基于LPC2131的實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制設(shè)計(jì)

摘要：實(shí)時(shí)時(shí)鐘在工業(yè)系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。本系統(tǒng)以微控制器LPC2131為核心控制器，控制內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)對秒、分、小時(shí)等各個(gè)時(shí)間寄存器的準(zhǔn)確操作，通過串口將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。本文詳細(xì)給出硬件設(shè)計(jì)總體框圖、設(shè)計(jì)原理和軟件實(shí)現(xiàn)的方法，得出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這種實(shí)時(shí)時(shí)鐘的控制方法，很容易應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)以及各種智能化應(yīng)用系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：LPC2131；實(shí)時(shí)時(shí)鐘；串口

引言
    嵌入式技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展速度最快、應(yīng)用最廣、前景最好的信息技術(shù)領(lǐng)域之一。目前，社會(huì)上嵌入式系統(tǒng)人才短缺的現(xiàn)狀給各大高校帶來了契機(jī)，很多高校的電子信息工程專業(yè)都開設(shè)了相關(guān)的嵌入式課程。嵌入式系統(tǒng)主要由兩部分組成：一是硬件，二是軟件。本設(shè)計(jì)是基于32位ARM7TDMI-S核的LPC2131微控制器，內(nèi)部帶有獨(dú)立電源和時(shí)鐘源的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，在節(jié)電模式下極大地降低了功耗。通過硬件和軟件的結(jié)合操作，實(shí)現(xiàn)了對內(nèi)部各個(gè)時(shí)間寄存器的秒、分、小時(shí)、日、月、年和星期的控制，能夠?qū)⒉杉礁鱾€(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機(jī)上，達(dá)到實(shí)時(shí)系統(tǒng)的顯示功能。此設(shè)計(jì)便于形成專用的時(shí)鐘控制的嵌入式裝置，也能夠嵌入到各種智能化應(yīng)用系統(tǒng)中。

1 系統(tǒng)工作原理
    該系統(tǒng)主要基于LPC2131為核心的主控電路，由JTAG下載模塊、外部時(shí)鐘源模塊、ARM7微控制器模塊、串口通信模塊(RS-232)等電路組成。LPC2131微控制器內(nèi)部帶有實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，可以由外部獨(dú)立的時(shí)鐘振蕩器來提供時(shí)鐘源或由基于內(nèi)部VPB時(shí)鐘的可編程預(yù)分頻器來提供時(shí)鐘源，達(dá)到對時(shí)鐘寄存器秒、分、小時(shí)、日、月、年和星期的控制。同時(shí)將控制的數(shù)據(jù)通過串口與PC機(jī)通信，來實(shí)現(xiàn)結(jié)果，將數(shù)據(jù)顯示在PC機(jī)上。
1．1 實(shí)時(shí)時(shí)鐘內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹
    LPC2131內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。實(shí)時(shí)時(shí)鐘包含混合寄存器、時(shí)間寄存器、時(shí)間計(jì)數(shù)器、報(bào)警寄存器和預(yù)分頻器等。其中，混合寄存器包括：中斷位置寄存器(ILR)、時(shí)鐘節(jié)拍計(jì)數(shù)器(CTC)、時(shí)鐘控制寄存器(CCR)、計(jì)數(shù)器遞增中斷寄存器(CIIR)、報(bào)警屏蔽寄存器(A-MR)；時(shí)間計(jì)數(shù)器包括：秒寄存器(SEC)、分寄存器(MIN)、小時(shí)寄存器(HOUR)、日期寄存器(DOM)、星期寄存器(DOW)、年寄存器(DOY)、月寄存器(MONTH)、年寄存器(YEAR)；時(shí)間寄存器組包括：完整時(shí)間寄存器0(CTIME0)、完整時(shí)間寄存器1(CTIME1)、完整時(shí)間寄存器2(CTIME2)；報(bào)警寄存器包括：秒報(bào)警值(ALSEC)、分報(bào)警值(ALMIN)、小時(shí)報(bào)警值(ALHOUR)、日期報(bào)警值(ALDOM)、星期報(bào)警值(ALDOW)、月報(bào)警值(ALM-ON)、年報(bào)警值(ALYEAR)；預(yù)分頻器包括：預(yù)分頻值整數(shù)部分(PREINT)、預(yù)分頻值小數(shù)部分(PREFRAC)。

1．2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘的基本操作
    首先，設(shè)置時(shí)鐘控制寄存器(CCR)可以選擇RTC的計(jì)數(shù)時(shí)鐘，可以由外部振蕩器32．768 kHz提供或內(nèi)部Fpclk分頻得到。當(dāng)使用Fpclk作為時(shí)鐘源時(shí)，它的基準(zhǔn)時(shí)鐘分頻器允許調(diào)節(jié)任何頻率高于65．536 kHz的外設(shè)時(shí)鐘源產(chǎn)生一個(gè)32．768 kHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)操作。
    其次，如果CCR選擇內(nèi)部時(shí)鐘源，則設(shè)置RTC基準(zhǔn)時(shí)鐘分頻器(PREINT、PREFRAC)，如果選擇外部32．768kHz就不必設(shè)置預(yù)分頻寄存器的值，預(yù)分頻寄存器值的計(jì)數(shù)如下：
   
