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I2C串行芯片X1288及其在電子電能表中的應(yīng)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(diǎn)和工作原理,給出了X1288在電子電能表設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法，同時(shí)給出了X1288和AT89C52的連接電路。實(shí)際應(yīng)用表明：X1288能簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)并可提高硬件的工作效率。關(guān)鍵詞：X1288；I2C總線接口；電子電能表
１ 引言
Ｘ１２８８是美國(guó)Ｘｉｃｏｒ公司生產(chǎn)的一種集Ｅ２ＰＲＯＭ、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、日歷、ＣＰＵ監(jiān)控和兩路報(bào)警于一體的多功能集成電路芯片。Ｘ１２８８的時(shí)鐘采用一種價(jià)格低廉的３２．７６８ｋＨｚ晶振，具有百分秒、秒、分、時(shí)、日、月、年及星期信息，并可設(shè)定兩個(gè)報(bào)警時(shí)間，其時(shí)鐘和報(bào)警寄存器的雙通道結(jié)構(gòu)使得它能在讀寫數(shù)據(jù)時(shí)仍保持時(shí)鐘的準(zhǔn)確性。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(lái)實(shí)現(xiàn)與主控制器的數(shù)據(jù)交換。Ｉ２Ｃ是由Ｐｈｉｌｉｐｓ公司開(kāi)發(fā)的一種用于內(nèi)部ＩＣ控制的雙向二線串行總線，通過(guò)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(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，提高硬件電路的工作效率。
２ Ｘ１２８８的引腳定義(范文先生網(wǎng)www.qkfawen.com收集整理)
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(gè)引腳可分別用作片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入和輸出端。應(yīng)用時(shí)需外接一個(gè)３２．７６８ｋＨｚ的石英晶體，其作用是為系統(tǒng)時(shí)鐘／振蕩器提供時(shí)間基準(zhǔn)。
ＲＥＳＥＴ：復(fù)位信號(hào)輸出端。當(dāng)看門狗超時(shí)或電壓跌落到固定的ＶＴＲＩＰ門限時(shí)，此引腳將向主處理器發(fā)送一個(gè)低電平有效的漏極開(kāi)路輸出信號(hào)，以使電路系統(tǒng)快速?gòu)?fù)位。
ＳＤＡ：串行數(shù)據(jù)端，為漏極開(kāi)路輸出的雙向引腳，用于數(shù)據(jù)的輸入輸出。實(shí)際應(yīng)用時(shí)需接上拉電阻，并應(yīng)與其它漏極或集電極開(kāi)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(guò)一個(gè)斜率控制的下拉控制輸出信號(hào)的下降時(shí)間。設(shè)計(jì)時(shí)通常把電路設(shè)計(jì)成４００ｋＨｚ的二線接口。
ＳＣＬ：串行時(shí)鐘端口。
ＰＨＺ／ＩＲＱ：可編程頻率／中斷輸出端。當(dāng)編程為頻率輸出時(shí)，該端接到內(nèi)部振蕩器的輸出腳，以輸出頻率為３２．７６８ｋＨｚ、４０９６Ｈｚ或１Ｈｚ的信號(hào)，也可以無(wú)信號(hào)輸出。當(dāng)編程為中斷輸出時(shí)，該端可在報(bào)警發(fā)生時(shí)激活，以向主機(jī)請(qǐng)求中斷。
ＶＢＡＣＫ：備用電源輸入端。當(dāng)ＶＣＣ小于ＶＢＡＣＫ－０．２Ｖ時(shí)，電源控制電路將切換至ＶＢＡＣＫ供電；而當(dāng)ＶＣＣ超過(guò)ＶＢＡＣＫ時(shí)，又會(huì)自動(dòng)切回ＶＣＣ供電方式，圖２所示是其電源控制過(guò)程示意圖。
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Ｘ１２２８中的時(shí)鐘／控制寄存器（ＣＣＲ）位于從Ｅ２ＰＲＯＭ陣列中分離出來(lái)的一個(gè)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(shí)時(shí)時(shí)鐘（８字節(jié)）、控制寄存器（４字節(jié)）、報(bào)警寄存器１和報(bào)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）
