摘要：在對串行實時時鐘芯片X1203內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作特性作基本介紹的基礎(chǔ)上，設(shè)計出用單片機的通用I/O口線虛擬I2C總線來實現(xiàn)與時鐘芯片的串行接口電路以及利用虛擬I2C總線軟件包VIIC設(shè)計時鐘芯片1203的應(yīng)用程序。
關(guān)鍵詞：單片機 實時時鐘 虛擬I2C總線

實時時鐘是微機測控系統(tǒng)中的一個重要組成部分。美國Xicor公司推出的串行接口實時時鐘芯片X1203提供備用電源輸入引腳，使器件能用非可重新充電電池任務(wù)用電源。該芯片以其體積小、功耗低、使用簡單、接口容易、與單片機連線少為主要特點，同時具有較高的精度，能很好滿足微機測控系統(tǒng)的求。下面具體介紹該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作特性、與51系列單片機接口設(shè)計實例以及如何利用虛擬I2C總線軟件包VIIC來設(shè)計實時時鐘芯片X1203的應(yīng)用程序。

1 X1203內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作特性

X1203是帶時鐘、日歷和2個鬧鐘報警的實時時鐘。雙端口時鐘和報警寄存器使時鐘即使在讀寫操作期間也能精確地工作，時鐘/日歷提供了可通過一組寄存器進行控制和讀出的功能；時鐘使用32.768kHz晶體輸入，以秒、分、時、日、星期、月和年為單位跟蹤時間，具有閏年校正，并能對小于31天的月自動進行調(diào)整；2個鬧鐘（報警）即中斷輸出，輸出脈沖重復率可以從1次/min～1次/年，支持I2C總線的2線接口，具有400kHz的數(shù)據(jù)傳送速率和內(nèi)部切換電路的輔助電源輸入端，可靠性高，電源電壓從2.5～6V實時時鐘均能正常工作。

X1203的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，由電源控制、振蕩器、分頻器、時鐘控制寄存器（CCR）、控制邏輯電路、移位寄存器等組成。

1.1 X1203的封裝形式和引腳說明

X1203有8引腳SOIC和8引腳TSSOP 2種封裝形式，引腳排列如圖2所示。

    SCL：串行時鐘引腳，用于使所有數(shù)據(jù)隨時鐘同步輸入器件和從器件輸出。此引腳上的輸入緩沖器總是激活的（不選通）。

SDA：串行數(shù)據(jù)引腳，用于把數(shù)據(jù)送入器件和從器件送出數(shù)據(jù)。它具有漏極開路的輸出，可以與其它漏極開路或集電極開路輸出端進行線“或”。輸入緩沖器總是激活（不選通）。漏極開路輸出要求使用上拉電阻。

