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基于實時時鐘芯片X1227的電源控制器設(shè)計
摘要：介紹多功能實時時鐘芯片X1228的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能、特點以及在開放式實驗室管理系統(tǒng)中電源控制器部分的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：實時時鐘 I2C接口 單片機(jī) 電源控制器
引言
X1228是美國XICOR公司最新推出的實時時鐘（RTC）芯片。與其它RTC芯片相比，X1228除有基本的時鐘和報警功能外，還有4K位E2PROM存儲器和復(fù)位輸出、電壓監(jiān)控、看門狗定時、頻率輸出等功能。
X1228可以準(zhǔn)確地用秒、分、時、日、星期、月、年來顯示時間和日期，具有世紀(jì)字節(jié)，解決了兩千年問題，自動實現(xiàn)閏年調(diào)整；有2路報警，可設(shè)置為按秒、分、時、日、月和星期任意組合的定時報警；還有1個可編程的頻率輸出引腳（PHZ），用于輸出一個固定頻率的方波信號；內(nèi)部的4K位E2PROM存儲器，可用于存儲用戶的設(shè)置參數(shù)或其它數(shù)據(jù)，其內(nèi)容在電源失效時不會丟失；采用I2C總線與單片機(jī)接口，一次可傳送多個字節(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)測電源電壓，并能在上電和掉電時輸出復(fù)位信號，片內(nèi)的看門狗定時器可編程為3個超時時間和關(guān)閉，還提供一個備用電源輸入引腳（VBACK），接一電池作為備用電源，可在主電源（VCC）失效時保證芯片正常工作和時鐘的連續(xù)運(yùn)行。X1228因其計時準(zhǔn)確、體積小、功能強(qiáng)，且與單片機(jī)接口方便、性價比高，在我們研制的開放式實驗室管理系統(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
實時時鐘芯片X1228的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，按功能基本分為實時時鐘及報警、存儲器和復(fù)位監(jiān)控電路3個主要部分。
1.1 實時時鐘及報警
X1228對時鐘和報警的訪問和設(shè)置都是通過時鐘/控制寄存器CCR來實現(xiàn)的。CCR分為五個部分：
①報警寄存器0（Alarm 0）為8字節(jié)，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(jié)，地址0008～000FH，非易失性E2PROM存儲器；
③控制寄存器（Control）為4字節(jié)，地址0010H～0013H，非易失性E2PROM存儲器；
④實時時鐘（RTC）為8字節(jié)，地址0030H～0037H，易失性RAM存儲器；
⑤狀態(tài)寄存器（Status）為1字節(jié)，地址為003FH，易失性RAM存儲器。
實時時鐘（RTC）外部僅使用1個32.768kHz晶體來保持年、月、星期、日、時、分和秒的精確的內(nèi)部表示。啟動讀命令并指定對應(yīng)于RTC寄存器的地址可以讀RTC，也可以通過寫RTC寄存器來設(shè)置時間和日期。模擬微調(diào)寄存器ATR（低6位）用來調(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）用來調(diào)整RTC的誤差，達(dá)到長時間的高精度。
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兩組報警寄存器的結(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）。通過使能位和實時寄存器的設(shè)置，可以確定報警時間。例如：在表1中，通過把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(shè)置為每星期三8：00AM報警。當(dāng)把EHRn、EMNn使能位置“1”，并把HRAn、MNAn報警寄存器置為9：15PM時，即把X1228設(shè)置為每天9：15PM報警。設(shè)置EMOn，并結(jié)合其它使能位和特定的報警時間，用戶可以把X1228設(shè)置為每年同樣的時間報警。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，用來選擇PHZ引腳上的振蕩頻率輸出。
表1 時鐘/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(fù)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(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，上電時均為“0”，禁止?fàn)顟B(tài)。注意：要對CCR或存儲器進(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”，然后才能寫實際數(shù)據(jù)到CCR或存儲器。
1.2 復(fù)位監(jiān)控電路與看門狗定時器
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，電源控制電路將電源自動切換至VBACK。上電時，在Vcc超過復(fù)位門限值250ms后，RESET腳產(chǎn)生一個200ms的低電平脈沖為系統(tǒng)提供復(fù)位信號。X1228內(nèi)部有一個檢測預(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，在RESET腳發(fā)出一個復(fù)位脈沖。注意：當(dāng)產(chǎn)生復(fù)位脈沖時，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。
