基于IIC1.0的時(shí)鐘芯片應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞：單片機(jī) 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 虛擬I2C總線
實(shí)時(shí)時(shí)鐘是微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。美國Xicor公司推出的串行接口實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片X1203提供備用電源輸入引腳，使器件能用非可重新充電電池任務(wù)用電源。該芯片以其體積小、功耗低、使用簡單、接口容易、與單片機(jī)連線少為主要特點(diǎn)，同時(shí)具有較高的精度，能很好滿足微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的求。下面具體介紹該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作特性、與51系列單片機(jī)接口設(shè)計(jì)實(shí)例以及如何利用虛擬I2C總線軟件包VIIC來設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片X1203的應(yīng)用程序。
1 X1203內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作特性
X1203是帶時(shí)鐘、日歷和2個(gè)鬧鐘報(bào)警的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。雙端口時(shí)鐘和報(bào)警寄存器使時(shí)鐘即使在讀寫操作期間也能精確地工作，時(shí)鐘/日歷提供了可通過一組寄存器進(jìn)行控制和讀出的功能；時(shí)鐘使用32.768kHz晶體輸入，以秒、分、時(shí)、日、星期、月和年為單位跟蹤時(shí)間，具有閏年校正，并能對(duì)小于31天的月自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整；2個(gè)鬧鐘（報(bào)警）即中斷輸出，輸出脈沖重復(fù)率可以從1次/min～1次/年，支持I2C總線的2線接口，具有400kHz的數(shù)據(jù)傳送速率和內(nèi)部切換電路的輔助電源輸入端，可靠性高，電源電壓從2.5～6V實(shí)時(shí)時(shí)鐘均能正常工作。
X1203的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，由電源控制、振蕩器、分頻器、時(shí)鐘控制寄存器（CCR）、控制邏輯電路、移位寄存器等組成。
1.1 X1203的封裝形式和引腳說明
X1203有8引腳SOIC和8引腳TSSOP 2種封裝形式，引腳排列如圖2所示。
SCL：串行時(shí)鐘引腳，用于使所有數(shù)據(jù)隨時(shí)鐘同步輸入器件和從器件輸出。此引腳上的輸入緩沖器總是激活的（不選通）。
SDA：串行數(shù)據(jù)引腳，用于把數(shù)據(jù)送入器件和從器件送出數(shù)據(jù)。它具有漏極開路的輸出，可以與其它漏極開路或集電極開路輸出端進(jìn)行線“或”。輸入緩沖器總是激活（不選通）。漏極開路輸出要求使用上拉電阻。
VBACK：備用電源引腳，向器件提供備用電源電壓，在VCC電源出現(xiàn)故障時(shí)向器件提供電源。
IRQ：中斷信號(hào)輸出引腳。引信號(hào)通知處理器，報(bào)警已發(fā)生并請(qǐng)求動(dòng)作，是漏極開路的低電平有效輸出端。
X1、X2：反向放大器的輸入和輸出端引腳，可以在X1端接受外部32.768kHz的方波基準(zhǔn)或配置為片內(nèi)振蕩器。
電源控制電路由引腳Vcc和引腳VBACK輸入，當(dāng)Vcc<VBACK-0.2V時(shí)，電源控制電路切換到VBACK，當(dāng)VCC超過VBACK時(shí)，它將切換回到VCC。
1.2 時(shí)鐘/控制寄存器（CCR）
時(shí)鐘/控制寄存器（CCR）分為5個(gè)部分：
①報(bào)警寄存器0（Alarm0）為8字節(jié)，字節(jié)地址為0000H～0007H；
②報(bào)警寄存器1（Alarm1）為8字節(jié)，字節(jié)地址為0008H～000FH；
③控制寄存器（Control）為1字節(jié)，字節(jié)地址為0011H；
