1 實(shí)時(shí)時(shí)鐘及報(bào)警

X1228對(duì)時(shí)鐘和報(bào)警的訪問(wèn)和設(shè)置都是通過(guò)時(shí)鐘/控制寄存器CCR來(lái)實(shí)現(xiàn)的。CCR分為五個(gè)部分：

①報(bào)警寄存器0（Alarm 0）為8字節(jié)，地址0000H～0007H，非易失性E2PROM存儲(chǔ)器；

②報(bào)警寄存器1（Alarm 1）為8字節(jié)，地址0008～000FH，非易失性E2PROM存儲(chǔ)器；

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

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

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

實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）外部?jī)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(nèi)部表示。啟動(dòng)讀命令并指定對(duì)應(yīng)于RTC寄存器的地址可以讀RTC，也可以通過(guò)寫RTC寄存器來(lái)設(shè)置時(shí)間和日期。模擬微調(diào)寄存器ATR（低6位）用來(lái)調(diào)整X1和X2引腳間的片內(nèi)負(fù)載電容，為5～39.5pF，這將使晶體選擇有較大的余地。數(shù)字微調(diào)寄存器DTR（低3位）用來(lái)調(diào)整RTC的誤差，達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間的高精度。
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    兩組報(bào)警寄存器的結(jié)構(gòu)與內(nèi)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(shè)置，可以確定報(bào)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(bào)警警察寄存器置為星期三8：00AM，即把X1228設(shè)置為每星期三8：00AM報(bào)警。當(dāng)把EHRn、EMNn使能位置“1”，并把HRAn、MNAn報(bào)警寄存器置為9：15PM時(shí)，即把X1228設(shè)置為每天9：15PM報(bào)警。設(shè)置EMOn，并結(jié)合其它使能位和特定的報(bào)警時(shí)間，用戶可以把X1228設(shè)置為每年同樣的時(shí)間報(bào)警。控制寄存器INT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(bào)警中斷信號(hào)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

地址 名稱 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 范圍 003FH SR BAT AL1 AL0 0 0 RWEL WEL RTCF 　 0037H Y2K 0 0 Y2K21 Y2K20 Y2K13 0 0 Y2K10 19/20 0036H DW 0 0 0 0 0 DY2 DY1 DY0 0～6 0035H YR Y23 Y22 Y21 Y20 Y13 Y12 Y11 Y10 0～99 0034H MO 0 0 0 G20 G3 G12 G11 G10 1～12 0033H DT 0 0 D21 D20 D13 D12 D11 D10 1～31 0032H HR T24 0 H21 H20 H13 H12 H11 H10 0～23 0031H MN 0 M22 M21 M20 M13 M12 M11 M10 0～59 0030H SC 0 S22 S21 S20 S13 S12 S11 S10 0～59 0013H DTR 0 0 0 0 0 DTR2 DTR1 DTR0 　 0012H ATR 0 0 ATR5 ATR4 ATR3 ATR2 ATR1 ATR0 　 0011H INT IM AL1E AL0E F01 F00 X X X 　 0010H BL BP2 BP1 BP0 WD1 WD0 0 0 0 　 000FH Y2K1 0 0 A1Y2K21 A1Y2K20 A1Y2K13 0 0 A1Y2K10 19/20 000EH DWA1 EDW1 0 0 0 0 DY2 DY1 DY0 0～6 000DH 未使用，默認(rèn)為RTC年字節(jié)（YR） 000CH MOA1 EMO1 0 0 A1G20 A1G13 A1G12 A1G11 A1G10 1～12 000BH DTA1 EDT1 0 A1D21 A1D20 A1D13 A1D12 A1D11 A1D10 1～31 000AH HRA1 EHR1 0 A1H21 A1H20 A1H13 A1H12 A1H11 A1H10 0～23 0009H MNA1 EMN1 A1M22 A1M21 A1M20 A1M13 A1M12 A1M11 A1M10 0～59 0008H SCA1 ESC1 A1S22 A1S21 A1S20 A1S13 A1S12 A1S11 A1S10 0～59 0007H Y2K0 0 0 A0Y2K21 A0Y2K20 A0Y2K13 0 0 A0Y2K10 19/20 0006H DWA0 EDW0 0 0 0 0 DY2 DY1 DY0 0～6 0005H 未使用，默認(rèn)為RTC年字節(jié)（YR） 0004H MOA0 EMO0 0 0 A0G20 A0G13 A0G12 A0G11 A0G10 1～12 0003H DTA0 EDT0 0 A0D21 A0D20 A0D13 A0D12 A0D11 A0D10 1～31 0002H HRA0 EHR0 0 A0H21 A0H20 A0M13 A0D12 A0D11 A0M10 0～23 0001H MNA0 EMN0 A0M22 A0M21 A0M20 A0M13 A0M12 A0M11 A0M10 0～59 0000H SCA0 ESC0 A0S22 A0S21 A0S20 A0S13 A0S12 A0S11 A0S10 0～59