VBACK：備用電源引腳，向器件提供備用電源電壓，在VCC電源出現(xiàn)故障時向器件提供電源。

IRQ：中斷信號輸出引腳。引信號通知處理器，報警已發(fā)生并請求動作，是漏極開路的低電平有效輸出端。

X1、X2：反向放大器的輸入和輸出端引腳，可以在X1端接受外部32.768kHz的方波基準或配置為片內(nèi)振蕩器。

電源控制電路由引腳Vcc和引腳VBACK輸入，當Vcc<VBACK-0.2V時，電源控制電路切換到VBACK，當VCC超過VBACK時，它將切換回到VCC。

1.2 時鐘/控制寄存器（CCR）

時鐘/控制寄存器（CCR）分為5個部分：

①報警寄存器0（Alarm0）為8字節(jié)，字節(jié)地址為0000H～0007H；

②報警寄存器1（Alarm1）為8字節(jié)，字節(jié)地址為0008H～000FH；

③控制寄存器（Control）為1字節(jié)，字節(jié)地址為0011H；

④實時時鐘（RTC）為8字節(jié)，字節(jié)地址為0030H～0037H；

⑤狀態(tài)寄存器（Status）為1字節(jié)，字節(jié)地址為0003FH；

其中①～③為非易失性的E2PROM，而④、⑤為易失性的SRAM。CCR的映像如表1所列。

表1 CCR映像

地址	名稱	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0	范圍
00FH	SR	BAT	AL1	AL0	0	0	RWEL	WEL	RTCF
0037H	Y2K	0	0	Y2K21	Y2K20	Y2K13	0	0	Y2K10	19/20
0036H	DW	0	0	0	0	0	DY2	DY1	DY0	0～6
0035H	YR	Y23	Y22	Y21	Y20	Y13	Y12	Y11	Y10	0～99
0034H	MO	0	0	0	G20	G13	G12	G11	G10	1～12
0033H	DT	0	0	D21	D20	D13	D12	D11	D10	1～31
0032H	HR	T24	0	H21	H20	H13	H12	H11	H10	0～23
0031H	MN	0	M22	M21	M20	M13	M12	M11	M10	0～59
0030H	SC	0	S22	S21	S20	S13	S12	S11	S10	0～59
0011H	INT	IM	AL1E	AL0E	0	0	0	0	0
000FH	未用
000EH	DWA1	EDW1	0	0	0	0	DY2	DY1	DY0	0～6
000DH	未用缺省=RTC年值
000CH	MOA1	EMO1	0	0	A1G20	A1G13	A1G12	A1G11	A1G10	1～12
000BH	DTA1	EDT1	0	A1D21	A1D20	A1D13	A1D12	A1D11	A1D10	0～31
000AH	HRA1	EHR1	0	A1H21	A1H20	A1H13	A1H12	A1H11	A1H10	0～23
0009H	MNA1	EMN1	A1M22	A1M21	A1M20	A1M13	A1M12	A1M11	A1M10	0～59
0008H	SCA1	ESC1	A1S22	A1S21	A1S20	A1S13	A1S12	A1S11	A1S10	0～59
0007H	未用
0006H	DWA0	EDW0	0	0	0	0	DY2	DY1	DY0	0～6
0005H	未用缺省=RTC年值
0004H	MOA0	EMO0	0	0	A0G20	A0G13	A0G12	A0G11	A0G10	1～12
0003H	DTA0	EDT0	0	A0D21	A0D20	A0D13	A0D12	A0D11	A0D10	0～31
0002H	HRA0	EHR0	0	A0H21	A0H20	A0H13	A0H12	A0H11	A0H10	0～23
0001H	MNA0	EMN0	A0M22	A0M21	A0M20	A0M13	A0M12	A0M11	A0H10	0～59
0000H	SCA0	ESC0	A0S22	A0S21	A0S20	A0S13	A0S12	A0S11	A0S10	0～59

實時時鐘（RTC）使用外部32.768kHz石英晶體來保持年、月、日、時、分和秒的精確的內(nèi)部表示。RTC具有閏年校正和世紀字節(jié)。上電后，直到至少有1字節(jié)寫入RTC寄存器時，時鐘才開始計數(shù)。啟動讀命令并指定對應(yīng)于實時時鐘（RTC）寄存器的地址可以讀RTC，也可以通過寫RTC寄存器來設(shè)置時間和日期。2個報警寄存器，其內(nèi)容模仿RTC的內(nèi)容，只是增加了使能位并去除了24小時時間選擇位。通過使能位和實時寄存器的設(shè)置，可以確定報警時間。

控制寄存器中位IM為方式控制位。

①IM=0（正常方式）。RTC與Alarm0寄存器設(shè)置的內(nèi)容匹配時，將自動置位狀態(tài)寄存器的AL0位。如果控制寄存器的AL0E位也為“1”，則輸出IRQ信號將變?yōu)橛行?；如果AL0E為“0”，則AL0位被置位，IRQ信號保持不變。RTC與Alarm1寄存器設(shè)置的內(nèi)容匹配時自動置位AL1位。如果AL1E也為“1”，則輸出IRQ信號將變?yōu)橛行?；如果AL1E為“0”，則AL1位被復位，IRQ信號保持不變。

