基于單片機(jī)的日歷時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)

在實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)控制信號(hào)，更重要的是在發(fā)生故障時(shí)能準(zhǔn)確記錄故障數(shù)據(jù)，以便準(zhǔn)確分析排除錯(cuò)誤。監(jiān)控系統(tǒng)中一般都要定時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)某些重要的信息不僅要記錄其內(nèi)容，還要記錄下該信息發(fā)生的準(zhǔn)確時(shí)間，所記錄的實(shí)時(shí)時(shí)間信息應(yīng)長(zhǎng)期保存，因此需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)。常用的單片機(jī)沒有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，若需采用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，一旦系統(tǒng)掉電，時(shí)鐘就不能運(yùn)行，這是實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)
不允許的，而采用獨(dú)立運(yùn)行的實(shí)時(shí)時(shí)鐘便可實(shí)現(xiàn)。但一般的時(shí)鐘芯片在系統(tǒng)掉電時(shí)，其數(shù)據(jù)也會(huì)丟失，需提供備用電池。而時(shí)鐘芯片DS12887在系統(tǒng)掉電時(shí)數(shù)據(jù)不丟失，廣泛應(yīng)用于測(cè)量和控制系統(tǒng)。因此，這里給出了實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS12887在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 主要器件造型
1．1 DS12887的功能介紹
    DS12887是DALLAS公司推出的8位并行并自帶RAM的實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘芯片，內(nèi)部有14個(gè)時(shí)鐘控制寄存器，包括10個(gè)時(shí)標(biāo)寄存器，4個(gè)狀態(tài)寄存器和114 bit作掉電保護(hù)用的低功耗RAM。CPU通過(guò)讀DS12887的內(nèi)部時(shí)標(biāo)寄存器得到當(dāng)前的時(shí)間和日歷，也可通過(guò)選擇二進(jìn)制或BCD碼初始化芯
片的10個(gè)時(shí)標(biāo)寄存器，其4個(gè)狀態(tài)寄存器用來(lái)控制和指出DS12887的當(dāng)前工作狀態(tài)，114 bit非易失性靜態(tài)RAM可在掉電時(shí)保存一些重要數(shù)據(jù)。  DS12887功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛。其引腳功能如下：
    GND，VCC：直流電源+5 V電壓。當(dāng)5 V電壓在正常范圍內(nèi)時(shí)，數(shù)據(jù)可讀寫；當(dāng)VCC低于4．25 V，讀寫禁止，計(jì)時(shí)功能仍繼續(xù)；當(dāng)VCC下降到3 V以下時(shí)，RAM和計(jì)時(shí)器被切換到內(nèi)部鋰電池。
    MOT(模式選擇)：MOT引腳接到VCC時(shí)，選擇MOTOROLA時(shí)序，當(dāng)接到GFND時(shí)，選擇INTEL時(shí)序。
    SQW(方波信號(hào))：SQW引腳能從實(shí)時(shí)時(shí)鐘內(nèi)部15級(jí)分頻器的13個(gè)抽頭中選擇一個(gè)作為輸出信號(hào)，其輸出頻率可通過(guò)對(duì)寄存器A編程改變。
    AD0～AD7(雙向地址／數(shù)據(jù)復(fù)用線)：總線接口，可與MOTOROLA微機(jī)系列和INTEL微機(jī)系列接口。
    AS(地址選通輸入)：用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)分離，在AD／ALE的下降沿把地址鎖入DS12887。
    DS(數(shù)據(jù)選通或讀輸入)：DS／RD有2種操作模式，取決于MOT引腳的電平，當(dāng)使用MOTOROLA時(shí)序時(shí)，DS是一正脈沖，出現(xiàn)在總線周期的后段，稱為數(shù)據(jù)選通；在讀周期，DS指示DS12887驅(qū)動(dòng)雙向總的時(shí)刻；在寫周期，DS的后沿使DS12887鎖存寫數(shù)據(jù)。選擇INTEL時(shí)序時(shí)，DS稱作(RD)，RD與典型存儲(chǔ)器的允許信號(hào)(OE)的定義相同。
