時鐘與I2C總線電路設計及軟件編程.doc

畢業(yè)設計說明書第I頁實時鐘與I2C總線電路設計及軟件編程摘要實時鐘，自從它被發(fā)明的那天起，就成為人們生活中必不可少的一種工具，尤其是在現(xiàn)在這個講究效率的年代，時鐘更是在人類生產(chǎn)、生活、學習等多個領域得到廣泛的應用。然而隨著時間的推移，科學技術的不斷發(fā)展，人們不僅對于實時鐘精度的要求越來越高，而且對于時鐘功能的要求也越來越多，實時鐘已不僅僅是一種用來顯示時間的工具，在很多實際應用中它還需要能夠實現(xiàn)更多其它的功能。本文主要以PCF8563時鐘芯片為核心制成并通過ZLG7290鍵盤LED控制器進行顯示的數(shù)字實時時鐘。其中用到的時鐘芯片PCF8563是低功耗的CMOS實時時鐘日歷芯片，它提供一個可編程時鐘輸出，一個中斷輸出和掉電檢測器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過I2C總線接口串行傳遞。最大總線速度為400Kbits/s，每次讀寫數(shù)據(jù)后，內嵌的字地址寄存器會自動產(chǎn)生增量。本電路在實驗板上進行，采用軟件和硬件組合的方法，其最大特點是：硬件電路簡單，安裝方便易于實現(xiàn)，軟件設計獨特、可靠。關鍵詞：寄存器，定時器，I2C總線，實時時鐘，PCF8563畢業(yè)設計說明書第II頁ReReal-timeclockandI2C-buscircuitsdesignandSoftwareprogrammingAbstractReal-timeclock,sincethedayitwasinvented,hasbecomeindispensabletopeopleslivesinatool,particularlynowthatithastheefficiencyoftheera,inthehumanproductionandliving,learningandotherfields,theclockhasawiderangeofapply.Butwiththepassageoftime,thecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,notonlydemandingofpeoplefortheaccuracyofreal-timeclockisincreasing,butalsowehavemoreandmoredemandsfortheclockfunctions,real-timeclockisnotjustatoolusedtoshowtime,anditisabletoachievemoreotherfeaturesinmanypracticalapplications.ThispaperintroducesPCF8563clockchipusedasthecoreandZLG7290usedtodisplay.ThePCF8563clockchipisaCMOSlow-powerdevice.Itprovidesaprogrammableclockoutput；apower-failinterruptoutputanddetector,alltheaddressesanddatesaretransferredthroughreal-timeclock/calendarchipSerialI2C-bus.ThebiggestBusspeedis400Kbits/s,afterdataisreadorwritten,embeddedwordaddressregisterwillautomaticallygenerateincremental.Thecircuitiscarriedontheexperimentboardusingsingsoftwareandhardwareportfolio,andthelargestfeaturesareasfollows:simplehardwarecircuit,easyinstallation,softwaredesignuniqueandreliable.Keywords:Register,Timer,Real-TimeDock,I2C-bus,PCF8563畢業(yè)設計說明書第III頁目錄1緒論.11.1課題背景及目的.11.2國內外研究現(xiàn)狀.11.3課題的研究方法.11.4課題研究內容及構成.22元器件介紹.32.1時鐘芯片PCF8563特性概述.32.2鍵盤LED驅動芯片ZLG7290.43硬件電路設計.63.1時鐘芯片PCF8563的基本原理和功能描述.63.2I2C總線.83.2.1I2C總線特點.83.2.2I2C總線的工作原理.83.3鍵盤LED驅動芯片ZLG7290.93.3.1功能描述.103.3.2寄存器詳解.113.4CAT24WC02的數(shù)據(jù)操作格式和總線協(xié)議.144軟件電路設計.154.1PCF8563的接口電路.154.2ZLG7290應用原理圖.17結論.19致謝.20畢業(yè)設計說明書第IV頁參考文獻.21附錄.22黃河科技學院畢業(yè)設計說明書第1頁1緒論1.1課題背景及目的隨著人類科技文明的發(fā)展，人們對于實時時鐘功能的要求在不斷地提高。實時時鐘在現(xiàn)如今已不僅僅被看成一種用來顯示時間的工具，在很多實際應用中它還需要能夠實現(xiàn)更多其它的功能。高精度、多功能、小體積、低功耗，是現(xiàn)代實時時鐘發(fā)展的趨勢。在這種趨勢下，實時時鐘的數(shù)字化、多功能化已經(jīng)成為現(xiàn)代實時時鐘生產(chǎn)研究的主導設計方向。