②IM=1（脈沖中斷方式）。此方式不使用位AL0E和AL1E，Alarm1的工作如前，RTC與Alarm1寄存器設(shè)置的內(nèi)容匹配時將自動置位AL1位，機必須通過查詢AL1位以決定是否發(fā)生了報警。Alarm0提供輸出響應(yīng)，RTC與Alarm0寄存器設(shè)置的內(nèi)容匹配時，輸出IRQ脈沖1次，脈沖寬度約為30ms。所有的Alarm0寄存器使能選項均可使用，從而實現(xiàn)非常靈活的長時間循環(huán)觸發(fā)器。

1.3 串行通信接口

X1203支持I2C總線接口。I2C總線是一個十分完善的多主系統(tǒng)總線，總線上可以掛接多個MCU，因此有4種工作方式：主發(fā)送、主接收、從發(fā)送、從接收。下面介紹的單個MCU系統(tǒng)，只用到I2C總線的主方式，即主發(fā)送與主接收。目前，帶有I2C總線接口的MCU只有少數(shù)廠家的個別產(chǎn)品，運用單片機的通用I/O口來虛擬I2C總線接口，可以很好地解決與X01203的接口問題。圖3為X1203與51系列單片機的接口。X1203的SCL為串行移位時鐘輸入，P3.6與SCL相連以產(chǎn)生模擬時鐘信號；SDA為串行數(shù)據(jù)輸入輸出，P2.7與SDA相連以實現(xiàn)主器件51系列單片機與從器件X1203的數(shù)據(jù)通信。

51系列單片機對X1203有讀寫兩種操作。寫操作包括字節(jié)寫和頁寫（1次寫8字節(jié)連續(xù)地址單元），讀操作包括當前地址讀、隨機地址讀和順序讀。具體格式如圖4所示。順序讀以當前地址讀或隨機地址讀啟動，但主器件接收到第1個數(shù)據(jù)字節(jié)后不是結(jié)束讀周期，而是以應(yīng)答做出響應(yīng)。這時讀操作的地址計數(shù)器自動增量，允許在1次操作期間內(nèi)順序讀出整個存儲的內(nèi)容。

2 運用虛擬I2C總線軟件包VIIC設(shè)計時鐘芯片X1203的應(yīng)用程序

由于I2C總線協(xié)議的復雜性和操作管理的特殊性，在擴展I2C外圍器件時，如果還要在了解I2C總線協(xié)議、操作原理的基礎(chǔ)上，采用直接方式進行I2C總線外圍器件的應(yīng)用程序設(shè)計，就會使得I2C總線應(yīng)用程序的設(shè)計難度很大，也使I2C總線推廣應(yīng)用較慢。因此，迫切需要推出I2C總線的應(yīng)用軟件平臺，使大家不必了解I2C總線就能設(shè)計I2C總線應(yīng)用程序。下面介紹如何運用虛擬I2C總線軟件包VIIC 1.0來設(shè)計時鐘芯片X1203的應(yīng)用程序。

軟件包VIIC實現(xiàn)非介入性操作，接口界面是軟件包應(yīng)用時唯一的觸及面。VIIC1.0的接口界面為數(shù)據(jù)讀寫子程序RDNBYT/WRNBYT，因此RDNBYT/WRNBYT的調(diào)用操作命令，以及滿足調(diào)用操作的初始化操作3的條命令為VIIC的應(yīng)用界面，即：

MOV SLA，#SLAR/SLAW ；總線上節(jié)點尋址并確定傳送方向

MOV NUMBYT，#N ；確定傳送字節(jié)數(shù)N

LCALL RDNBYT/WRNBYT； 讀/寫操作調(diào)用

2.1 設(shè)定時鐘芯片當前值

將時鐘芯片當前值設(shè)定為2002、3、20、星期三、18：28：38

①將VIIC1.0裝入程序存儲器中。

②根據(jù)硬件電路及資源分配，將VIIC1.0中的符號單元賦值如下：

VSDA EQU P3.7 ；用P3.7虛擬SDA

VSCL EQU P3.6 ；用P3.6虛擬SCL

SLA EQU 60H ；60H為尋址字節(jié)存放單元

NUMBYT EQU 61H ；61H為傳送字節(jié)數(shù)據(jù)存放單元

MTD EQU 40H ；40H為發(fā)送緩沖區(qū)首地址

MRT EQU 50H ；50H為接收緩沖區(qū)首地址

③設(shè)定時鐘芯片當前值子程序設(shè)計。設(shè)時鐘芯片當前值設(shè)定子程序名為SJSD。SJSD的程序清單如下：

VSDA EQU P3.7

VSCL EQU P3.6

SLA EQU 60H

NUMBYT EQU 61H

MTD EQU 40H

SJSD:MOV 40H,#00H ;將狀態(tài)寄存器的高位地址、

MOV 41H，#3FH ；低位地址以及要寫入狀態(tài)

