I2C串行芯片X1288及其在電子電能表中的應用

    摘要：介紹了一種基于I2C總線接口的多功能串行芯片X1288的性能特點和工作原理,給出了X1288在電子電能表設計中的應用方法，同時給出了 X1288和AT89C52的連接電路。實際應用表明：X1288能簡化電路設計并可提高硬件的工作效率。 關鍵詞：X1288;I2C總線接口;電子電能表 1 引言 X1288是美國Xicor公司生產的一種集E2PROM、實時時鐘、日歷、CPU監(jiān)控和兩路報警于一體的多功能集成電路芯片。X1288的時鐘采用一種價格低廉的32.768kHz晶振，具有百分秒、秒、分、時、日、月、年及星期信息，并可設定兩個報警時間，其時鐘和報警寄存器的雙通道結構使得它能在讀寫數(shù)據(jù)時仍保持時鐘的**性。此外，X1288還可提供32k字節(jié)的E2PROM陣列，并具有電源和CPU監(jiān)控功能。 X1288串行芯片一般采用I2C總線來實現(xiàn)與主控制器的數(shù)據(jù)交換。I2C是由Philips公司開發(fā)的一種用于內部IC控制的雙向二線串行總線，通過該總線可很好地解決現(xiàn)代電子系統(tǒng)中眾多IC之間，及IC與外界的通信需要，并可大大簡化電路設計，提高硬件電路的工作效率。

    X1288芯片具有16腳SOIC或14腳TSSOP小體積封裝形式。圖1為14腳TSSOP封裝的引腳示意圖，各引腳的定義如下： X1、X2：這兩個引腳可分別用作片內振蕩器的反相放大器的輸入和輸出端。應用時需外接一個32.768kHz的石英晶體，其作用是為系統(tǒng)時鐘/振蕩器提供時間基準。 RESET：復位信號輸出端。當看門狗超時或電壓跌落到固定的VTRIP門限時，此引腳將向主處理器發(fā)送一個低電平**的漏極開路輸出信號，以使電路系統(tǒng)快速復位。 SDA：串行數(shù)據(jù)端，為漏極開路輸出的雙向引腳，用于數(shù)據(jù)的輸入輸出。實際應用時需接上拉電阻，并應與其它漏極或集電極開路輸出端線相或。該端的輸入緩沖器總是處于激活狀態(tài)，輸出電路可通過一個斜率控制的下拉控制輸出信號的下降時間。設計時通常把電路設計成400kHz的二線接口。 SCL：串行時鐘端口。 PHZ/IRQ：可編程頻率/中斷輸出端。當編程為頻率輸出時，該端接到內部振蕩器的輸出腳，以輸出頻率為32.768kHz、4096Hz或1Hz的信號，也可以無信號輸出。當編程為中斷輸出時，該端可在報警發(fā)生時激活，以向主機請求中斷。

    VBACK：備用電源輸入端。當VCC小于VBACK-0.2V時，電源控制電路將切換至VBACK供電;而當VCC超過VBACK時，又會自動切回VCC供電方式，圖2所示是其電源控制過程示意圖。 3　X1288的主要寄存器及其功能 X1228中的時鐘/控制寄存器(CCR)位于從E2PROM陣列中分離出來的一個區(qū)域，地址位于[000]0h～[003]Fh之間。CCR一般被分成5段，可分別用于狀態(tài)寄存器(1字節(jié))、實時時鐘(8字節(jié))、控制寄存器(4字節(jié))、報警寄存器1和報警寄存器0(各8字節(jié))。 3.1 狀態(tài)寄存器(SR) 狀態(tài)寄存器是易失性的，其地址是003Fh。表1所列是其命令格式，各命令字的具體含義如下： 表1 狀態(tài)寄存器(SR) 地址名稱 7 6 5 4 3 2 1 0 缺省值 003Fh SR BAT AL1 AL0 0 0 RWEL WEL RTCF 01h BAT：后備電源標志位。當BAT為“1”時，表明器件在使用后備電源。 AL1、AL0：報警選擇位。X1288中有兩個報警寄存器，若其中的某一報警時間與實時時鐘相同時，相應的AL1或AL0位將變?yōu)椤?”;當讀取SR的值后，該位又變?yōu)椤?”。 RWEL：時鐘/控制寄存器(CCR)寫入控制位。對CCR進行寫操作時，必須先使該位為“1”。 WEL：CCR和E2PROM的寫入控制位。在對CCR和E2PROM進行寫操作時，必須先使該位為“1”。同理，如果要寫入時鐘和控制寄存器，也必須先寫“02h”至SR(使RWEL為“1”)，再寫“06h” (使WEL為“1”)。 RTCF：掉電標志位。當全部電源(包括VCC和VBACK)失效后，該位變?yōu)?“1”;而在系統(tǒng)再次上電后，如果要對RTC進行第一次**寫操作，則應首先將使該位為“0”。 需要說明的是，雖然SR中的第3、4位沒有使用，但這些位必須置“0”。 