    接著初始化實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)的各個(gè)時(shí)鐘值，如YEAR、MONTH、DOM等，報(bào)警中斷設(shè)置，如CIIR、AMR等，然后啟動(dòng)RTC，即CCR的CLKEN位置位，讀取完整的時(shí)間寄存器值。在此過程中時(shí)鐘節(jié)拍計(jì)數(shù)器(CTC)是一個(gè)15位計(jì)數(shù)器，每秒計(jì)數(shù)32 768個(gè)時(shí)鐘，當(dāng)有CTC秒進(jìn)位時(shí)，完整時(shí)間CTIME0～CTIME2、RTC時(shí)間寄存器(如SEC、MIN)將會(huì)更新。實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷有兩種：一種增量中斷，由CIIR控制；另一種為報(bào)警中斷。本設(shè)計(jì)使用的是增量中斷。
    最后將串口初始化，設(shè)置串口的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位等，將串口與上位機(jī)連接，將串口采集到的時(shí)間寄存器變化的時(shí)間值發(fā)送到上位機(jī)上顯示，得到對實(shí)時(shí)時(shí)鐘的控制結(jié)果。
1．3 寄存器的功能介紹
    時(shí)鐘控制寄存器(CCR)是一個(gè)5位寄存器，控制時(shí)鐘電路的分頻操作。計(jì)數(shù)器增量中斷寄存器(CIIR)：可以使計(jì)數(shù)器每次增加時(shí)產(chǎn)生一次中斷，在中斷位置寄存器的位0(ILR[0])寫入1之前，該中斷一直保持有效。完整時(shí)間寄存器0(CTIME0)和完整時(shí)間寄存器1(CTIME1)：
CTIME0包括秒、分、小時(shí)、和星期，CTIME1包括日期、月和年。具體寄存器描述略——編者注。
    預(yù)分頻整數(shù)寄存器(PREINT)：預(yù)分頻的整數(shù)部分。預(yù)分頻整數(shù)部分計(jì)算如下：
   
    預(yù)分頻小數(shù)寄存器(PREFRAC)：預(yù)分頻的小數(shù)部分。預(yù)分頻小數(shù)部分計(jì)算如下：
   

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
    該系統(tǒng)對ARM7微控制器LPC2131的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的各個(gè)寄存器控制，來達(dá)到對時(shí)鐘的精確控制。該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。包括復(fù)位電路模塊、JTAG下載模塊、通信模塊(RS-232)、ARM7微控制器模塊及外部振蕩電路模塊。

2．2 系統(tǒng)的硬件原理圖
    復(fù)位電路如圖3所示，采用復(fù)位芯片SP708S，可以大大提高M(jìn)CU的復(fù)位性能。通過確定的電壓值(閾值)啟動(dòng)復(fù)位操作，同時(shí)排除瞬間干擾的影響，又防MCU在電源啟動(dòng)和關(guān)閉期間的誤操作，保證數(shù)據(jù)安全。用阻容復(fù)位穩(wěn)定性差，常常有按了復(fù)位鍵沒反應(yīng)，要按一段時(shí)間才能復(fù)位的經(jīng)歷，容易復(fù)位不成功。

    JTAG下載電路如圖4所示，采用20引腳的JTAG口，使用下載工具J-LINK，由軟件MDK將從PC機(jī)通過J-LINK，下載到LPC2131里。

    串口通信電路如圖5所示，采用串口芯片MAX3232，將MAX3232與LPC2131連接起來，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)數(shù)據(jù)通信。

    ARM7微控制器模塊及外部振蕩電路的系統(tǒng)時(shí)鐘源晶振為11．059 2 MHz，實(shí)時(shí)時(shí)鐘的晶振為32．768 kHz。電路圖略——編者注。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 程序流程
    本系統(tǒng)采用了高級(jí)語言C編寫LPC2131程序，本程序主要完成對實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC的各個(gè)時(shí)間寄存器的設(shè)定、顯示以及對串口0的初始化設(shè)定。然后通過CPU采集實(shí)時(shí)時(shí)鐘的各個(gè)時(shí)間寄存器變化的數(shù)據(jù)，經(jīng)串口連接到上位機(jī)，在上位機(jī)上顯示出時(shí)間來。程序流程如圖6所示。

3．2 控制程序
    根據(jù)程序流程，可將程序分為三大部分：第一部分，對串口的初始化及串口發(fā)送數(shù)據(jù)的函數(shù)初始化。第二部分，對實(shí)時(shí)時(shí)鐘的初始化，來設(shè)置基準(zhǔn)時(shí)鐘、時(shí)、分、秒等各個(gè)寄存器，將采集到的數(shù)據(jù)通過終端顯示出來。第三部分，主函數(shù)部分，將秒增量中斷標(biāo)志置位、清楚RTC中斷，而后循環(huán)地將時(shí)間在串口調(diào)試助手上顯示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    將以上程序在MDK中運(yùn)行，下載到LPC2131中，將串口與PC機(jī)連接，設(shè)置好串口調(diào)試助手，波特率9 600bps，數(shù)據(jù)位8位，1個(gè)停止位，無校驗(yàn)位。得到時(shí)間結(jié)果。

結(jié)語
    本文介紹了基于ARM7TDMI-S核的芯片LPC2131和內(nèi)部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)的工作原理，設(shè)計(jì)了基于實(shí)時(shí)時(shí)鐘與LPC2131的串行通信的采樣系統(tǒng)，將時(shí)間顯示在上位機(jī)上。這種時(shí)鐘控制系統(tǒng)在現(xiàn)代生產(chǎn)、生活中應(yīng)用廣泛。在實(shí)際應(yīng)用中，只需根據(jù)本文的基本思想進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊浦?，即可設(shè)計(jì)成專用的時(shí)鐘控制的嵌入式裝置，并嵌入到各種智能化應(yīng)用系統(tǒng)中。