时钟芯片在电压监测仪校验装置中的应用

摘要：根据电压监测仪校验装置需要建立一个标准时钟，对电压监测统计仪进行时间精度校正的要求，介绍了I2C总线接口时钟芯片PCF8583的基本原理，提出了利用DS32KHz给PCF8583提供高稳定度频率信号，从而实现了标准时钟的方案，并给出了PCF8583与MCS51单片机接口设计。
关键词：电压监测仪 I2C总线 DS32KHz

0  引言

    电压监测统计仪是一种在线监测电网电压质量、统计每分钟瞬时电压、每分钟*大电压、每分钟*小电压以及平均电压、电压合格率、电压超上限率、电压超下限率等功能的仪表。从以上功能可得出，电压监测统计仪除了测量电压精度这一因素外，还有一重要因素就是时间的准确性。利用PCF8583串行时钟芯片成功的应用在电压监测仪校验装置中，既实现了电压的可程控信号输出，从而可测量电压监测统计仪的电压精度指标，又实现了一个标准时钟，从而可对电压监测统计仪的时间进行比对，实现校准。

1  PCF8583的基本功能特点

    PCF8583是飞利浦公司推出的I2C总线接口实时时钟芯片，它可独立于CPU工作，不受CPU主晶振及共电容的影响，且计时准确。具有4年日历时钟，12或24小时格式，时基可用32.768KHz或50Hz,带可编程的闹钟,定时和中断功能的日历时钟芯片。芯片具有体积小、硬件连线少、带有256字节的静态RAM等特点。对于PCF8583在电压监测仪校验装置中的应用，主要是用它的实时时钟计数功能，以及标准脉冲输出功能。

2  PCF8583的寄存器结构

    在时钟方式下，PCF8583中的寄存器结构地址分配为：00H～07H为时间寄存器地址编码； 08H～0FH为定时器起闹寄存器地址编码，作起闹时间或通用RAM之用；10H～FFH为通用静态RAM。其中00H为控制状态寄存器，01H为1/100秒寄存器，02H为秒寄存器，03H为分寄存器，04H为时寄存器，05H为年/日寄存器，06H为星期/月寄存器，07H为定时寄存器。有关控制寄存器、时寄存器、年/日寄存器、星期/月寄存器的内部格式详述如下：        

    数据格式为：

 

