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85历时钟芯片原理及应用设计

PCF8563日历时钟芯片原理及应用设计

一、概述

PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工业级内含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。

PCF8563的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时服务，甚至可为单片机提供看门狗功能。

内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路（1.0V）以及两线制I2C总线通讯方式，不但使外围电路及其简洁，而且也增加了芯片的可靠性。

同时每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。

当然作为时钟芯片，PCF8563亦解决了2000年问题。

因而，PCF8563是一款性价比极高的时钟芯片，它已被广泛用于电表、水表、气表、电话、传真机、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。

特性

●宽电压范围1.0～5.5V，复位电压标准值Vlow=0.9V；

●超低功耗：

典型值为0.25μA（VDD=3.0V,Tamb=25℃）；

●可编程时钟输出频率为：

32.768KHz、1024Hz、32Hz、1Hz；

●四种报警功能和定时器功能；

●内含复位电路、振荡器电容和掉电检测电路；

●开漏中断输出；

●400kHzI2C总线（VDD=1.8—5.5V），其从地址：

读，0A3H;写，0A2H。

PCF8563的管脚排列及描述如图1及表1所示。

表1PCF8563管脚描述

符号

管脚号

描述

OSCI

振荡器输入

OSCO

振荡器输出

/INT

中断输出（开漏；低电平有效）

VSS

地

SDA

串行数据I/O

SCL

串行时钟输入

CLKOUT

时钟输出（开漏）

VDD

正电源

图1PCF8563管脚排列图

二、PCF8563的基本原理

PCF8563有16个８位寄存器：

一个可自动增量的地址寄存器，一个内置32.768KHz的振荡器（带有一个内部集成的电容），一个分频器（用于给实时时钟RTC提供源时钟），一个可编程时钟输出，一个定时器，一个报警器，一个掉电检测器和一个400KHzI2C总线接口。

所有16个寄存器设计成可寻址的8位并行寄存器，但不是所有位都有用。

前两个寄存器（内存地址00H，01H）用于控制寄存器和状态寄存器，内存地址02H～08H用于时钟计数器（秒~年计数器），地址09H～0CH用于报警寄存器（定义报警条件），地址0DH控制CLKOUT管脚的输出频率，地址0EH和0FH分别用于定时器控制寄存器和定时器寄存器。

秒、分钟、小时、日、月、年、分钟报警、小时报警、日报警寄存器，编码格式为BCD，星期和星期报警寄存器不以BCD格式编码。

当一个RTC寄存器被读时，所有计数器的内容被锁存，因此，在传送条件下，可以禁止对时钟／日

历芯片的错读。

1.报警功能模式

一个或多个报警寄存器MSB（AE=AlarmEnable报警使能位）清０时，相应的报警条件有效，这样，一个报警将在每分钟至每星期范围内产生一次。

设置报警标志位AF（控制／状态寄存器２的位３）用于产生中断，AF只可以用软件清除。

2.定时器

８位的倒计数器（地址0FH）由定时器控制寄存器（地址0EH，参见表23）控制，定时器控制寄存器用于设定定时器的频率（4096，64，1，或1/60Hz），以及设定定时器有效或无效。

定时器从软件设置的8位二进制数倒计数，每次倒计数结束，定时器设置标志位TF（参见表5），定时器标志位TF只可以用软件清除，TF用于产生一个中断（/INT），每个倒计数周期产生一个脉冲作为中断信号。

TI/TP（参见表5）控制中断产生的条件。

当读定时器时，返回当前倒计数的数值。

3.CLKOUT输出

管脚CLKOUT可以输出可编程的方波。

CLKOUT频率寄存器（地址0DH；参见表21）决定方波的频率，CLKOUT可以输出32.768KHz（缺省值），1024，32，1Hz的方波。

CLKOUT为开漏输出管脚，上电时输出有效，无效时输出为高阻抗。

4.复位

PCF8563包含一个片内复位电路，当振荡器停止工作时，复位电路开始工作。

在复位状态下，I2C总线初始化，寄存器TF、VL、TD1、TD0、TESTC、AE被置逻辑１，其它的寄存器和地址指针被清０。

5.掉电检测器和时钟监控

PCF8563内嵌掉电检测器（如图2所示），当VDD低于Vlow时,位VL（VoltageLow,秒寄存器的位7）被置１，用于指明可能产生不准确的时钟／日历信息，VL标志位只可以用软件清除．当VDD慢速降低（例如以电池供电）达到Vlow时，标志位VL被设置,这时可能会产生中断。

