第4章2时钟芯片的扩展.ppt
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1、4.4 时钟芯片的扩展,实现实时时钟的方法: (1)软件时钟:由软件计时实现。其特点是硬件开销小、成本低、外围电路简单、占用CPU的时间、计时精度低、走时误差较大。 (2)硬件时钟:由硬件时钟芯片实现,其特点是计时精确,不占用CPU资源,扩展电路简单。在单片机系统中应用较为广泛。 (3)GPS时钟:由全球卫星定位系统提供。其特点是精度高,成本高。,1DS1302 DS1302是美国达拉斯(Dallas)半导体公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片,它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时,且具有闰年补偿功能。采用三线串行数据传输接口与CPU进行同步通信,内部有一个31B的高速
2、RAM,工作电压范围为2.55.5V。 2. MC146818 MC146818是Motorola公司生产的时钟芯片。它支持时间(时、分、秒),也支持日期(世纪、年、月、日、星期)及闰月的自动调整。工作电流小(几A )。内部有64B的RAM,可设定报警时间(日、时、分、秒)并在报警时间到时产生中断。,4.4.1 时钟芯片概述,3. M41T50/60/65 M41T50/60/65 STM公司的实时时钟产品,具有尺寸小、功耗低(电源电压为3.0V时,工作电流为350A,待机电流小于650nA )等特点。可通过I2C串行总线提供从秒到世纪的数据和时间信息,自动实现闰年调整。总线工作电压为1.33
3、.6V。尤其适用于电池操作和便携式应用,也适用于工业系统、医学及大型家用电器。 4. X1203 X1203是一个带时钟/日历和两个闹钟(报警)的实时时钟芯片。内含双端口时钟和报警器寄存器,能以秒、分、时、日、星期、月和年为单位跟踪时间,具有闰年校正功能。其电压为2.56V。 此外,DS12887是实时日历时钟芯片,DS1644-120是非易失性时钟芯片,DS1387是带有看门狗的时钟芯片,M6242B是直接与CPU总线连接的定时时钟/日历芯片,PCF8563P是宽电压I2C接口实时时钟/日历芯片等等。,4.4.2 DS12C887的结构及工作原理,DS12C887是美国Dallas公司生产的
4、实时日历时钟芯片,采用CMOS技术,与MC146818B和DS1287管脚兼容,特点如下: (1)具有秒、分、时、星期、日、月、年计数功能,有12小时制和24小时制两种模式。 (2)可实现闰年调整。时间可用二进制数和BCD码表示。 (3)内部有128字节RAM,其数据具有掉电保护功能。 (4)可以选择Motorola和Intel总线时序。通过编程可实现多种方波输出。 (5)工作电压为4.55.5,工作电流为715mA。在断电情况下运行十年以上不丢失数据。 (6)功耗低、外围接口简单、精度高、工作稳定可靠,可广泛用于各种需要较高精度的实时时钟场合中。,1. DS12C887的基本组成及引脚,组成
5、:石英晶体振荡器、锂电池、总线接口、控制寄存器AD、实时时钟、日历时钟、报警时钟、方波电路和用户RAM等。24脚DIP封装,其引脚如下图所示。,引脚的功能如下: MOT:模式选择( Motorola模式和Intel模式)。 SQW:方波输出,通过对控制寄存器A编程,有13种方波信号的输出。 AD0AD7:地址/数据复用总线。 AS:地址锁存。 :写数据控制输入。 :读数据控制输入。 :片选信号输入线。 :中断请求输出线。 :复位输入线。 NC:空引脚。,2 DS12C887的状态控制寄存器,DS12C887状态控制寄存器及存储单元功能表如下表所示。,(1)状态控制寄存器A(地址为xx0AH)
6、控制寄存器A控制字的格式如下表所示。,其中: UIP位:更新周期标志位。 DV0DV2:芯片内部振荡器RTC控制位。 RS3RS0:周期性中断或可编程方波输出速率选择位。各种不同的组合可以产生不同的输出。,(2)控制寄存器B(地址为xx0BH) 控制寄存器B控制字的格式如下表所示。,其中: SET位:更新周期/芯片停止工作选择位。 PIE, AIE, UIE位:周期中断、报警中断、更新结束中断允许位。 SQWE位:方波输出允许位。 DM位:时标寄存器用十进制BCD码表示或用二进制表示格式选择位。 24/12位:24/12小时模式设置位。 DSE位:夏令时服务位。,(2)控制寄存器C(地址为xx