ＢＡＴ：后備電源標(biāo)志位。當(dāng)ＢＡＴ為“１”時(shí)，表明器件在使用后備電源。
ＡＬ１、ＡＬ０：報(bào)警選擇位。Ｘ１２８８中有兩個(gè)報(bào)警寄存器，若其中的某一報(bào)警時(shí)間與實(shí)時(shí)時(shí)鐘相同時(shí)，相應(yīng)的ＡＬ１或ＡＬ０位將變?yōu)椤埃薄�；�?dāng)讀�。樱业闹岛�，該位又變?yōu)椤埃啊薄?/p>
ＲＷＥＬ：時(shí)鐘／控制寄存器（ＣＣＲ）寫入控制位。對(duì)ＣＣＲ進(jìn)行寫操作時(shí)，必須先使該位為“１”。
ＷＥＬ：ＣＣＲ和Ｅ２ＰＲＯＭ的寫入控制位。在對(duì)ＣＣＲ和Ｅ２ＰＲＯＭ進(jìn)行寫操作時(shí)，必須先使該位為“１”。同理，如果要寫入時(shí)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(biāo)志位。當(dāng)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(duì)ＲＴＣ進(jìn)行第一次有效寫操作，則應(yīng)首先將使該位為“０”。
需要說(shuō)明的是，雖然ＳＲ中的第３、４位沒(méi)有使用，但這些位必須置“０”。
圖4
３.２ 實(shí)時(shí)時(shí)鐘（ＲＴＣ）
實(shí)時(shí)時(shí)鐘寄存器的地址００３０ｈ～００３７ｈ分別對(duì)應(yīng)秒、分、時(shí)、日、月、年、星期和百分秒，并采用ＢＣＤ碼表示。通過(guò)啟動(dòng)一條讀命令并確定相應(yīng)的地址，即可讀取時(shí)間信息。因?yàn)闀r(shí)鐘是連續(xù)運(yùn)行的，而每次讀操作都需要一定的時(shí)間，這就有可能在讀操作過(guò)程中使時(shí)間發(fā)生改變。本器件是由讀命令將時(shí)間鎖存在分立的鎖存器中，因而可以避免讀操作過(guò)程中時(shí)間發(fā)生變化。當(dāng)一次讀出并不是由讀操作引起時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警。
可以通過(guò)向ＲＴＣ寄存器中寫入數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)定時(shí)間和日期。通過(guò)一次不完全連續(xù)的寫操作可避免改變當(dāng)前時(shí)間，在ＲＴＣ數(shù)據(jù)輸入字節(jié)之前的ＡＣＫ位時(shí)，時(shí)鐘的下降沿會(huì)將當(dāng)前的時(shí)間值裝載到分立的緩沖器中，以使時(shí)鐘繼續(xù)運(yùn)行。而此時(shí)新的串行輸入數(shù)據(jù)將取代緩沖器的值。當(dāng)有效的寫操作結(jié)束后，系統(tǒng)產(chǎn)生停止位時(shí)，這個(gè)新值才被裝載到ＲＴＣ寄存器中。向ＲＴＣ寫入單個(gè)字節(jié)并不對(duì)其它字節(jié)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。
當(dāng)Ｘ１２８８在ＶＣＣ和ＶＢＡＣＫ都失效以后，即使再次上電后，其時(shí)鐘也將停止增加，直到在時(shí)鐘寄存器中進(jìn)行至少一個(gè)字節(jié)的寫操作以后。
讀出和設(shè)定時(shí)鐘應(yīng)注意：百分秒寄存器（ＳＳＥＣ）是只讀的；小時(shí)寄存器（ＨＲ）中的ＭＩＬ位是１２／２４時(shí)制選擇位?“１”為２４時(shí)制，“０”為１２時(shí)制?，Ｈ２１位是ＡＭ／ＰＭ標(biāo)志位?“１”代表ＰＭ，“０”代表ＡＭ?；星期中的七天只用三位（ＤＹ０～２）來(lái)計(jì)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(shè)計(jì)者決定，缺省值為０。
３.３ 控制寄存器
表２所示是４個(gè)控制寄存器的命令字列表，其中的ＤＴＲ是數(shù)字化微調(diào)寄存器，它的作用是調(diào)整每秒的計(jì)數(shù)值和ｐｐｍ誤差，以便在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)獲得更好的計(jì)時(shí)精度。ＤＴＲ２是符號(hào)位，“１”為正補(bǔ)償，“０”為負(fù)補(bǔ)償；ＤＴＲ１、ＤＴＲ０可分別提供１０ｐｐｍ、２０ｐｐｍ的補(bǔ)償。由ＤＴＲ０～ＤＴＲ２三位可表示－３０ｐｐｍ～＋３０ｐｐｍ的補(bǔ)償范圍。
表2 控制寄存器