图2掉电检测

6.PCF8563内部寄存器

PCF8563共有16个寄存器，其中00H～01H为控制方式寄存器、09H～0CH为报警功能寄存器、0DH为时钟输出寄存器、0EH和0FH为定时器功能寄存器、02H～08H为秒～年时间寄存器。

各寄存器的位描述如表2及3.14所示。

表2二进制格式寄存器概况

地址

寄存器名称

Bit7

Bit6

Bit5

Bit4

Bit3

Bit2

Bit1

Bit0

00H

控制/状态寄存器1

TEST1

STOP

TESTC

01H

控制/状态寄存器2

TI/TP

AIE

TIE

0DH

CLKOUT输出寄存器

－

FD1

FD0

0EH

定时器控制寄存器

－

TD1

TD0

0FH

定时器倒计数

数值寄存器

定时器倒计数数值（二进制）

表3BCD格式寄存器概况

地址

寄存器名称

Bit7

Bit6

Bit5

Bit4

Bit3

Bit2

Bit1

Bit0

02h

秒

00～59BCD码格式数

03h

分钟

－

00～59BCD码格式数

04h

小时

－

00～59BCD码格式数

05h

日

－

01～31BCD码格式数

06h

星期

－

0～6

07h

月/世纪

－

01～12BCD码格式数

08h

年

00～99BCD码格式数

09h

分钟报警

00～59BCD码格式数

0Ah

小时报警

－

00～23BCD码格式数

0BH

日报警

－

01～31BCD码格式数

0CH

星期报警

－

0～6

注:

标明“－”的位无效

（1）控制/状态寄存器１

表4控制/状态寄存器１位描述（地址00H）

Bit

符号

描述

TEST1

TEST1=0，普通模式；TEST1=1，EXT_CLK测试模式

STOP

STOP=0，芯片时钟运行；STOP=1，所有芯片分频器异步置逻辑0。

芯片时钟停止运行（CLKOUT在32.768kHz时可用）

TESTC

TESTC=0，电源复位功能失效（普通模式时置逻辑0）

TESTC=1，电源复位功能有效

6,4,2,1,0

缺省值置逻辑0

（2）控制/状态寄存器２

表5控制/状态寄存器２位描述（地址01H）

Bit

符号

描述

7,6,5

缺省值置逻辑0

TI/TP

TI/TP=0:

当TF有效时INT有效（取决于TIE的状态）TI/TP=1:

INT脉冲有效,参见表6（取决于TIE的状态）。

注意：

若AF和AIE都有效时，则INT一直有效

当报警发生时，AF被置逻辑1；在定时器倒计数结束时，TF被置逻辑1，它们在被软件重写前一直保持原有值，若定时器和报警中断都请求时，中断源由AF和TF决定，若要使清除一个标志位而防止另一标志位被重写，应运用逻辑指令AND，标志位AF和TF值描述参见表7

