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  • 您的位置:写论文网 > 法学论文 > 经济法论文 > 电能表芯片【I2C串行芯片X128... 正文 2019-12-25 07:25:50

    电能表芯片【I2C串行芯片X1288及其在电子电能表中的应用】

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    I2C串行芯片X1288及其在电子电能表中的应用

    I2C串行芯片X1288及其在电子电能表中的应用 关键词:X1288;
    I2C总线接口;
    电子电能表 1 引言 X1288是美国Xicor公司生产的一种集E2PROM、实时时钟、 日历、CPU监控和两路报警于一体的多功能集成电路芯片。X1288的时钟 采用一种价格低廉的32.768kHz晶振,具有百分秒、秒、分、时、日、 月、年及星期信息,并可设定两个报警时间,其时钟和报警寄存器的双通道结构 使得它能在读写数据时仍保持时钟的准确性。此外,X1288还可提供32k 字节的E2PROM阵列,并具有电源和CPU监控功能。

    X1288串行芯片一般采用I2C总线来实现与主控制器的数据交换。

    I2C是由Philips公司开发的一种用于内部IC控制的双向二线串行 总线,通过该总线可很好地解决现代电子系统中众多IC之间,及IC与外界的 通信需要,并可大大简化电路设计,提高硬件电路的工作效率。

    2 X1288的引脚定义 X1288芯片具有16脚SOIC或14脚TSSOP小体积封装形 式。图1为14脚TSSOP封装的引脚示意图,各引脚的定义如下:
    X1、X2:这两个引脚可分别用作片内振荡器的反相放大器的输入和输 出端。应用时需外接一个32.768kHz的石英晶体,其作用是为系统时钟 /振荡器提供时间基准。

    RESET:复位信号输出端。当看门狗超时或电压跌落到固定的VTR IP门限时,此引脚将向主处理器发送一个低电平有效的漏极开路输出信号,以 使电路系统快速复位。

    SDA:串行数据端,为漏极开路输出的双向引脚,用于数据的输入输出。

    实际应用时需接上拉电阻,并应与其它漏极或集电极开路输出端线相或。该端的 输入缓冲器总是处于激活状态,输出电路可通过一个斜率控制的下拉控制输出信 号的下降时间。设计时通常把电路设计成400kHz的二线接口。

    SCL:串行时钟端口。PHZ/IRQ:可编程频率/中断输出端。当编程为频率输出时,该端 接到内部振荡器的输出脚,以输出频率为32.768kHz、4096Hz或 1Hz的信号,也可以无信号输出。当编程为中断输出时,该端可在报警发生时 激活,以向主机请求中断。

    VBACK:备用电源输入端。当VCC小于VBACK-0.2V时, 电源控制电路将切换至VBACK供电;
    而当VCC超过VBACK时,又会自 动切回VCC供电方式,图2所示是其电源控制过程示意图。

    3 X1288的主要寄存器及其功能 X1228中的时钟/控制寄存器(CCR)位于从E2PROM阵列中 分离出来的一个区域,地址位于[000]0h~[003]Fh之间。CCR一般 被分成5段,可分别用于状态寄存器(1字节)、实时时钟(8字节)、控制寄 存器(4字节)、报警寄存器1和报警寄存器0(各8字节)。

    3.1 状态寄存器(SR) 状态寄存器是易失性的,其地址是003Fh。表1所列是其命令格式, 各命令字的具体含义如下:
    表1 状态寄存器(SR) BAT:后备电源标志位。当BAT为“1”时,表明器件在使用后备电源。

    AL1、AL0:报警选择位。X1288中有两个报警寄存器,若其中 的某一报警时间与实时时钟相同时,相应的AL1或AL0位将变为“1”;
    当读 取SR的值后,该位又变为“0”。