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(fù)位；位AL1、AL0為報(bào)警指示位，“1”為發(fā)生報(bào)警，狀態(tài)寄存器讀操作復(fù)位讀標(biāo)志；位RWEL為寄存器寫使能鎖存，位WEL為寫使能鎖存，上電時(shí)均為“0”，禁止?fàn)顟B(tài)。注意：要對(duì)CCR或存儲(chǔ)器進(jìn)行任何非易失性寫操作，須首先寫“02H”至SR，將WEL位置“1”，其次寫“06H”至SR，將RWEL和WEL都置“1”，然后才能寫實(shí)際數(shù)據(jù)到CCR或存儲(chǔ)器。

1.2 復(fù)位監(jiān)控電路與看門狗定時(shí)器

X1228電源控制電路接收從Vcc和VBACK引腳輸入的電源，當(dāng)Vcc<VBACK-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(fù)位門限值250ms后，RESET腳產(chǎn)生一個(gè)200ms的低電平脈沖為系統(tǒng)提供復(fù)位信號(hào)。X1228內(nèi)部有一個(gè)檢測(cè)預(yù)置門限電壓的比較器監(jiān)視Vcc引腳上的電壓，當(dāng)發(fā)生電源失效時(shí)，在RESET腳發(fā)出一個(gè)復(fù)位脈沖。注意：當(dāng)產(chǎn)生復(fù)位脈沖時(shí)，正在進(jìn)行的任何非易失性寫操作不受影響，繼續(xù)操作直到完成。

看門狗定時(shí)器可通過(guò)向BL寄存器中WD1、WD0這兩位的“寫入”，設(shè)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狗啟動(dòng)時(shí)，必須在規(guī)定間隔內(nèi)對(duì)它進(jìn)行刷新，方法是在SCL線為高時(shí)SDA線產(chǎn)生下降沿。如果看門狗在規(guī)定間隔內(nèi)沒(méi)有被刷新，則RESET腳變?yōu)橛行�。注意：如果使用開始條件來(lái)刷新看門狗定時(shí)器，必須跟著一個(gè)結(jié)束條件以復(fù)位X1228。

1.3 存儲(chǔ)器訪問(wèn)

X1228支持I2C總線協(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(hào)；SDA為串行數(shù)據(jù)輸入輸出，P3.5與SDA相連以實(shí)現(xiàn)AT89C51與X1229的數(shù)據(jù)通信。X1228工作在中斷方式，由IRO引腳定時(shí)發(fā)出中斷信號(hào)，作為AT89C51 INT1的輸入信號(hào)。

主器件在發(fā)出開始條件后必須接著輸出一個(gè)地址字節(jié)。從地址字節(jié)的高4位是標(biāo)識(shí)位，規(guī)定了訪問(wèn)E2PROM陣列還是訪問(wèn)CCR，“1010”表示訪問(wèn)E2PROM陣列，“1101”表示訪問(wèn)CCR；從地址字節(jié)的位3～位1是選擇位（I2C器件級(jí)聯(lián)時(shí)使用），X1228這3位總是“111”；從地址字節(jié)的最后一位R/W位定義操作類型。

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

對(duì)X1228存儲(chǔ)器的訪問(wèn)有隨機(jī)讀、順序讀、當(dāng)前地址讀和字節(jié)寫、頁(yè)寫等，其操作均與標(biāo)準(zhǔn)I2C總線器件相同，在此不作重述。