    ⑴ 控制寄存器（00H）

    D7位：计数、停止计数位。D7=0，启动对脉冲计数；D7=1，停止计数。

    D6位：保持*新计数位。D6=0，计数；D6=1，保持和存储*新计数值到捕捉寄存器中。

    D5D4位：功能方式选择位。D5D4=00，选择32.768KHz时钟方式。

    D5D4=01，选择50Hz时钟方式。
 
    D5D4=10，事件计数方式。
  
    D5D4=11，测试方式。

    D3位：标志位。D3=0，读05H、06HRAM单元时不屏蔽。

    D3=1，对05H、06HRAM单元只读出月、日计数值。

    D2位：起闹使能位。D2=0，不能起闹；D2=0，允许起闹寄存器使能。

    D1位：起闹标志位。D1=0，占空比为50%的分标志 。

    D0位：定时器标志位。D0=0，占空比为50%的秒标志 。

     ⑵ 时寄存器（04H）

    D7位：计时格式。D7=0，24小时制，AM、PM标志不变。
 
    D7=1，12小时制，AM、PM标志更新。

    D6位：上午（AM）、下午（PM）标志。D6=0，AM；D6=1，PM。

    D5D4位：钟点十位（二进制0～2）。

    D3D2D1D0位：钟点个位（BCD码）。

    ⑶ 年/日寄存器（05H）

    D7D6位：年份（二进制0～3）。

    D5D4位：日期十位（二进制0～3）。

    D3D2D1D0位：日期个位（BCD码0～9）。

    ⑷ 星期/月寄存器（06H）

    D7D6D5位：星期（二进制0～6）。

    D4位：月份十位（ 0～1）。

    D3D2D1D0位：月份个位（BCD码0～9）。

3  硬件接口电路

    PCF8583作为I2C总线接口芯片，采用二线通信传输方式。即主要通过时钟线SCL和数据线SDA进行双向传输。由于I2C总线是同步串行数据传输总线，其内部为双向传输电路，端口输出为开漏结构，故总线上必须有上拉电阻，通常可取5～10KΩ。PCF8583与AT89C52单片机的硬件接口电路如图1所示。采用了内带恒温槽、高稳定度的DS32KHz标准晶体振器，代替了使用32.768KHz普通晶振的方案。虽然这二种方案都能产生PCF8583时钟芯片所需要的频率，但是利用DS32KHz产生的晶振频率精度为±1分钟/年。而PCF8583时钟芯片时间的准确性完全取决于晶振频率的准确稳定性。因此，经过图1电路改进后的方案确保了电压监测仪校验装置的时间标准，同时还可把32.768KHz频率输出，作为利用比较法校验电压监测统计仪的标准脉冲。由于考虑到PCF8583内部不带锂离子电池，故外带锂离子电池来保证PCF8583的时钟供电。图1中R1和R2为I2C总线所需要的上拉电阻。P1.4口作为发送时钟信号，P1.5口作为发送或接收数据信号。

 

4  PCF8583接口程序设计格式

    4.1 PCF8583I2C总线上的信号说明

    由于PCF8583为I2C总线接口芯片，因此它的数据操作格式是完全按照I2C总线上的信号读、写操作进行的。其中，I2C总线上的信号如图2所示。启动信号（S）出现在时钟脉冲SCL为高电平，且数据线SDA由高电平到低电平的变化时；停止信号（P）出现在时钟脉冲SCL为高电平，且数据线SDA由低电平到高电平的变化时；应答信号（A）出现在I2C总线上的第9个时钟脉冲SCL为高电平，且相应的数据线SDA为低电平时；非应答信号（/A）出现在I2C总线上的第9个时钟脉冲SCL为高电平，且相应的数据线SDA为高电平时；数据位传送为I2C总线启动后或应答信号启动后的第1～8个时钟脉冲所对应的一个字节的8位数据传送。数据传送按照先高后低位的原则进行读或写

 

    4.2 PCF8583读、写操作格式

    PCF8583一次数据操作格式包括起始信号（S）、发送读或写寻址字节、 应答信号、发送数据字节、应答信号……直到发送停止信号（P）。在本文应用中，是按以下两种操作格式来编写程序的。

    ⑴ PCF8583 写操作格式PCF8583 写操作格式如下所示，是指从指定单元首地址（word address）开始依次写入几个字节数据。其中slave address1为PCF8583器件写地址，date1～daten为n个字节数据。

 

    ⑵ PCF8583 读操作格式

    PCF8583 读操作格式如下所示，先写入要读出的n个字节数据存入指定单元首地址（word address）开始的RAM单元中，然后才开始读数据，其中slave address2为PCF8583器件读地址。

 

5  PCF8583软件编程

    根据图1所示的接口电路，PCF8583的写地址为#0A0H，读地址为#0A1H。在对PCF8583进行数据写入时，应先将日历时钟信息存放于单片机内部从10H开始的8个RAM单元，而从PCF8583读出的数据同样需存放在其中。
 
6  结束语

    本文阐述的PCF8583时钟芯片,应用于单相电压监测仪校验装置,该装置是江西省2003年科技厅ZD科技计划课题，编号为10220221，已于2005年6月完成科技成果鉴定。本文在阐述了PCF8583的基本功能特点、寄存器结构的基础上，给出了PCF8583的硬件接口电路、程序设计格式以及相应的接口软件。本文作者创新点是采用了内带恒温槽、高稳定度的DS32KHz晶体振荡器，给PCF8583时钟芯片提供稳定的频率信号，从而实现了标准时钟。虽然采用GPS定位系统同样可实现标准时钟，但是它的价格高。因此，本文这种方案的应用是一个提高了产品性价比的成功例子，值得推广。