ＡＴＲ寄存器用來(lái)微調(diào)Ｘ１和Ｘ２之間的片內(nèi)負(fù)載電容，其范圍從＋１１６ｐｐｍ～－３７ｐｐｍ，具體電容值的大小可由下式計(jì)算：
ＣＡＲＴ＝[（ＡＴＲ的十進(jìn)制值）×０．２５]＋１１．０ｐＦ
實(shí)際上，數(shù)字和模擬結(jié)合起來(lái)的微調(diào)范圍可高達(dá)＋１４６ｐｐｍ。ＢＬ中的ＢＰ２～ＢＰ０位是塊保護(hù)位，這些位可用來(lái)決定對(duì)Ｅ２ ＰＲＯＭ陣列中８?jìng)�(gè)保護(hù)段的某些具體段提供寫保護(hù)（參見(jiàn)表３所列）；ＷＤ１、ＷＤ０用來(lái)設(shè)置看門狗時(shí)限。
表3 塊保護(hù)位與E2PROM陣列保護(hù)區(qū)
ＩＮＴ是中斷控制和頻率輸出寄存器，其中ＡＬ１Ｅ和ＡＬ０Ｅ是報(bào)警中斷信號(hào)（ＩＲＱ）的輸出使能位，這兩位分別結(jié)合ＳＲ中的ＡＬ１和ＡＬ０，可用來(lái)指示報(bào)警是否發(fā)生；ＩＭ是脈沖中斷方式控制位，當(dāng)報(bào)警條件匹配時(shí)，ＩＲＱ將輸出一個(gè)單次脈沖，若ＩＭ設(shè)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(nèi)部振蕩器的三種分頻輸出之一并在ＰＨＺ端輸出。
３．４ 報(bào)警寄存器
Ｘ１２８８有兩個(gè)報(bào)警寄存器，地址分別在００００ｈ～０００７ｈ和０００８ｈ～０００Ｆｈ，通過(guò)這兩個(gè)報(bào)警寄存器可設(shè)置兩個(gè)報(bào)警時(shí)間。報(bào)警寄存器的內(nèi)容與ＲＴＣ很類似，不同之處在于其最高位被設(shè)置為使能位，而取消了ＨＲ中的１２／２４時(shí)制控制位。使能位規(guī)定了哪些寄存器可用來(lái)與實(shí)時(shí)時(shí)鐘寄存器作比較。通過(guò)設(shè)置ＥＭＯｎ位并結(jié)合其它使能位和特定的報(bào)警時(shí)間，用戶可以建立在每年的同一時(shí)間(精確到秒)觸發(fā)一次報(bào)警。用戶可以通過(guò)輪詢ＡＬ０和ＡＬ１軟標(biāo)志來(lái)確定一次報(bào)警的發(fā)生，或者使能ＩＲＱ輸出作為一個(gè)硬件報(bào)警標(biāo)志。當(dāng)所有的使能位都被設(shè)置成“０”時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)無(wú)報(bào)警。
４�。桑玻每偩�數(shù)據(jù)傳送方式
Ｘ１２８８在應(yīng)用時(shí)一般作為從器件通過(guò)串行Ｉ２Ｃ總線來(lái)實(shí)現(xiàn)與主控制器的通信。其中，ＳＤＡ用來(lái)接收、發(fā)送數(shù)據(jù)；ＳＣＬ用于接收產(chǎn)生的同步脈沖，當(dāng)ＳＣＬ為低時(shí)，ＳＤＡ上的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，為高時(shí)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(gè)下降沿時(shí)啟動(dòng)；而在ＳＣＬ為高且ＳＤＡ線上出現(xiàn)一個(gè)上升沿時(shí)停止。啟動(dòng)和停止信號(hào)都由主控器產(chǎn)生，這樣，總線上帶有Ｉ２Ｃ接口的器件就能很容易地檢測(cè)到這些信號(hào)。但對(duì)于不具備這種接口的單片機(jī)來(lái)說(shuō)，為了能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到這些信號(hào)，必須保證在總線的一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)對(duì)ＳＤＡ線至少進(jìn)行兩次采樣。
Ｉ２Ｃ總線上的應(yīng)答信號(hào)是用于表明數(shù)據(jù)傳輸成功的信號(hào)。當(dāng)發(fā)送的設(shè)備發(fā)送了啟動(dòng)位和８位數(shù)據(jù)之后，在第９個(gè)ＳＣＬ有效時(shí)，接收設(shè)備將使ＳＤＡ為低以產(chǎn)生有效的應(yīng)答信號(hào)，該信號(hào)可用來(lái)說(shuō)明數(shù)據(jù)已成功接收。當(dāng)接收設(shè)備發(fā)送了表明數(shù)據(jù)已成功接收的應(yīng)答信號(hào)之后，發(fā)送設(shè)備可選擇繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)或發(fā)送停止位以結(jié)束發(fā)送，如發(fā)送設(shè)備沒(méi)有收到接收設(shè)備的應(yīng)答信號(hào)，則說(shuō)明發(fā)送失敗，此時(shí)應(yīng)重發(fā)。