7、0CH) 控制寄存器C控制字的格式如下表所示。,其中: IRQF位:中断申请标志位。 PF, AF, UF位:周期中断、报警中断、更新结束中断标志位。 以上四个标志位在程序读取状态控制寄存器C的内容后,或者引脚变有效时(低电平),自动清0。 D0D3位:保留标志位。,(2)控制寄存器D(地址为xx0DH) 控制寄存器D控制字的格式如下表所示。,控制寄存器D只有VRT位可用,该位用于指示芯片内锂电池的工作状态。正常时,VRT=1,锂电池耗尽时,VRT=0,此时读出的数据无效。该寄存器的其他各位均为厂家保留位,读出值始终为零,不允许用户向这些位写入数据。,3DS12C887的中断和更新周期 DS1
8、2C887处于正常工作状态时,每秒将产生一个更新周期。 更新周期的基本功能为: (1)刷新各个时标寄存器的内容,同时,秒时标寄存器内容加1,并检查其他时标寄存器内容是否有溢出,如有溢出则相应的日、月、年进位。 (2)检查时、分、秒报警时标寄存器的内容是否与对应时标寄存器的内容相符。 避开更新周期内访问时标寄存器的方案: (1)利用更新周期结束发出的中断,提醒CPU将有998ms左右的时间去获取有效的数据。 (2)利用寄存器A中的UIP位来指示芯片是否处于更新周期。在UIP位从低变高到244s后,芯片将开始其更新周期,到UIP位为低电平时,则利用244s的间隔时间去读取时标信息。,4.4.3 D
9、S12C887与MCS-51的接口,由于DS12C887片内自带地址锁存器,故AD0AD7与单片机处理器的P0口直接相连,将单片机的ALE信号连到DS12C887的AS引脚。其他的引脚与单片机的连接如下图所示。DS12C887内部存储器起始地址为7F00H,时间、日历及报警信息分别存储在7F00H7F09H单元中,状态控制寄存器AD的地址分别为:7F0AH, 7F0BH, 7F0CH, 7F0DH。,4.4.4 DS12C887的应用举例,1DS12C887的初始化设置 (1)禁止芯片内部的更新周期操作(寄存器B中的SET位置1 ), (2)初始化时标参数寄存器(00H09H单元)和状态寄存器
10、A, (3)清除寄存器C中的PF、AF、UF标志位。 (4)判断DS12C887内部锂电池的状态,决定片内的RAM内容是否可用。 (5)状态寄存器B中的SET位置0,芯片开始计时工作。 2DS12C887的闹钟设置 DS12C887共有3个闹钟单元(时、分、秒),DS12C887根据用户对3个单元设定的初值能够提供两种闹钟报警方式。 (1)每日一次报警。 (2)固定间隔时间报警。 3DS12C887的初始化编程 (见教材),4.5 系统监控芯片的扩展,为了提高单片机应用系统的抗干扰性能,可外扩电源监控电路、看门狗、系统监控芯片等。 电源监控电路:利用监控芯片及少量的外围元件组成的各种有效复位电
11、路,能对电源异常情况进行监控。其特点是监控功能强,可靠性高,外围元件少,监控电路简单,体积小。 “看门狗(Watchdog)”:在系统设计中通过软件或者硬件方式在一定的周期内监控单片机或者其他处理器的运行状况,如果在规定的时间内没有收到来自被监控单片机或者其他处理器的正确触发信号,则“看门狗”会强制系统复位,以保证系统在受到干扰时仍能够维持正常的工作状态。 软件“看门狗”是利用单片机内部空闲的定时器/计数器实现的,其特点是无需外加硬件电路,但占用片内定时器/计数器资源。 硬件“看门狗”是指集成在专用芯片或单片机内部的专用电路,该电路实际上是一种特殊的定时器。 系统监控芯片(也称处理器监控芯片P
12、 ):可实现实时监控电源电压、看门狗定时输出、备份电池切换、系统复位等功能。,4.5.1 概述,1. MAX703708/813/L系列 MAX703708/813/L系列是美国美信(Maxim)公司推出的低价位微处理器监控芯片,具有看门狗定时器、自动和手动复位以及电压门限监测等功能。引脚图如下图所示。,2. IMP705708/813L系列 IMP705708/813L系列CMOS微处理器监控器能实时监控电源、电池电压和微处理器的工作状态,可替换Maxim公司的MAX705/6/7/8及MAX813L。具有精确的电源监控、去抖动的手动复位输入、看门狗定时器(IMP705/706)、200ms
13、复位脉冲宽度、高电平有效的复位输出(IMP707/708/813L)等。引脚图如下图所示。,3. SP705708/ 813L/813M系列 SP705/706/707/708/813L/813M系列微处理器(P)监控器,包含一个看门狗定时器,一个P复位模块,一个供电失败比较器,及一个手动复位输入模块。可监测P及数字系统中的供电情况。其特点是高精度电压监控器(4.65V),溢出周期为1.6s的独立看门狗定时器,复位脉冲宽度为200ms,具有开关式手动复位输入,支持对供电失败及低电池警告进行监控。引脚图如下图所示。,4. 带有串行E2PROM的微处理器监控器X25045 X25045是带有串行E