看門狗定時器可通過向BL寄存器中WD1、WD0這兩位的“寫入”，設(shè)置為3種不同超時間隔或不工作，“00”為1.75s，“01”為750ms，“10”為250ms，“11”為不工作�？撮T狗啟動時，必須在規(guī)定間隔內(nèi)對它進(jìn)行刷新，方法是在SCL線為高時SDA線產(chǎn)生下降沿。如果看門狗在規(guī)定間隔內(nèi)沒有被刷新，則RESET腳變?yōu)橛行АＷ⒁猓喝绻褂瞄_始條件來刷新看門狗定時器，必須跟著一個結(jié)束條件以復(fù)位X1228。
1.3 存儲器訪問
X1228支持I2C總線協(xié)議，與CPU的連接很簡單。如圖2所示，AT89C51為主器件，X1228為從器件。SCL為串行移位時鐘輸入，P3.4接SCL模擬時鐘信號；SDA為串行數(shù)據(jù)輸入輸出，P3.5與SDA相連以實現(xiàn)AT89C51與X1229的數(shù)據(jù)通信。X1228工作在中斷方式，由IRO引腳定時發(fā)出中斷信號，作為AT89C51 INT1的輸入信號。
主器件在發(fā)出開始條件后必須接著輸出一個地址字節(jié)。從地址字節(jié)的高4位是標(biāo)識位，規(guī)定了訪問E2PROM陣列還是訪問CCR，“1010”表示訪問E2PROM陣列，“1101”表示訪問CCR；從地址字節(jié)的位3～位1是選擇位（I2C器件級聯(lián)時使用），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存儲器陣列中哪些塊是寫保護(hù)的，“000”表示“無寫保護(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）寫保護(hù)，“101”表示地址0000H～007FH（前2頁）寫保護(hù)，“110”表示地址0000H～00FFH（前4頁）寫保護(hù)，“111”表示地址0000H～01FFH（前8頁）寫保護(hù)。
對X1228存儲器的訪問有隨機(jī)讀、順序讀、當(dāng)前地址讀和字節(jié)寫、頁寫等，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
為了充分利用實驗室資源，讓學(xué)生能夠自主選擇實驗內(nèi)容與時間，從而激發(fā)學(xué)生積極參與科學(xué)實驗的興趣，提高分析問題、解決問題的能力，同時也為了緩解近年來高校擴(kuò)招對實驗室的壓力，實現(xiàn)高校部分實驗室的開放式管理勢在必行。我們研制的開放式實驗室管理系統(tǒng)，再配上有經(jīng)驗的指導(dǎo)教師精心制作的實驗教學(xué)課件，為實驗室的無人值守化管理提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。該開放式實驗室管理系統(tǒng)由一個管理中心和一個門禁控制器及若干個實驗組電源控制器組成，系統(tǒng)框圖如圖3所示。學(xué)生進(jìn)入開放式實驗室做實驗，必須先刷卡，得到允許后方可進(jìn)入。若實驗時間超過預(yù)定時間（前10分鐘發(fā)提示警告信息），則實驗組儀器設(shè)備的供電會自動切斷。
管理中心由1臺計算機(jī)、報表打印機(jī)和管理軟件組成。完成的功能有：①IC卡的發(fā)放、實驗室儀器設(shè)備配置情況和實驗安排情況預(yù)置；②通過門禁控制器獲取實驗學(xué)生的有關(guān)信息，根據(jù)存儲在機(jī)內(nèi)的儀器設(shè)備使用配置情況及預(yù)置的實驗安排情況，決策該學(xué)生當(dāng)前是否能參與實驗并分配實驗組號；③向門禁控制器回發(fā)信息；④若允許學(xué)生進(jìn)入實驗室，則發(fā)指令至相應(yīng)的實驗組電源控制器，以便及時為該組儀器設(shè)備供電；⑤對學(xué)生實驗時間、儀器設(shè)備使用情況進(jìn)行存儲管理，為實驗指導(dǎo)教師掌握學(xué)生實驗情、實驗技術(shù)人員進(jìn)行儀器設(shè)備的維護(hù)維修提供依據(jù)；⑥各種報表輸出。
門禁控制器主要負(fù)責(zé)：①對學(xué)生所持有的IC卡刷卡，以獲取與實驗有關(guān)的信息，通過RS485總線傳輸至上位機(jī)，以決定是否允許該學(xué)生進(jìn)入實驗室；②接收上位機(jī)發(fā)來的允許否信息，通過LCD顯示器顯示并執(zhí)行；③學(xué)生實驗完畢，需再次刷卡，并通過門禁控制器所攜帶的小鍵盤，對實驗組儀器則認(rèn)為該實驗在規(guī)定時間內(nèi)未完成，需重做。
實驗組電源控制器主要是接收上位機(jī)指令，控制每個實驗組儀器設(shè)備的供電情況，并在預(yù)定實驗結(jié)束時間的前10分鐘向?qū)W生發(fā)提示報警信息。
在實驗組電源控制器中，我們采用了AT89C51單片機(jī)控制實時時鐘芯片X1228（如圖2）來實現(xiàn)對每個實驗組儀器設(shè)備的供電情況定時控制，采用OCMJ2X8的LCD顯示模塊顯示實時時間。AT89C51從串行口接收來自PC的2字節(jié)命令，由P1.5輸出高電平，通過一只固態(tài)繼電器（SSR）SAP4010來接通220V交流供電電路；接收8字節(jié)BCD碼，寫入X1228的RTC寄存器，對X1228進(jìn)行校時；從串行口接收8字節(jié)寫入Alarm0來設(shè)置X1228的報警輸出，在單片機(jī)的外中斷1服務(wù)程序中，通過P3.2口接的1只有源訊響器，在預(yù)定實驗結(jié)束時間的前10分鐘向?qū)W生發(fā)提示報警信息；實驗時間到，P1.5輸出高電平，通過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)點數(shù)為256個，故完全能滿足實際應(yīng)用需要。
結(jié)語
在開放式實驗室管理系統(tǒng)的電源控制器中，由于采用了I2C總線的實時時鐘芯片X1228，它集成時時鐘、報警輸出、電源監(jiān)控和看門狗定時器于一體，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)行定時開關(guān)機(jī)的家用電器中。
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