MOV 42H，#02H ；寄存器的值依次裝入發(fā)送緩沖區(qū)

MOV SLA，#0DEH ；尋址時鐘芯片X1203并為發(fā)送狀態(tài)

MOV NUMBYT，#03H ；確定發(fā)送字節(jié)數(shù)

LCALL WRNBYT ；調(diào)用VIIC1.0是N全字節(jié)寫入子程序

MOV 40H，#00H ；將狀態(tài)寄存器的高位地址、

MOV 41H，#3FH ；低位地址以及要寫入狀態(tài)

MOV 42H，#06H ；寄存器的值依次裝入發(fā)送緩沖區(qū)

MOV SLA，#0DEH ；尋址時鐘芯片X1203并為發(fā)送狀態(tài)

MOV NUMBYT，#03H ；確定發(fā)送字節(jié)數(shù)

LCALL WRNBYT ；調(diào)用VIIC1.0中N個字節(jié)寫入子程序

MOV 40H，#00H ；將RTC寄存器組的“秒”寄

MOV 41H，#30H ：存器的高位地址、低位地址

MOV 42H，#38H ；以及待設(shè)定的時間參數(shù)依

MOV 43H，#28H ；次裝入發(fā)送緩沖區(qū)

MOV 44H，#98H

MOV 45H，#20H

MOV 46H，#03H

MOV 47H，#02H

MOV 48H，#03H

MOV 49H，#20H

MOV SLA，#0DEH；尋址時鐘芯片X1203并為發(fā)送狀態(tài)

MOV NUMBYT，#0AH ；確定發(fā)送字節(jié)數(shù)

LCALL WRNBYT ；調(diào)用VIIC1.0中N個字節(jié)寫入子程序

RET

   
2.2 讀出時鐘芯片當前值

①、②與設(shè)定時鐘芯片當前值相同。

③讀出時鐘芯片當前值子程序設(shè)計。設(shè)時鐘芯片當前值讀出子程序名為SJDC。SJDC的程序清單如下：

VSDA EQU P3.7

VSCL EQU P3.6

SLA EQU 60H

NUMBYT EQU 61H

MTD EQU 40H

MRD EQU 50H

SJDC：MOV 40H，#00H；將RTC寄存器組的“秒”

MOV 41H，#30H ；寄存器的高位地址、低位地址依次裝入發(fā)送緩沖區(qū)

MOV SLA，#0DEH；尋址時鐘芯片X1203并為發(fā)送狀態(tài)

MOV NUMBYT，#02H ；確定發(fā)送字節(jié)數(shù)

LCALL WRNBYT ；調(diào)用VIIC1.0中N個字節(jié)寫入子程序

MOV SLA，#0DFH ；尋址時鐘芯片X1203并為接收狀態(tài)

MOV NUMBYT，#08H ；確定接收字節(jié)數(shù)

LCALL RDNBYT ；調(diào)用VIIC1.0中N個字節(jié)讀出子程序

RET

設(shè)定時鐘芯片的報警值同設(shè)定時鐘芯片的當前值類似，只不過是把待設(shè)定的報警值寫到相應(yīng)的報警寄存器組。

通過上述應(yīng)用可以看出，使用VIIC軟件包后，編寫I2C總線接口應(yīng)用程序不必了解I2C總線原理、協(xié)議和時序，只要了解VIIC的應(yīng)用操作即可。關(guān)于VIIC1.0軟件包的詳細內(nèi)容，可參閱參考文獻1和參考文獻2。