基于實時時鐘芯片X1227的電源控制器設計

摘要：介紹多功能實時時鐘芯片X1228的內部結構、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用。

    關鍵詞：實時時鐘 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存儲器和復位輸出、電壓監(jiān)控、看門狗定時、頻率輸出等功能。

X1228可以準確地用秒、分、時、日、星期、月、年來顯示時間和日期，具有世紀字節(jié)，解決了兩千年問題，自動實現(xiàn)閏年調整；有2路報警，可設置為按秒、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；內部的4K位E2PROM存儲器，可用于存儲用戶的設置參數(shù)或其它數(shù)據(jù)，其內容在電源失效時不會丟失；采用I2C總線與單片機接口，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位信號，片內的看門狗定時器可編程為3個超時時間和關閉，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)運行。X1228因其計時準確、體積小、功能強，且與單片機接口方便、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用。

圖1 X1228內部結構框圖

1 X1228的內部結構及工作原理

實時時鐘芯片X1228的內部結構如圖1所示，按功能基本分為實時時鐘及報警、存儲器和復位監(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、分和秒的精確的內部表示。啟動讀命令并指定對應于RTC寄存器的地址可以讀RTC，也可以通過寫RTC寄存器來設置時間和日期。模擬微調寄存器ATR（低6位）用來調整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(shù)字微調寄存器DTR（低3位）用來調整RTC的誤差，達到長時間的高精度。
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    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）。通過使能位和實時寄存器的設置，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，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間，用戶可以把X1228設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

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為寄存器寫使能鎖存，位WEL為寫使能鎖存，上電時均為“0”，禁止狀態(tài)。注意：要對CCR或存儲器進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超過復位門限值250ms后，RESET腳產生一個200ms的低電平脈沖為系統(tǒng)提供復位信號。X1228內部有一個檢測預置門限電壓的比較器監(jiān)視Vcc引腳上的電壓，當發(fā)生電源失效時，在RESET腳發(fā)出一個復位脈沖。注意：當產生復位脈沖時，正在進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)定間隔內對它進行刷新，方法是在SCL線為高時SDA線產生下降沿。如果看門狗在規(guī)定間隔內沒有被刷新，則RESET腳變?yōu)橛行АＷ⒁猓喝绻�使用開始條件來刷新看門狗定時器，必須跟著一個結束條件以復位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的，“000”表示“無寫保護”，“001”表示地址0180H～01FFH寫保護，“010”表示地址0100H～01FFH寫保護，“011”表示“全地址寫保護”，“100”表示地址0000H～003FH（第1頁）寫保護，“101”表示地址0000H～007FH（前2頁）寫保護，“110”表示地址0000H～00FFH（前4頁）寫保護，“111”表示地址0000H～01FFH（前8頁）寫保護。

對X1228存儲器的訪問有隨機讀、順序讀、當前地址讀和字節(jié)寫、頁寫等，其操作均與標準I2C總線器件相同，在此不作重述。

2 X1228在電源控制器中的應用

為了充分利用實驗室資源，讓學生能夠自主選擇實驗內容與時間，從而激發(fā)學生積極參與科學實驗的興趣，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)，再配上有經驗的指導教師精心制作的實驗教學課件，為實驗室的無人值守化管理提供了物質基礎。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。學生進入開放式實驗室做實驗，必須先刷卡，得到允許后方可進入。若實驗時間超過預定時間（前10分鐘發(fā)提示警告信息），則實驗組儀器設備的供電會自動切斷。

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：①IC卡的發(fā)放、實驗室儀器設備配置情況和實驗安排情況預置；②通過門禁控制器獲取實驗學生的有關信息，根據(jù)存儲在機內的儀器設備使用配置情況及預置的實驗安排情況，決策該學生當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若允許學生進入實驗室，則發(fā)指令至相應的實驗組電源控制器，以便及時為該組儀器設備供電；⑤對學生實驗時間、儀器設備使用情況進行存儲管理，為實驗指導教師掌握學生實驗情、實驗技術人員進行儀器設備的維護維修提供依據(jù)；⑥各種報表輸出。

門禁控制器主要負責：①對學生所持有的IC卡刷卡，以獲取與實驗有關的信息，通過RS485總線傳輸至上位機，以決定是否允許該學生進入實驗室；②接收上位機發(fā)來的允許否信息，通過LCD顯示器顯示并執(zhí)行；③學生實驗完畢，需再次刷卡，并通過門禁控制器所攜帶的小鍵盤，對實驗組儀器則認為該實驗在規(guī)定時間內未完成，需重做。

實驗組電源控制器主要是接收上位機指令，控制每個實驗組儀器設備的供電情況，并在預定實驗結束時間的前10分鐘向學生發(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進行校時；從串行口接收8字節(jié)寫入Alarm0來設置X1228的報警輸出，在單片機的外中斷1服務程序中，通過P3.2口接的1只有源訊響器，在預定實驗結束時間的前10分鐘向學生發(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。管理中心上位機與電源控制器之間采用MAX3082構成的RS485總線進行通信。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用需要。

結語

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，也可廣泛地應用地需要進行定時開關機的家用電器中。

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