I2C串行芯片X1288及其在电子电能表中的应用

摘要：介绍了一种基于I2C总线接口的多功能串行芯片X1288的性能特点和工作原理,给出了X1288在电子电能表设计中的应用方法，同时给出了X1288和AT89C52的连接电路。实际应用表明：X1288能简化电路设计并可提高硬件的工作效率。 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ＶＴＲＩＰ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） 地址 名称 7 6 5 4 3 2 1 0 缺省值 003Fh SR BAT AL1 AL0 0 0 RWEL WEL RTCF 01h 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Ｅ２ＰＲＯＭ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１２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、ＤＴＲ０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 地址 名称 7 6 5 4 3 2 1 0 缺省值 0013h DTR 0 0 0 0 0 DTR2 DTR1 DTR0 00h 0012h ATR 0 0 ATR5 ATR4 ATR3 ATR2 ATR1 ATR0 00h 0011h INT IM AL1E AL0E FO1 FO0 只读 只读 只读 00h 0010h BL BP2 BP1 BP0 WD1 WD0 只读 只读 只读 00h ＡＴＲ寄存器用来微调Ｘ１和Ｘ２之间的片内负载电容，其范围从＋１１６ｐｐｍ～－３７ｐｐｍ，具体电容值的大小可由下式计算： ＣＡＲＴ＝[（ＡＴＲ的十进制值）%26;#215;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 BP2 BP1 BP0 被保护的地址 阵列中被锁部分 0 0 0 无 无 0 0 1 6000h～7FFFh 高端1/4 0 1 0 4000h～7FFFh 高端1/2 0 1 1 0000h～7FFFh 全阵列 1 0 0 0000h～007Fh 第一页 1 0 1 0000h～00FFh 第二页 1 1 0 0000h～01FFh 前四页 1 1 1 0000h～03FFh 前八页 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，ＩＲＱ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ＦＯ０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ＰＨＺ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０００８ｈ～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ＨＲ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ＡＬ１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ＳＣＬ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Ｅ２ＰＲＯＭ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ＳＣＬ／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。