2 X1228在電源控制器中的應(yīng)用

為了充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，讓學(xué)生能夠自主選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與時(shí)間，從而激發(fā)學(xué)生積極參與科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(kuò)招對(duì)實(shí)驗(yàn)室的壓力，實(shí)現(xiàn)高校部分實(shí)驗(yàn)室的開放式管理勢(shì)在必行。我們研制的開放式實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，再配上有經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)教師精心制作的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件，為實(shí)驗(yàn)室的無(wú)人值守化管理提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。該開放式實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)由一個(gè)管理中心和一個(gè)門禁控制器及若干個(gè)實(shí)驗(yàn)組電源控制器組成，系統(tǒng)框圖如圖3所示。學(xué)生進(jìn)入開放式實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，必須先刷卡，得到允許后方可進(jìn)入。若實(shí)驗(yàn)時(shí)間超過(guò)預(yù)定時(shí)間（前10分鐘發(fā)提示警告信息），則實(shí)驗(yàn)組儀器設(shè)備的供電會(huì)自動(dòng)切斷。

管理中心由1臺(tái)計(jì)算機(jī)、報(bào)表打印機(jī)和管理軟件組成。完成的功能有：①IC卡的發(fā)放、實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備配置情況和實(shí)驗(yàn)安排情況預(yù)置；②通過(guò)門禁控制器獲取實(shí)驗(yàn)學(xué)生的有關(guān)信息，根據(jù)存儲(chǔ)在機(jī)內(nèi)的儀器設(shè)備使用配置情況及預(yù)置的實(shí)驗(yàn)安排情況，決策該學(xué)生當(dāng)前是否能參與實(shí)驗(yàn)并分配實(shí)驗(yàn)組號(hào)；③向門禁控制器回發(fā)信息；④若允許學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，則發(fā)指令至相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)組電源控制器，以便及時(shí)為該組儀器設(shè)備供電；⑤對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間、儀器設(shè)備使用情況進(jìn)行存儲(chǔ)管理，為實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師掌握學(xué)生實(shí)驗(yàn)情、實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員進(jìn)行儀器設(shè)備的維護(hù)維修提供依據(jù)；⑥各種報(bào)表輸出。

門禁控制器主要負(fù)責(zé)：①對(duì)學(xué)生所持有的IC卡刷卡，以獲取與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的信息，通過(guò)RS485總線傳輸至上位機(jī)，以決定是否允許該學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室；②接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的允許否信息，通過(guò)LCD顯示器顯示并執(zhí)行；③學(xué)生實(shí)驗(yàn)完畢，需再次刷卡，并通過(guò)門禁控制器所攜帶的小鍵盤，對(duì)實(shí)驗(yàn)組儀器則認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未完成，需重做。

實(shí)驗(yàn)組電源控制器主要是接收上位機(jī)指令，控制每個(gè)實(shí)驗(yàn)組儀器設(shè)備的供電情況，并在預(yù)定實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)間的前10分鐘向?qū)W生發(fā)提示報(bào)警信息。

在實(shí)驗(yàn)組電源控制器中，我們采用了AT89C51單片機(jī)控制實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片X1228（如圖2）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)組儀器設(shè)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(jié)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(jié)BCD碼，寫入X1228的RTC寄存器，對(duì)X1228進(jìn)行校時(shí)；從串行口接收8字節(jié)寫入Alarm0來(lái)設(shè)置X1228的報(bào)警輸出，在單片機(jī)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(yù)定實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)間的前10分鐘向?qū)W生發(fā)提示報(bào)警信息；實(shí)驗(yàn)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(jī)與電源控制器之間采用MAX3082構(gòu)成的RS485總線進(jìn)行通信。因總線上允許最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為256個(gè)，故完全能滿足實(shí)際應(yīng)用需要。

結(jié)語(yǔ)

在開放式實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的電源控制器中，由于采用了I2C總線的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片X1228，它集成時(shí)時(shí)鐘、報(bào)警輸出、電源監(jiān)控和看門狗定時(shí)器于一體，從而大大減小了系統(tǒng)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(yīng)用地需要進(jìn)行定時(shí)開關(guān)機(jī)的家用電器中。

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