④實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）為8字節(jié)，字節(jié)地址為0030H～0037H；
⑤狀態(tài)寄存器（Status）為1字節(jié)，字節(jié)地址為0003FH；
其中①～③為非易失性的E2PROM，而④、⑤為易失性的SRAM。CCR的映像如表1所列。
表1 CCR映像
| 地址 | 名稱 | D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 | 范圍 |
| 00FH | 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 | G13 | 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 |
| 0011H | INT | IM | AL1E | AL0E | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| 000FH | 未用 | |||||||||
| 000EH | DWA1 | EDW1 | 0 | 0 | 0 | 0 | DY2 | DY1 | DY0 | 0～6 |
| 000DH | 未用缺省=RTC年值 | |||||||||
| 000CH | MOA1 | EMO1 | 0 | 0 | A1G20 | A1G13 | A1G12 | A1G11 | A1G10 | 1～12 |
| 000BH | DTA1 | EDT1 | 0 | A1D21 | A1D20 | A1D13 | A1D12 | A1D11 | A1D10 | 0～31 |
| 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 | 未用 | |||||||||
| 0006H | DWA0 | EDW0 | 0 | 0 | 0 | 0 | DY2 | DY1 | DY0 | 0～6 |
| 0005H | 未用缺省=RTC年值 | |||||||||
| 0004H | MOA0 | EMO0 | 0 | 0 | A0G20 | A0G13 | A0G12 | A0G11 | A0G10 | 1～12 |
| 0003H | DTA0 | EDT0 | 0 | A0D21 | A0D20 | A0D13 | A0D12 | A0D11 | A0D10 | 0～31 |
| 0002H | HRA0 | EHR0 | 0 | A0H21 | A0H20 | A0H13 | A0H12 | A0H11 | A0H10 | 0～23 |
| 0001H | MNA0 | EMN0 | A0M22 | A0M21 | A0M20 | A0M13 | A0M12 | A0M11 | A0H10 | 0～59 |
| 0000H | SCA0 | ESC0 | A0S22 | A0S21 | A0S20 | A0S13 | A0S12 | A0S11 | A0S10 | 0～59 |
實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）使用外部32.768kHz石英晶體來保持年、月、日、時(shí)、分和秒的精確的內(nèi)部表示。RTC具有閏年校正和世紀(jì)字節(jié)。上電后，直到至少有1字節(jié)寫入RTC寄存器時(shí)，時(shí)鐘才開始計(jì)數(shù)。啟動(dòng)讀命令并指定對(duì)應(yīng)于實(shí)時(shí)時(shí)鐘（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(shí)間和日期。2個(gè)報(bào)警寄存器，其內(nèi)容模仿RTC的內(nèi)容，只是增加了使能位并去除了24小時(shí)時(shí)間選擇位。通過使能位和實(shí)時(shí)寄存器的設(shè)置，可以確定報(bào)警時(shí)間。
控制寄存器中位IM為方式控制位。
①IM=0（正常方式）。RTC與Alarm0寄存器設(shè)置的內(nèi)容匹配時(shí)，將自動(dòng)置位狀態(tài)寄存器的AL0位。如果控制寄存器的AL0E位也為“1”，則輸出IRQ信號(hào)將變?yōu)橛行?；如果AL0E為“0”，則AL0位被置位，IRQ信號(hào)保持不變。RTC與Alarm1寄存器設(shè)置的內(nèi)容匹配時(shí)自動(dòng)置位AL1位。如果AL1E也為“1”，則輸出IRQ信號(hào)將變?yōu)橛行?；如果AL1E為“0”，則AL1位被復(fù)位，IRQ信號(hào)保持不變。