一般情況下，Ｉ２Ｃ總線上可同時(shí)接多個(gè)設(shè)備，每個(gè)器件都有唯一的地址。Ｘ１２８８有兩個(gè)從設(shè)備地址（從地址的高４位）：其中１０１０為訪問(wèn)Ｅ２ＰＲＯＭ陣列；１１０１為訪問(wèn)ＣＣＲ。從地址的３～１位為器件的選擇位，它們規(guī)定為１１１，最低位Ｒ／Ｗ用于定義此操作是讀或?qū)�。Ｉ２Ｃ總線上傳送的每一個(gè)字節(jié)為８位，而啟動(dòng)一次Ｉ２Ｃ總線后傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)可以是一個(gè)，也可以是多個(gè)。每傳送一個(gè)字節(jié)后，都必須跟隨一個(gè)應(yīng)答位，并且先發(fā)送的數(shù)據(jù)位為最高位。在全部數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后主控制器發(fā)送終止信號(hào)。Ｘ１２８８有兩種寫操作方式，分別為單字節(jié)寫或頁(yè)面寫。圖４所示是對(duì)Ｘ１２８８完成一個(gè)字節(jié)的寫操作時(shí)序，由圖可見(jiàn)，寫操作共由四個(gè)字節(jié)組成，其中包括一個(gè)從地址字節(jié)、一個(gè)要訪問(wèn)的地址字（２字節(jié)）、一個(gè)字節(jié)的操作數(shù)。采用頁(yè)面寫時(shí)，它將以和單字節(jié)寫操作相同的方式啟動(dòng)，但在第一個(gè)字節(jié)傳送之后不結(jié)束寫周期，主機(jī)可發(fā)送多于６３個(gè)字節(jié)到存儲(chǔ)器陣列和多于７個(gè)字節(jié)到ＣＣＲ。Ｘ１２８８有三種基本的讀操作方式：當(dāng)前地址讀、隨機(jī)讀和序列讀。
５ 應(yīng)用實(shí)例
在多用戶電子電能表的設(shè)計(jì)中，Ｘ１２８８的實(shí)時(shí)時(shí)鐘可保證系統(tǒng)時(shí)間的正確性，并為多費(fèi)率的電價(jià)計(jì)量等提供準(zhǔn)確的時(shí)間；當(dāng)由于外部干擾而產(chǎn)生死循環(huán)時(shí)，單片機(jī)能自動(dòng)復(fù)位；３２ｋ字節(jié)的Ｅ２ＰＲＯＭ則可用于保證所有用戶的電能累積值、預(yù)交電費(fèi)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(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，系統(tǒng)中的電源管理系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)為鋰離子電池供電方式。
Ｘ１２８８與單片機(jī)的接線如圖５所示， 由于ＡＴ８９Ｃ５２本身沒(méi)有帶Ｉ２Ｃ總線接口，設(shè)計(jì)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(jī)只對(duì)Ｘ１２８８進(jìn)行讀寫操作，因此可通過(guò)對(duì)Ｉ２Ｃ總線典型信號(hào)的時(shí)序模擬編制應(yīng)用程序。文獻(xiàn)?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(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，其中包括基本的啟動(dòng)、停止、發(fā)送應(yīng)答位、發(fā)送非應(yīng)答位的子程序，同時(shí)還有應(yīng)答位檢查、發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)、接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)、發(fā)送ｎ個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)和接收ｎ個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)等子程序。
６ 結(jié)束語(yǔ)
Ｘ１２８８作為微處理器的外圍器件，它把最基本的功能組合在了一起，因而具有較高的性價(jià)比，可大大降低電路板的空間和功耗，因此，是系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵器件。
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