圖4 3.2 實時時鐘(RTC) 實時時鐘寄存器的地址0030h～0037h分別對應秒、分、時、日、月、年、星期和百分秒，并采用BCD碼表示。通過啟動一條讀命令并確定相應的地址，即可讀取時間信息。因為時鐘是連續(xù)運行的，而每次讀操作都需要一定的時間，這就有可能在讀操作過程中使時間發(fā)生改變。本器件是由讀命令將時間鎖存在分立的鎖存器中，因而可以避免讀操作過程中時間發(fā)生變化。當一次讀出并不是由讀操作引起時，系統(tǒng)將發(fā)出報警。 可以通過向RTC寄存器中寫入數(shù)據(jù)來設定時間和日期。通過一次不**連續(xù)的寫操作可避免改變當前時間，在RTC數(shù)據(jù)輸入字節(jié)之前的ACK位時，時鐘的下降沿會將當前的時間值裝載到分立的緩沖器中，以使時鐘繼續(xù)運行。而此時新的串行輸入數(shù)據(jù)將取代緩沖器的值。當**的寫操作結束后，系統(tǒng)產生停止位時，這個新值才被裝載到RTC寄存器中。向RTC寫入單個字節(jié)并不對其它字節(jié)的數(shù)據(jù)產生影響。 當X1288在VCC和VBACK都失效以后，即使再次上電后，其時鐘也將停止增加，直到在時鐘寄存器中進行至少一個字節(jié)的寫操作以后。 讀出和設定時鐘應注意：百分秒寄存器(SSEC)是只讀的;小時寄存器(HR)中的MIL位是12/24時制選擇位“1”為24時制，“0”為12時制，H21位是AM/PM標志位“1”代表PM，“0”代表AM;星期中的七天只用三位(DY0～2)來計數(shù)，其值在0～6之間循環(huán)，數(shù)字所代表星期中的哪一天可由設計者決定，缺省值為0。 3.3 控制寄存器 表2所示是4個控制寄存器的命令字列表，其中的DTR是數(shù)字化微調寄存器，它的作用是調整每秒的計數(shù)值和ppm誤差，以便在長時間內獲得更好的計時精度。DTR2是符號位，“1”為正補償，“0”為負補償;DTR1、DTR0可分別提供10ppm、20ppm的補償。由DTR0～DTR2三位可表示-30ppm～+30ppm的補償范圍。 表2 控制寄存器 地址名稱 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 只讀只讀只讀 00h 0010h BL BP2 BP1 BP0 WD1 WD0 只讀只讀只讀 00h ATR寄存器用來微調X1和X2之間的片內負載電容，其范圍從+116ppm～-37ppm，具體電容值的大小可由下式計算： CART=[(ATR的十進制值)%26;#215;0.25]+11.0pF 實際上，數(shù)字和模擬結合起來的微調范圍可高達+146ppm。BL中的BP2～BP0位是塊保護位，這些位可用來決定對E2 PROM陣列中8個保護段的某些具體段提供寫保護(參見表3所列);WD1、WD0用來設置看門狗時限。 表3 塊保護位與E2PROM陣列保護區(qū) BP2 BP1 BP0 被保護的地址陣列中被鎖部分 0 0 0 無無 0 0 1 6000h～7FFFh 高端1/4 0 1 0 4000h～7FFFh 高端1/2 0 1 1 0000h～7FFFh 全陣列 1 0 0 0000h～007Fh 第一頁 1 0 1 0000h～00FFh 第二頁 1 1 0 0000h～01FFh 前四頁 1 1 1 0000h～03FFh 前八頁INT是中斷控制和頻率輸出寄存器，其中AL1E和AL0E是報警中斷信號(IRQ)的輸出使能位，這兩位分別結合SR中的AL1和AL0，可用來指示報警是否發(fā)生;IM是脈沖中斷方式控制位，當報警條件匹配時，IRQ將輸出一個單次脈沖，若IM設為“1”，則脈沖輸出是周期性的;FO1和FO0是頻率輸出控制位，主要用于選擇內部振蕩器的三種分頻輸出之一并在PHZ端輸出。 3.4 報警寄存器 X1288有兩個報警寄存器，地址分別在0000h～0007h和0008h～000Fh，通過這兩個報警寄存器可設置兩個報警時間。報警寄存器的內容與RTC很類似，不同之處在于其*高位被設置為使能位，而取消了HR中的12/24時制控制位。使能位規(guī)定了哪些寄存器可用來與實時時鐘寄存器作比較。通過設置EMOn位并結合其它使能位和特定的報警時間，用戶可以建立在每年的同一時間(精確到秒)觸發(fā)一次報警。用戶可以通過輪詢AL0和AL1軟標志來確定一次報警的發(fā)生，或者使能IRQ輸出作為一個硬件報警標志。當所有的使能位都被設置成“0”時，整個系統(tǒng)無報警。 