②IM=1（脈沖中斷方式）。此方式不使用位AL0E和AL1E，Alarm1的工作如前，RTC與Alarm1寄存器設(shè)置的內(nèi)容匹配時(shí)將自動(dòng)置位AL1位，機(jī)必須通過查詢AL1位以決定是否發(fā)生了報(bào)警。Alarm0提供輸出響應(yīng)，RTC與Alarm0寄存器設(shè)置的內(nèi)容匹配時(shí)，輸出IRQ脈沖1次，脈沖寬度約為30ms。所有的Alarm0寄存器使能選項(xiàng)均可使用，從而實(shí)現(xiàn)非常靈活的長時(shí)間循環(huán)觸發(fā)器。
1.3 串行通信接口
X1203支持I2C總線接口。I2C總線是一個(gè)十分完善的多主系統(tǒng)總線，總線上可以掛接多個(gè)MCU，因此有4種工作方式：主發(fā)送、主接收、從發(fā)送、從接收。
下面介紹的單個(gè)MCU系統(tǒng)，只用到I2C總線的主方式，即主發(fā)送與主接收。目前，帶有I2C總線接口的MCU只有少數(shù)廠家的個(gè)別產(chǎn)品，運(yùn)用單片機(jī)的通用I/O口來虛擬I2C總線接口，可以很好地解決與X01203的接口問題。圖3為X1203與51系列單片機(jī)的接口。X1203的SCL為串行移位時(shí)鐘輸入，P3.6與SCL相連以產(chǎn)生模擬時(shí)鐘信號(hào)；SDA為串行數(shù)據(jù)輸入輸出，P2.7與SDA相連以實(shí)現(xiàn)主器件51系列單片機(jī)與從器件X1203的數(shù)據(jù)通信。
51系列單片機(jī)對(duì)X1203有讀寫兩種操作。寫操作包括字節(jié)寫和頁寫（1次寫8字節(jié)連續(xù)地址單元），讀操作包括當(dāng)前地址讀、隨機(jī)地址讀和順序讀。具體格式如圖4所示。順序讀以當(dāng)前地址讀或隨機(jī)地址讀啟動(dòng)，但主器件接收到第1個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后不是結(jié)束讀周期，而是以應(yīng)答做出響應(yīng)。這時(shí)讀操作的地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)增量，允許在1次操作期間內(nèi)順序讀出整個(gè)存儲(chǔ)的內(nèi)容。
2 運(yùn)用虛擬I2C總線軟件包VIIC設(shè)計(jì)時(shí)鐘芯片X1203的應(yīng)用程序
由于I2C總線協(xié)議的復(fù)雜性和操作管理的特殊性，在擴(kuò)展I2C外圍器件時(shí)，如果還要在了解I2C總線協(xié)議、操作原理的基礎(chǔ)上，采用直接方式進(jìn)行I2C總線外圍器件的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，就會(huì)使得I2C總線應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)難度很大，也使I2C總線推廣應(yīng)用較慢。因此，迫切需要推出I2C總線的應(yīng)用軟件平臺(tái)，使大家不必了解I2C總線就能設(shè)計(jì)I2C總線應(yīng)用程序。下面介紹如何運(yùn)用虛擬I2C總線軟件包VIIC 1.0來設(shè)計(jì)時(shí)鐘芯片X1203的應(yīng)用程序。
軟件包VIIC實(shí)現(xiàn)非介入性操作，接口界面是軟件包應(yīng)用時(shí)唯一的觸及面。VIIC1.0的接口界面為數(shù)據(jù)讀寫子程序RDNBYT/WRNBYT，因此RDNBYT/WRNBYT的調(diào)用操作命令，以及滿足調(diào)用操作的初始化操作3的條命令為VIIC的應(yīng)用界面，即：
MOV SLA，#SLAR/SLAW ；總線上節(jié)點(diǎn)尋址并確定傳送方向
MOV NUMBYT，#N ；確定傳送字節(jié)數(shù)N
LCALL RDNBYT/WRNBYT； 讀/寫操作調(diào)用
2.1 設(shè)定時(shí)鐘芯片當(dāng)前值
將時(shí)鐘芯片當(dāng)前值設(shè)定為2002、3、20、星期三、18：28：38
①將VIIC1.0裝入程序存儲(chǔ)器中。
②根據(jù)硬件電路及資源分配，將VIIC1.0中的符號(hào)單元賦值如下：
VSDA EQU P3.7 ；用P3.7虛擬SDA