    RWEL:时钟/控制寄存器(CCR)写入控制位。对CCR进行写操 作时,必须先使该位为“1”。

    WEL:CCR和E2PROM的写入控制位。在对CCR和E2PRO M进行写操作时,必须先使该位为“1”。同理,如果要写入时钟和控制寄存器, 也必须先写“02h”至SR(使RWEL为“1”),再写“06h” (使WEL 为“1”)。RTCF:掉电标志位。当全部电源(包括VCC和VBACK)失效后, 该位变为 “1”;
    而在系统再次上电后,如果要对RTC进行第一次有效写操作, 则应首先将使该位为“0”。

    需要说明的是,虽然SR中的第3、4位没有使用,但这些位必须置“0”。

    图4 3.2 实时时钟(RTC) 实时时钟寄存器的地址0030h~0037h分别对应秒、分、时、日、 月、年、星期和百分秒,并采用BCD码表示。通过启动一条读命令并确定相应 的地址,即可读取时间信息。因为时钟是连续运行的,而每次读操作都需要一定 的时间,这就有可能在读操作过程中使时间发生改变。本器件是由读命令将时间 锁存在分立的锁存器中,因而可以避免读操作过程中时间发生变化。当一次读出 并不是由读操作引起时,系统将发出报警。

    可以通过向RTC寄存器中写入数据来设定时间和日期。通过一次不完全 连续的写操作可避免改变当前时间,在RTC数据输入字节之前的ACK位时, 时钟的下降沿会将当前的时间值装载到分立的缓冲器中,以使时钟继续运行。而 此时新的串行输入数据将取代缓冲器的值。当有效的写操作结束后,系统产生停 止位时,这个新值才被装载到RTC寄存器中。向RTC写入单个字节并不对其 它字节的数据产生影响。

    当X1288在VCC和VBACK都失效以后,即使再次上电后,其时 钟也将停止增加,直到在时钟寄存器中进行至少一个字节的写操作以后。

    读出和设定时钟应注意:百分秒寄存器(SSEC)是只读的;
    小时寄存 器(HR)中的MIL位是12/24时制选择位  “1”为24时制,“0”为1 2时制  ,H21位是AM/PM标志位  “1”代表PM,“0”代表AM  ;
    星 期中的七天只用三位(DY0~2)来计数,其值在0~6之间循环,数字所代 表星期中的哪一天可由设计者决定,缺省值为0。

    3.3 控制寄存器 表2所示是4个控制寄存器的命令字列表,其中的DTR是数字化微调寄 存器,它的作用是调整每秒的计数值和ppm误差,以便在长时间内获得更好的计时精度。DTR2是符号位,“1”为正补偿,“0”为负补偿;
    DTR1、DT R0可分别提供10ppm、20ppm的补偿。由DTR0~DTR2三位可 表示-30ppm~+30ppm的补偿范围。

    表2 控制寄存器 ATR寄存器用来微调X1和X2之间的片内负载电容,其范围从+11 6ppm~-37ppm,具体电容值的大小可由下式计算:
    CART=[(ATR的十进制值)×0.25]+11.0pF 实际上,数字和模拟结合起来的微调范围可高达+146ppm。BL中 的BP2~BP0位是块保护位,这些位可用来决定对E2 PROM阵列中8 个保护段的某些具体段提供写保护(参见表3所列);
    WD1、WD0用来设置 看门狗时限。

    表3 块保护位与E2PROM阵列保护区 INT是中断控制和频率输出寄存器,其中AL1E和AL0E是报警中 断信号(IRQ)的输出使能位,这两位分别结合SR中的AL1和AL0,可 用来指示报警是否发生;
    IM是脉冲中断方式控制位,当报警条件匹配时,IR Q将输出一个单次脉冲,若IM设为“1”,则脉冲输出是周期性的;
    FO1和F O0是频率输出控制位,主要用于选择内部振荡器的三种分频输出之一并在PH Z端输出。

    3.4 报警寄存器 X1288有两个报警寄存器,地址分别在0000h~0007h和0 008h~000Fh,通过这两个报警寄存器可设置两个报警时间。报警寄存 器的内容与RTC很类似,不同之处在于其最高位被设置为使能位,而取消了H R中的12/24时制控制位。使能位规定了哪些寄存器可用来与实时时钟寄存 器作比较。通过设置EMOn位并结合其它使能位和特定的报警时间,用户可以 建立在每年的同一时间(精确到秒)触发一次报警。用户可以通过轮询AL0和A L1软标志来确定一次报警的发生,或者使能IRQ输出作为一个硬件报警标志。