本課題討論的是以51單片機為核心，結合時鐘芯片PCF8563，采用ZLG7290鍵盤LED控制器等部件設計的實時時鐘。1.2國內外研究現(xiàn)狀目前單片機應用于各個領域，其應用于儀器儀表中顯得更為優(yōu)越。以單片機制成的電子時鐘具有計時準確，功耗低的優(yōu)點，從而得到了各領域界的廣泛應用1。單片機正處在微控制器的全面發(fā)展階段，各公司的產(chǎn)品在盡量兼容的同時，向高速、強運算能力、尋址范圍大以及小型廉價方面發(fā)展。單片機的發(fā)展推動了應用系統(tǒng)的發(fā)展，應用系統(tǒng)的發(fā)展又反過來對單片機提出了更高要求，從而促進單片機的發(fā)展。單片機正朝著功能更強、速度更快、功耗更低、輻射更小的方向發(fā)展。隨著集成度的不斷提高，把眾多的外圍功能器件集成在片內已經(jīng)具備了充分的條件，這也是單片機以后發(fā)展的重要趨勢。除了一般必須具有的ROM、RAM、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)外，隨著單片機檔次的提高，以適應檢測、控制功能更高的要求，片內集成的器件通常還有電源監(jiān)控與復位電路、WDT、A/D轉換器、DMA控制器、中斷控制器、鎖相器、頻率合成器、字符發(fā)生器、聲音發(fā)生器、CRT控制器、譯碼驅動器等。1.3課題的研究方法本次設計基于單片機技術原理，以單片機芯片AT89C51作為核心控制器，通過硬件電路的制作以及軟件程序的編制，正確使用各種元器件(包括MCU、實時鐘與I2C總線器件等)，實現(xiàn)實時鐘與I2C總線編程的基本功能，并且結合ZLG7290鍵盤LED控制的各種功能，設計制作出一個具有實際功能的且符合指標要求的實時時鐘系統(tǒng)2。黃河科技學院畢業(yè)設計說明書第2頁1.4課題研究內容及構成本次設計以硬件軟件化為指導思想，充分發(fā)揮單片機功能，大部分功能通過軟件編程來實現(xiàn)，電路簡單明了，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。同時，該時鐘系統(tǒng)還具有功耗小、成本低的特點，具有很強的實用性。由于系統(tǒng)所用元器件較少，單片機所被占用的I/O口不多，因此系統(tǒng)具有一定的可擴展性3。該實時時鐘系統(tǒng)主要由時鐘模塊、液晶顯示模塊、鍵盤控制模塊以及信號提示模塊組成。系統(tǒng)具有簡單清晰的操作界面，接口電路簡潔，芯片驅動程序嚴格按照芯片時序編寫，讀寫穩(wěn)定可靠，可為智能儀器提供高準確度的時鐘，定時、報警功能以及中斷輸出功能，能完成各種復雜的定時服務，甚至可為單片機提供看門狗功能。內部時鐘電路、內部振蕩電路、內部低電壓檢測電路1.0V以及兩線制I2C總線通訊方式，不但使外圍電路及其簡潔，而且也增加了芯片的可靠性。同時每次讀寫數(shù)據(jù)后內嵌的字地址寄存器會自動產(chǎn)生增量4。黃河科技學院畢業(yè)設計說明書第3頁2元器件介紹2.1時鐘芯片PCF8563特性概述主控芯片使用51系列AT89C51系列單片機，由先進工藝制造。方便程序的寫入，數(shù)據(jù)保存可以達到10年。時鐘芯片采用PCF8563，其主要特性有：低工作電流：典型值為0.25A(VDD=3.0V，Tamb=25C時)；世紀標志；大工作電壓范圍：1.0V5.5V；低休眠電流：典型值為0.25A(VDD=3.0V,Tamb=25C)；400KHz的I2C總線接口(VDD=1.8V5.5V時)；可編程時鐘輸出頻率為：32.768KHz，1024Hz，32Hz，1Hz；報警和定時器；掉電檢測器；內部集成的振蕩器電容；片內電源復位功能；I2C總線從地址：讀，0A3H；寫，0A2H。PCF8563的管腳及內部結構如圖2.1所示。1、PCF8563的引腳排列如圖2.1所示。其中OSCI為振蕩器輸入，OSCO為振蕩器輸出，/INT是中斷輸出，且為開漏，低電平有效。Vss接地，SDA是串行時鐘輸入，CLKOUT是時鐘輸出，VDD接正電源。圖2.1PCF8563管腳排列圖黃河科技學院畢業(yè)設計說明書第4頁2、PCF8563片內結構如圖2.2所示。它具有16個8位寄存器、一個可自動增量的地址寄存器、一個內置32.768KHZ的振蕩器(帶有一個內部集成的電容)、一個分頻器(用于給實時時鐘RTC提供源時鐘)、一個可編程時鐘輸出、一個定時器、一個報警器、一個掉電檢測器和一個的I2C總線接口串行接口，每次讀寫數(shù)據(jù)后，內嵌的字地址寄存器會自動產(chǎn)生增量。圖2.2PCF8563管腳及內部結構2.2鍵盤LED驅動芯片ZLG72901、ZLG7290的主要特性直接驅動8位共陰式數(shù)碼管(1英寸以下)或64只獨立的LED；可管理多達64只按鍵，自動消除抖動，其中有8只可以作為功能鍵使用；段電流可達20mA，位電流可達100mA以上；利用功率電路可以方便地驅動1英寸以上的大型數(shù)碼管；具有閃爍、段點亮、段熄滅、功能鍵、連擊鍵計數(shù)等強大功能；提供有10種數(shù)字和21種字母的譯碼顯示功能，或直接向顯示緩存寫入顯示數(shù)據(jù)；不接數(shù)碼管而僅使用鍵盤管理功能時，工作電流可降至1mA；與微控制器之間采用I2C串行總線接口，只需兩根信號線，節(jié)省I/O資源；工作電壓范圍：3.3V5.5V；工作溫度范圍：40C85C；黃河科技學院畢業(yè)設計說明書第5頁封裝：DIP-24(窄體)，SOP-24。2、ZLG7290引腳及引腳說明(1)ZLG7290采用24引腳封裝，引腳如圖2.3所示。圖2.3引腳圖(2)ZLG7290的各個引腳說明如下表所示。表2.1引腳說明引腳號引腳