    (讀／寫輸入)：也有兩種操作模式。選MOTOROLA時(shí) 序時(shí)，是一電平信號(hào)，指示當(dāng)前周期是讀或?qū)懼芷?，DSO為高電平時(shí)，高電平指示讀周期，低電平指示寫周期；選INTEL時(shí)序，信號(hào)是一低電平信號(hào)，稱為WR。在此模式下，R／W與通用RAM的寫允許信號(hào)(WE)的含義相同。
    (片選輸入)：在訪問(wèn)DS12887的總線周期內(nèi)，片選信號(hào)必須保持為低。
    (中斷申請(qǐng)輸入)：低電平有效，可作微處理的中斷輸入。沒有中斷條件滿足時(shí)，IRQ處于高阻態(tài)。IRQ線是漏極開路輸入，要求外接上接電阻。
    (復(fù)位輸出)：當(dāng)保持低電平時(shí)間大于200 ms，保證DS12887有效復(fù)位。
    DS12887引腳如圖1所示。

    DS12887的內(nèi)部地址分配：地址00H和03H單元取值范圍是00H～3BH(十進(jìn)制為0～59)；04H～05H單元按12小時(shí)制取值范圍是上午(AM)01H～0CH(十進(jìn)制為1～12)，下午(PM)51H～5CH(十進(jìn)制為81～92)，按24小時(shí)制取值范圍是00H～17H(十進(jìn)制為0～23)；06H單元的取值范圍是01H～07H(十進(jìn)制為1～7)；07H單元取值范圍O1H～1FH(十進(jìn)制為1～31)；08H單元取值范圍是01H～0CH(十進(jìn)制為1～12)；09H單元取值范圍是00H～63H(十進(jìn)制為0～99)。
1．2 單片機(jī)A789C52簡(jiǎn)介
    AT89C52是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8 kB的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(R-AM)。該器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元。A-T89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入／輸出(I／O)端口，內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效降低開發(fā)成本。廣泛應(yīng)用于智能儀器、儀表和低功耗電子產(chǎn)品。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 DS12887的工作原理
    DS12887采用8位地址／數(shù)據(jù)復(fù)用的總線方式，具有一個(gè)鎖存引腳，通過(guò)讀、寫、鎖存信號(hào)實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部數(shù)據(jù)的輸入輸出，控制內(nèi)部的控制寄存器、讀取內(nèi)部的時(shí)間信息寄存器。DS12887的各種寄存器在其內(nèi)部空間都有相應(yīng)的固定地址，因此，單片機(jī)通過(guò)正確的尋址和寄存器操作就可以獲取需要的時(shí)間信息。DS12887有2種工作時(shí)序，即Motorola和Intel時(shí)序，由Mot引腳的電平指定。當(dāng)MOT引腳為高電平時(shí)選擇Motorola時(shí)序；為低電平時(shí)選擇Intel時(shí)序。除此之外DS12887內(nèi)部還有128字節(jié)的RAM的單元，其中前10個(gè)字節(jié)用于存放日歷時(shí)鐘信息，字節(jié)0為秒，字節(jié)2為分，字節(jié)4為時(shí)，字節(jié)6為星期，字節(jié)7為日，字節(jié)8為月，字節(jié)9為年，字節(jié)0AH～0DH用作控制和狀態(tài)寄存器，剩下的114字節(jié)為用戶RA-M，所有的這128字節(jié)都是掉電非易失性的。
2．2 DS12887與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)
