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總線來實(shí)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(nèi)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(shè)計(jì)，提高硬件電路的工作效率。 2 X1288的引腳定義

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路輸出信號，以使電路系統(tǒng)快速復(fù)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(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(gè)斜率控制的下拉控制輸出信號的下降時(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，也可以無信號輸出。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VBACK時(shí)，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(shí)鐘/控制寄存器(CCR)位于從E2PROM陣列中分離出來的一個(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) 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(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)?ldquo;1”;當(dāng)讀取SR的值后，該位又變?yōu)?ldquo;0”。 RWEL：時(shí)鐘/控制寄存器(CCR)寫入控制位。對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(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC) 實(shí)時(shí)時(shí)鐘寄存器的地址0030h～0037h分別對應(yīng)秒、分、時(shí)、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(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。 可以通過向RTC寄存器中寫入數(shù)據(jù)來設(shè)定時(shí)間和日期。通過一次不完全連續(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，以便在長時(shí)間內(nèi)獲得更好的計(jì)時(shí)精度。DTR2是符號位，“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 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(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)%26;#215;0.25]+11.0pF 實(shí)際上，數(shù)字和模擬結(jié)合起來的微調(diào)范圍可高達(dá)+146ppm。BL中的BP2～BP0位是塊保護(hù)位，這些位可用來決定對E2 PROM陣列中8個(gè)保護(hù)段的某些具體段提供寫保護(hù)(參見表3所列);WD1、WD0用來設(shè)置看門狗時(shí)限。 表3 塊保護(hù)位與E2PROM陣列保護(hù)區(qū) BP2 BP1 BP0 被保護(hù)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(bào)警中斷信號(IRQ)的輸出使能位，這兩位分別結(jié)合SR中的AL1和AL0，可用來指示報(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與實(shí)時(shí)時(shí)鐘寄存器作比較。通過設(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。用戶可以通過輪詢AL0和AL1軟標(biāo)志來確定一次報(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)無報(bào)警。 4　I2C總線數(shù)據(jù)傳送方式 X1288在應(yīng)用時(shí)一般作為從器件通過串行I2C總線來實(shí)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(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;而在SCL為高且SDA線上出現(xiàn)一個(gè)上升沿時(shí)停止。啟動和停止信號都由主控器產(chǎn)生，這樣，總線上帶有I2C接口的器件就能很容易地檢測到這些信號。但對于不具備這種接口的單片機(jī)來說，為了能夠準(zhǔn)確地檢測到這些信號，必須保證在總線的一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)對SDA線至少進(jìn)行兩次采樣。 I2C總線上的應(yīng)答信號是用于表明數(shù)據(jù)傳輸成功的信號。當(dāng)發(fā)送的設(shè)備發(fā)送了啟動位和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，該信號可用來說明數(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)備沒有收到接收設(shè)備的應(yīng)答信號，則說明發(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，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。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(gè)字節(jié)的寫操作時(shí)序，由圖可見，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)要訪問的地址字(2字節(jié))、一個(gè)字節(jié)的操作數(shù)。采用頁面寫時(shí)，它將以和單字節(jié)寫操作相同的方式啟動，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)將會自動轉(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X1288進(jìn)行讀寫操作，因此可通過對I2C總線典型信號的時(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設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，其中包括基本的啟動、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 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。