I2C串行芯片X1288及其在電子電能表中的應用

    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據時仍保持時鐘的準確性。此外，Ｘ１２８８還可提供３２ｋ字節的Ｅ２ＰＲＯＭ陣列，并具有電源和ＣＰＵ監控功能。

Ｘ１２８８串行芯片一般采用Ｉ２Ｃ總線來實現與主控制器的數據交換。Ｉ２Ｃ是由Ｐｈｉｌｉｐｓ公司開發的一種用于內部ＩＣ控制的雙向二線串行總線，通過該總線可很好地解決現代電子系統中眾多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。

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送一個低電平有效的漏極開路輸出信號，以使電路系統快速復位。

ＳＤＡ：串行數據端，為漏極開路輸出的雙向引腳，用于數據的輸入輸出。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，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。

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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，可分別用于狀態寄存器（１字節）、實時時鐘（８字節）、控制寄存器（４字節）、報警寄存器１和報警寄存器０（各８字節）。

３.１ 狀態寄存器（ＳＲ）

狀態寄存器是易失性的，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 狀態寄存器（SR）

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位將變為“１”；當讀?。樱业闹岛?，該位又變為“０”。

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，該位變為 “１”；而在系統再次上電后，如果要對ＲＴＣ進行第一次有效寫操作，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生變化。當一次讀出并不是由讀操作引起時，系統將發出報警。

可以通過向ＲＴＣ寄存器中寫入數據來設定時間和日期。通過一次不完全連續的寫操作可避免改變當前時間，在ＲＴＣ數據輸入字節之前的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，以使時鐘繼續運行。而此時新的串行輸入數據將取代緩沖器的值。當有效的寫操作結束后，系統產生停止位時，這個新值才被裝載到ＲＴＣ寄存器中。向ＲＴＣ寫入單個字節并不對其它字節的數據產生影響。

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，其值在０～６之間循環，數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是數字化微調寄存器，它的作用是調整每秒的計數值和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

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）×０．２５]＋１１．０ｐＦ

實際上，數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

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，不同之處在于其最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，整個系統無報警。

４?。桑玻每偩€數據傳送方式

Ｘ１２８８在應用時一般作為從器件通過串行Ｉ２Ｃ總線來實現與主控制器的通信。其中，ＳＤＡ用來接收、發送數據；ＳＣＬ用于接收產生的同步脈沖，當ＳＣＬ為低時，ＳＤＡ上的數據發生變化，為高時表明可以接收ＳＤＡ上的數據。

Ｉ２Ｃ總線在ＳＣＬ為高且ＳＤＡ線上出現一個下降沿時啟動；而在ＳＣＬ為高且ＳＤＡ線上出現一個上升沿時停止。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，為了能夠準確地檢測到這些信號，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據傳輸成功的信號。當發送的設備發送了啟動位和８位數據之后，在第９個ＳＣＬ有效時，接收設備將使ＳＤＡ為低以產生有效的應答信號，該信號可用來說明數據已成功接收。當接收設備發送了表明數據已成功接收的應答信號之后，發送設備可選擇繼續發送數據或發送停止位以結束發送，如發送設備沒有收到接收設備的應答信號，則說明發送失敗，此時應重發。

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，它們規定為１１１，最低位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為８位，而啟動一次Ｉ２Ｃ總線后傳輸的字節數可以是一個，也可以是多個。每傳送一個字節后，都必須跟隨一個應答位，并且先發送的數據位為最高位。在全部數據傳送結束后主控制器發送終止信號。Ｘ１２８８有兩種寫操作方式，分別為單字節寫或頁面寫。圖４所示是對Ｘ１２８８完成一個字節的寫操作時序，由圖可見，寫操作共由四個字節組成，其中包括一個從地址字節、一個要訪問的地址字（２字節）、一個字節的操作數。采用頁面寫時，它將以和單字節寫操作相同的方式啟動，但在第一個字節傳送之后不結束寫周期，主機可發送多于６３個字節到存儲器陣列和多于７個字節到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時間的正確性，并為多費率的電價計量等提供準確的時間；當由于外部干擾而產生死循環時，單片機能自動復位；３２ｋ字節的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據的可靠保存和靈活更改；當系統掉電時，系統中的電源管理系統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，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總線數據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軟件，其中包括基本的啟動、停止、發送應答位、發送非應答位的子程序，同時還有應答位檢查、發送一個字節數據、接收一個字節數據、發送ｎ個字節數據和接收ｎ個字節數據等子程序。

６　結束語

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比，可大大降低電路板的空間和功耗，因此，是系統可靠運行的關鍵器件。