    單片機(jī)的P0口用作地址／數(shù)據(jù)復(fù)用總線與實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS12887的AD0～AD7引腳相連。單片機(jī)的ALE引腳和DS12887的鎖存輸入引腳直接相連，用作地址鎖存，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和地址線的分時(shí)復(fù)用。DS12887的MOT引腳接地，用以選擇Intel總線時(shí)序模式，在Intel總線時(shí)序模式時(shí)，和51單片機(jī)的接口完全兼容，可以將其讀輸入DS、寫輸入與單片機(jī)的相應(yīng)引腳直接連接。DS12887的RESET引腳對(duì)日歷時(shí)鐘和RAM沒有影響，但影響DS12887的命令和狀態(tài)寄存器的內(nèi)容。在電路中直接將RESET連至Vcc，這樣可以保證DS12887在進(jìn)入或退出電源失效狀態(tài)時(shí)，其工作狀態(tài)不受RESET引腳的影響。DS12887的可編程輸出方波引腳SQW輸出頻率為2～256 Hz的方波，該系統(tǒng)則利用SQW引腳輸出周期為125 ms的方波作為單片機(jī)外部中斷／INT0的中斷源，實(shí)現(xiàn)周期性中斷。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，單片機(jī)讀一次輸入口，檢查電表是否轉(zhuǎn)過(guò)一圈，整點(diǎn)時(shí)還要采一次三相電流和電壓。
    DS12887與單片機(jī)的硬件接口電路如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 主程序
    主程序主要包括：系統(tǒng)初始化、獲取串口數(shù)據(jù)、設(shè)置日歷時(shí)鐘芯片、獲取時(shí)鐘芯片的時(shí)間信息和時(shí)鐘校正、顯示等子程序。初始化子程序主要包括設(shè)置單片機(jī)的串口和定時(shí)器的初始化，日歷時(shí)鐘芯片初始參數(shù)和驅(qū)動(dòng)芯片的初始化等。主程序流程圖如圖3所示。

3．2 設(shè)置日歷時(shí)鐘子程序
    在使用DS12887時(shí)，首先要初始化，主要是打開晶振、對(duì)控制寄存器A、B寫入控制字以及對(duì)日歷、時(shí)鐘各寄存器寫入初始值。除校時(shí)外，上電時(shí)不用再次初始化。第一次初始化時(shí)，應(yīng)禁止操作DS12887內(nèi)部更新周期，即先將寄存器B的SET位置“1”，然后初始化時(shí)標(biāo)寄存器(00H～09H)和狀態(tài)寄存器A，再通過(guò)讀寄存器C清除中斷標(biāo)志，讀寄存器D將VRT位置“1”，最后將寄存器B的SET位清零，DS12887開始計(jì)時(shí)。
    設(shè)置日歷時(shí)鐘，必須保證時(shí)鐘芯片DS12887處于設(shè)置狀態(tài)，即SET=1，然后向DS12887的專用寄存器寫入時(shí)間信息，寫入完畢后，DS12887恢復(fù)正常數(shù)據(jù)更新狀態(tài)，即SET=0。在讀取日歷時(shí)鐘芯片DS12887的時(shí)鐘信息時(shí)，必須保證UIP=0，然后讀取存儲(chǔ)其內(nèi)部寄存器的時(shí)鐘信息。
    為了能夠方便地顯示時(shí)間和校正時(shí)鐘，可在單片機(jī)中的用戶寄存器中開辟特殊的時(shí)間地址單元作為顯示緩沖區(qū)，分別放置“年，月，日，時(shí)，分，秒”等值。此時(shí)只要將DS12887中的時(shí)間值讀入到用戶開辟的時(shí)間地址中，用戶就可以方便控制時(shí)間。
    DS12887的日歷時(shí)鐘通過(guò)中斷和查詢2種方法讀出。但在讀數(shù)據(jù)時(shí)，首先要判斷數(shù)據(jù)是否更新結(jié)束，只有在數(shù)據(jù)更新結(jié)束時(shí)數(shù)據(jù)讀出才有效。DS12887的時(shí)間讀取和時(shí)鐘校正子程序流程圖如圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    以日歷時(shí)鐘芯片DS12887為例，介紹了一種該器件與單片機(jī)AT89C52的簡(jiǎn)單實(shí)用的硬件接口電路，該電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，性能穩(wěn)定，適用于那些對(duì)計(jì)時(shí)精度要求較高的系統(tǒng)，例如在列車制動(dòng)電子控制單元中，應(yīng)用DS12887提供準(zhǔn)確的時(shí)間來(lái)保存數(shù)據(jù)，并安裝在制動(dòng)控制裝置內(nèi)，對(duì)列車制動(dòng)和防滑控制。記錄、捕捉故障出現(xiàn)時(shí)間及了解故障發(fā)生時(shí)間前后信號(hào)變化的情況，并通過(guò)列車總線將故障信息傳送給監(jiān)控裝置，以便列車司機(jī)及時(shí)地采取相應(yīng)措施，這些對(duì)保障列車安全可靠運(yùn)行有著重要意義。