VSCL EQU P3.6 ；用P3.6虛擬SCL
SLA EQU 60H ；60H為尋址字節(jié)存放單元
NUMBYT EQU 61H ；61H為傳送字節(jié)數(shù)據(jù)存放單元
MTD EQU 40H ；40H為發(fā)送緩沖區(qū)首地址
MRT EQU 50H ；50H為接收緩沖區(qū)首地址
③設(shè)定時(shí)鐘芯片當(dāng)前值子程序設(shè)計(jì)。設(shè)時(shí)鐘芯片當(dāng)前值設(shè)定子程序名為SJSD。SJSD的程序清單如下：
VSDA EQU P3.7
VSCL EQU P3.6
SLA EQU 60H
NUMBYT EQU 61H
MTD EQU 40H
SJSD:MOV 40H,#00H ;將狀態(tài)寄存器的高位地址、
MOV 41H，#3FH ；低位地址以及要寫入狀態(tài)
MOV 42H，#02H ；寄存器的值依次裝入發(fā)送緩沖區(qū)
MOV SLA，#0DEH ；尋址時(shí)鐘芯片X1203并為發(fā)送狀態(tài)
MOV NUMBYT，#03H ；確定發(fā)送字節(jié)數(shù)
LCALL WRNBYT ；調(diào)用VIIC1.0是N全字節(jié)寫入子程序
MOV 40H，#00H ；將狀態(tài)寄存器的高位地址、
MOV 41H，#3FH ；低位地址以及要寫入狀態(tài)
MOV 42H，#06H ；寄存器的值依次裝入發(fā)送緩沖區(qū)
MOV SLA，#0DEH ；尋址時(shí)鐘芯片X1203并為發(fā)送狀態(tài)
MOV NUMBYT，#03H ；確定發(fā)送字節(jié)數(shù)
LCALL WRNBYT ；調(diào)用VIIC1.0中N個(gè)字節(jié)寫入子程序
MOV 40H，#00H ；將RTC寄存器組的“秒”寄
MOV 41H，#30H ：存器的高位地址、低位地址
MOV 42H，#38H ；以及待設(shè)定的時(shí)間參數(shù)依
MOV 43H，#28H ；次裝入發(fā)送緩沖區(qū)
MOV 44H，#98H
MOV 45H，#20H
MOV 46H，#03H
MOV 47H，#02H
MOV 48H，#03H
MOV 49H，#20H
MOV SLA，#0DEH；尋址時(shí)鐘芯片X1203并為發(fā)送狀態(tài)
MOV NUMBYT，#0AH ；確定發(fā)送字節(jié)數(shù)
LCALL WRNBYT ；調(diào)用VIIC1.0中N個(gè)字節(jié)寫入子程序
RET
2.2 讀出時(shí)鐘芯片當(dāng)前值
①、②與設(shè)定時(shí)鐘芯片當(dāng)前值相同。
③讀出時(shí)鐘芯片當(dāng)前值子程序設(shè)計(jì)。設(shè)時(shí)鐘芯片當(dāng)前值讀出子程序名為SJDC。SJDC的程序清單如下：
VSDA EQU P3.7
VSCL EQU P3.6
SLA EQU 60H
NUMBYT EQU 61H
MTD EQU 40H
MRD EQU 50H
SJDC：MOV 40H，#00H；將RTC寄存器組的“秒”
MOV 41H，#30H ；寄存器的高位地址、低位地址依次裝入發(fā)送緩沖區(qū)
MOV SLA，#0DEH；尋址時(shí)鐘芯片X1203并為發(fā)送狀態(tài)
MOV NUMBYT，#02H ；確定發(fā)送字節(jié)數(shù)
LCALL WRNBYT ；調(diào)用VIIC1.0中N個(gè)字節(jié)寫入子程序
MOV SLA，#0DFH ；尋址時(shí)鐘芯片X1203并為接收狀態(tài)
MOV NUMBYT，#08H ；確定接收字節(jié)數(shù)
LCALL RDNBYT ；調(diào)用VIIC1.0中N個(gè)字節(jié)讀出子程序
RET
設(shè)定時(shí)鐘芯片的報(bào)警值同設(shè)定時(shí)鐘芯片的當(dāng)前值類似，只不過是把待設(shè)定的報(bào)警值寫到相應(yīng)的報(bào)警寄存器組。
通過上述應(yīng)用可以看出，使用VIIC軟件包后，編寫I2C總線接口應(yīng)用程序不必了解I2C總線原理、協(xié)議和時(shí)序，只要了解VIIC的應(yīng)用操作即可。關(guān)于VIIC1.0軟件包的詳細(xì)內(nèi)容，可參閱參考文獻(xiàn)1和參考文獻(xiàn)2。
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