    当所有的使能位都被设置成“0”时,整个系统无报警。

    4 I2C总线数据传送方式X1288在应用时一般作为从器件通过串行I2C总线来实现与主控 制器的通信。其中,SDA用来接收、发送数据;
    SCL用于接收产生的同步脉 冲,当SCL为低时,SDA上的数据发生变化,为高时表明可以接收SDA上 的数据。

    I2C总线在SCL为高且SDA线上出现一个下降沿时启动;
    而在SC L为高且SDA线上出现一个上升沿时停止。启动和停止信号都由主控器产生, 这样,总线上带有I2C接口的器件就能很容易地检测到这些信号。但对于不具 备这种接口的单片机来说,为了能够准确地检测到这些信号,必须保证在总线的 一个时钟周期内对SDA线至少进行两次采样。

    I2C总线上的应答信号是用于表明数据传输成功的信号。当发送的设备 发送了启动位和8位数据之后,在第9个SCL有效时,接收设备将使SDA为 低以产生有效的应答信号,该信号可用来说明数据已成功接收。当接收设备发送 了表明数据已成功接收的应答信号之后,发送设备可选择继续发送数据或发送停 止位以结束发送,如发送设备没有收到接收设备的应答信号,则说明发送失败, 此时应重发。

    一般情况下,I2C总线上可同时接多个设备,每个器件都有唯一的地址。

    X1288有两个从设备地址(从地址的高4位):其中1010为访问E2P ROM阵列;
    1101为访问CCR。从地址的3~1位为器件的选择位,它们 规定为111,最低位R/W用于定义此操作是读或写。I2C总线上传送的每 一个字节为8位,而启动一次I2C总线后传输的字节数可以是一个,也可以是 多个。每传送一个字节后,都必须跟随一个应答位,并且先发送的数据位为最高 位。在全部数据传送结束后主控制器发送终止信号。X1288有两种写操作方 式,分别为单字节写或页面写。图4所示是对X1288完成一个字节的写操作 时序,由图可见,写操作共由四个字节组成,其中包括一个从地址字节、一个要 访问的地址字(2字节)、一个字节的操作数。采用页面写时,它将以和单字节 写操作相同的方式启动,但在第一个字节传送之后不结束写周期,主机可发送多 于63个字节到存储器阵列和多于7个字节到CCR。X1288有三种基本的 读操作方式:当前地址读、随机读和序列读。

    5 应用实例 在多用户电子电能表的设计中,X1288的实时时钟可保证系统时间的正确性,并为多费率的电价计量等提供准确的时间;
    当由于外部干扰而产生死循 环时,单片机能自动复位;
    32k字节的E2PROM则可用于保证所有用户的 电能累积值、预交电费余额和异常故障等重要数据的可靠保存和灵活更改;
    当系 统掉电时,系统中的电源管理系统将会自动转为锂离子电池供电方式。

    X1288与单片机的接线如图5所示, 由于AT89C52本身没有 带I2C总线接口,设计中使用P1.6/ P1.7作为I2C总线接口的S CL/SDA。本电路为单主系统,单片机只对X1288进行读写操作,因此 可通过对I2C总线典型信号的时序模拟编制应用程序。文献  2  中提供了一 套I2C总线数据模拟传送的通用软件包,可方便地作为读写子程序来设计系统 软件,其中包括基本的启动、停止、发送应答位、发送非应答位的子程序,同时 还有应答位检查、发送一个字节数据、接收一个字节数据、发送n个字节数据和 接收n个字节数据等子程序。

    6 结束语 X1288作为微处理器的外围器件,它把最基本的功能组合在了一起, 因而具有较高的性价比,可大大降低电路板的空间和功耗,因此,是系统可靠运 行的关键器件。

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