14、2PROM的CPU监控器。它具有上电复位控制、电源电压监控、看门狗定时器等功能,片内含512字节存储单元的串行E2PROM。,4.5.2 MAX692A的工作原理,特点:MAX692A是美国Maxim公司的系统监控芯片产品,具有后备电池切换、电源失效和电池低电压报警,掉电判断(低于4.4V将产生复位信号)、“看门狗”监控(定时时间为1.6s )等功能。工作电压:1.2V5.5V,静态电流:200A,备用电池方式静态电流:50A。 1MAX692A引脚功能,DIP(双列直插式)或者SO(表面贴片)8引脚封装,引脚图如右图所示。,各引脚含义如下: VOUT:电源输出引脚,在正常情况下,IOUT=5
15、0mA,VOUT=(VCC0.5)(VCC0.25)V之间;在备用电池模式下,IOUT=250A,VOUT=(VBATT0.5)(VBATT0.25)V。 VCC:电源引脚,电压范围1.25.5V。 GND:地。 PFI:电源失效输入,当PFI低于1.25V时,引脚变低。 :电源失效输出,当PFI低于1.25V时,引脚变低,其他情况为高。 WDI:“看门狗”输入。 :复位输出引脚。 VBATT:备用电池电源输入。,2MAX692A工作原理,MAX692A由复位电路、看门狗电路、电压比较和备用电池切换电路四部分组成。 复位电路:在微处理器上电、掉电及低压供电时,监控器发生复位脉冲信号。 看门狗电
16、路:定时时间为1.6s。若WDI脚输入一个脉冲,定时器开始计数,若在1.6s内不能向WDI端输入脉冲,监视器将输出一个复位信号。 电压比较器:用于低电压检测。 电池切换电路:在VBATT端接上电池,MAX692A会在VCC掉电时,自动切换到电池供电,为RAM提供电源。,4.5.3 MAX692A与MCS-51的接口,MAX692A自动监控MCS-51微处理器的典型电路如下页图所示。在电路设计中,应合理选择R1,R2的值,使得+5V电压跌落到某个电压值(如本设计中的4.5V),PFI的输入电压低于1.25V,导致 输出低电平,作为单片机中断的输入信号,使单片机系统能够进行一些必要的处理(如保存某
17、些重要数据等)。R1,R2选取的计算方法如下: 可取R1=10k,R2=26k。最好选取精度较高的金属膜电阻。当+5V电压跌落到4.5V时,VR=1.25V,电压如果继续跌落, 便输出低电平,触发 中断。 复位按钮是为手动复位而设置的,在系统需要人为干预或者测试时使用,R4与C值的选择可按前述章节的方法进行。,4.5.4 MAX692A的编程应用,为保证CPU在正常工作时,Watchdog定时器不产生复位信号,必须在1.6s内改变MAX692A的WDI引脚上输入电平,按照上页图的电路,WDI引脚的电平变化由MCS-51处理器的P1.0引脚控制,与Watchdog定时器有关的程序段如下: ORG
18、 0000H LJMP MAIN ; 转至主程序 ORG 0050H MAIN: ; 初始化 SETB P1.0 CLR P1.0 ; 在P1.0引脚上输出一个正脉冲,两个正脉冲之间 的时间间隔小于1.6s SETB P1.0 CLR P1.0 ; 在P1.0引脚上输出一个正脉冲 SETB P1.0 CLR P1.0 ; 同上,与上个正脉冲间隔时间小于1.6s LJMP MAIN END,当MCS-51系统受到干扰而使处理器出现“死机”时,单片机将不能定期执行上述两条指令,则WDI引脚上也就不能定时输入脉冲,看门狗定时器会在1.6s后产生一个复位信号,使单片机复位。程序将会从0000H单元重新
19、开始程序的执行,保证了系统的正常运转。,4.6 总线接口扩展,总线种类繁多,可分为局部总线、系统总线和通信总线。通信总线是系统之间或CPU与外设之间进行通信的一组信号线。通信总线接口按电气标准及协议来分包括RS-232, RS-422, RS-485, MODEM, USB, IEEE 1394, Internet网络芯片等,它们在不同的领域得到了广泛的应用。这里主要介绍MCS-51单片机应用系统中常用的通信总线标准及接口。 4.6.1 EIA RS-232C总线标准与接口电路 EIA RS-232C是异步串行通信中应用最广泛的标准总线,是美国EIA(Electronic Industries
20、 Association,电子工业联合会)开发公布的通信协议。适合于数据传输速率在020kb/s范围内的通信,包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定。在微机通信接口中被广泛采用。,1. 电气特性 (1)采取不平衡传输方式,是为点对点(即只用一对收、发设备)通信而设计的; (2)采用负逻辑。 (3)适用于传送距离不大于15m,速度不高于20kb/s的本地设备之间通信的场合。,2. 连接器 (1)DB-25连接器 DB-25型连接器的外形及信号线分配如图右所示。25芯RS-232C接口具有20mA电流环接口功能,用9, 11, 18, 25针来实现。,(2)DB-9连接器 DB-9连接器只提供异
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