4　I2C總線數(shù)據(jù)傳送方式 X1288在應用時一般作為從器件通過串行I2C總線來實現(xiàn)與主控制器的通信。其中，SDA用來接收、發(fā)送數(shù)據(jù);SCL用于接收產生的同步脈沖，當SCL為低時，SDA上的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，為高時表明可以接收SDA上的數(shù)據(jù)。 I2C總線在SCL為高且SDA線上出現(xiàn)一個下降沿時啟動;而在SCL為高且SDA線上出現(xiàn)一個上升沿時停止。啟動和停止信號都由主控器產生，這樣，總線上帶有I2C接口的器件就能很容易地檢測到這些信號。但對于不具備這種接口的單片機來說，為了能夠**地檢測到這些信號，必須保證在總線的一個時鐘周期內對SDA線至少進行兩次采樣。 I2C總線上的應答信號是用于表明數(shù)據(jù)傳輸成功的信號。當發(fā)送的設備發(fā)送了啟動位和8位數(shù)據(jù)之后，在第9個SCL**時，接收設備將使SDA為低以產生**的應答信號，該信號可用來說明數(shù)據(jù)已成功接收。當接收設備發(fā)送了表明數(shù)據(jù)已成功接收的應答信號之后，發(fā)送設備可選擇繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)或發(fā)送停止位以結束發(fā)送，如發(fā)送設備沒有收到接收設備的應答信號，則說明發(fā)送失敗，此時應重發(fā)。 一般情況下，I2C總線上可同時接多個設備，每個器件都有唯一的地址。X1288有兩個從設備地址(從地址的高4位)：其中1010為訪問E2PROM陣列;1101為訪問CCR。從地址的3～1位為器件的選擇位，它們規(guī)定為111，*低位R/W用于定義此操作是讀或寫。I2C總線上傳送的每一個字節(jié)為8位，而啟動一次I2C總線后傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)可以是一個，也可以是多個。每傳送一個字節(jié)后，都必須跟隨一個應答位，并且先發(fā)送的數(shù)據(jù)位為*高位。在全部數(shù)據(jù)傳送結束后主控制器發(fā)送終止信號。X1288有兩種寫操作方式，分別為單字節(jié)寫或頁面寫。圖4所示是對X1288完成一個字節(jié)的寫操作時序，由圖可見，寫操作共由四個字節(jié)組成，其中包括一個從地址字節(jié)、一個要訪問的地址字(2字節(jié))、一個字節(jié)的操作數(shù)。采用頁面寫時，它將以和單字節(jié)寫操作相同的方式啟動，但在第一個字節(jié)傳送之后不結束寫周期，主機可發(fā)送多于63個字節(jié)到存儲器陣列和多于7個字節(jié)到CCR。X1288有三種基本的讀操作方式：當前地址讀、隨機讀和序列讀。

    5　應用實例 在多用戶電子電能表的設計中，X1288的實時時鐘可保證系統(tǒng)時間的**性，并為多費率的電價計量等提供**的時間;當由于外部干擾而產生死循環(huán)時，單片機能自動復位;32k字節(jié)的E2PROM則可用于保證所有用戶的電能累積值、預交電費余額和異常故障等重要數(shù)據(jù)的可靠保存和靈活更改;當系統(tǒng)掉電時，系統(tǒng)中的電源管理系統(tǒng)將會自動轉為鋰離子電池供電方式。 X1288與單片機的接線如圖5所示， 由于AT89C52本身沒有帶I2C總線接口，設計中使用P1.6/ P1.7作為I2C總線接口的SCL/SDA。本電路為單主系統(tǒng)，單片機只對X1288進行讀寫操作，因此可通過對I2C總線典型信號的時序模擬編制應用程序。文獻2中提供了一套I2C總線數(shù)據(jù)模擬傳送的通用軟件包，可方便地作為讀寫子程序來設計系統(tǒng)軟件，其中包括基本的啟動、停止、發(fā)送應答位、發(fā)送非應答位的子程序，同時還有應答位檢查、發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)、接收一個字節(jié)數(shù)據(jù)、發(fā)送n個字節(jié)數(shù)據(jù)和接收n個字節(jié)數(shù)據(jù)等子程序。 6　結束語 X1288作為微處理器的外圍器件，它把*基本的功能組合在了一起，因而具有較高的性價比，可大大降低電路板的空間和功耗，因此，是系統(tǒng)可靠運行的關鍵器件。