AIE

标志位AIE和TIE决定一个中断的请求有效或无效，当AF或TF中一个为“1”时中断是AIE和TIE都置“1”时的逻辑或。

AIE=0，报警中断无效；AIE=1，报警中断有效

TIE=0，定时器中断无效；TIE=1，定时器中断有效

TIE

表6/INT操作（bitTI/TP=1）

源时钟

（Hz）

/INT周期

n=1

n>1

4096

1/8192

1/4096

1/128

1/64

1/60

1/64

注1．TF和/INT同时有效

注2．n为倒计数定时器的数值，当n＝0时定时器停止工作。

表7AF和TF值描述

R/W

Bit：

值

描述

值

描述

Read读

报警标志无效

报警标志有效

定时器标志无效

定时器标志有效

Write写

报警标志被清除

报警标志保持不变

定时器标志被清除

定时器标志保持不变

（3）秒、分钟和小时寄存器

表8秒/VL寄存器位描述（地址02H）

Bit

符号

描述

VL=0：

保证准确的时钟/日历数据

VL=1：

不保证准确的时钟/日历数据

6～0

<秒>

代表BCD格式的当前秒数值，值为00～99

例如：

<秒>＝1011001，代表59秒

表9分钟寄存器位描述（地址03H）

Bit

符号

描述

－

无效

6～0

<分钟>

代表BCD格式的当前分钟数值，值为00～59

表10小时寄存器位描述（地址04H）

Bit

符号

描述

7～6

－

无效

5～0

<小时>

代表BCD格式的当前小时数值，值为00～23

（4）日、星期、月/世纪和年寄存器

表11日寄存器位描述（地址05H）

Bit

符号

描述

7～6

－

无效

5～0

<日>

代表BCD格式的当前日数值，值为01～31。

当年计数器的值是闰年时，PCF8563自动给二月增加一个值，使其成为29天

表12星期寄存器位描述（地址06H）

Bit

符号

描述

7～3

－

无效

2～0

<星期>

代表当前星期数值0～6，参见表13，这些位也可由用户重新分配

表13星期分配表

日（Day）

Bit2

Bit1

Bit0

星期日

星期一

星期二

星期三

星期四

星期五

星期六

表14月/世纪寄存器位描述（地址07H）

Bit

符号

描述

世纪位；C=0指定世纪数为20××，C=1指定世纪数为19××，“××”为年寄存器中的值，参见表16。

当年寄存器中的值由99变为00时，世纪位会改变

6~5

－

无用

4~0

<月>

代表BCD格式的当前月份，值为01～12；参见表15

表15月分配表

月份

Bit4

Bit3

Bit2

Bit1

Bit0

一月

二月

三月

四月

五月

六月

七月

八月

九月

十月

十一月

十二月

表16年寄存器位描述（地址08H）

Bit

符号

描述

7～0

<年>

代表BCD格式的当前年数值，值为00～99

（5）报警寄存器

向一个或多个报警寄存器写入合法的分钟、小时、日或星期数值并且它们相应的AE（AlarmEnable）位为逻辑０，当这些数值与当前的分钟、小时、日或星期数值相等，标志位AF（AlarmFlag）被设置，AF保存设置值直到被软件清除为止，AF被清除后，只有在时间增量与报警条件再次相匹配时才可再被设置。

报警寄存器在它们相应位AE置为逻辑１时将被忽略。

表17分钟报警寄存器位描述（地址09H）

Bit

符号

描述

AE=0，分钟报警有效；AE=1，分钟报警无效

6～0

<分钟报警>

代表BCD格式的分钟报警数值，值为00～59

表18小时报警寄存器位描述（地址0AH）

Bit

符号

描述

7AE

AE=0，小时报警有效；AE=1，小时报警无效

6～0

<小时报警>

代表BCD格式的小时报警数值，值为00～23

表19日报警寄存器位描述（地址0BH）

Bit

符号

描述

AE=0，日报警有效；AE=1，日报警无效。

6～0

<日报警>

代表BCD格式的日报警数值，值为00～31

表20星期报警寄存器位描述（地址0CH）

Bit

符号

描述

AE=0，星期报警有效；AE=1，星期报警无效

6～0

<星期报警>

代表BCD格式的星期报警数值，值为0～6

（6）CLKOUT频率寄存器

表21CLKOUT频率寄存器位描述（地址0DH）

Bit

符号

描述

FE＝0，CLKOUT输出被禁止并设成高阻抗

FE＝1，CLKOUT输出有效

6～2

－

无效

FD1

FD0

用于控制CLKOUT的频率输出管脚（fCLKOUT）,

参见表22

表22CLKOUT频率选择表

FD1

FD0

fCLKOUT

FD1

FD0

fCLKOUT

32.768kHz

32Hz

1024Hz

1Hz

（7）倒计数定时器寄存器

定时器寄存器是一个８位字节的倒计数定时器，它由定时器控制器中位TE决定有效或无效，定时器的时钟也可以由定时器控制器选择，其它定时器功能，如中断产生，由控制／状态寄存器２控制。

为了能精确读回倒计数的数值，I2C总线时钟SCL的频率应至少为所选定定时器时钟频率的两倍。

表23定时器控制器寄存器位描述（地址0EH）

Bit

符号

描述

TE=0，定时器无效；TE=1，定时器有效

6～2

－

无用

TD1

定时器时钟频率选择位，决定倒计数定时器的时钟频率，见表24，不用时TD1和TD0应设为“11”（1/60Hz），以降低电源损耗

TD0

表24定时器时钟频率选择

TD1

TD0

定时器时钟频率（Hz）

4096

1/60

表25定时器倒计数数值寄存器位描述（地址0FH）

Bit

符号

描述

7～0

<定时器倒计数数值>

倒计数数值“n”，

倒计数周期＝n/时钟频率

7.EXT＿CLK测试模式

　测试模式用于在线测试、建立测试模式和控制RTC的操作。

　测试模式由控制/状态寄存器１的位TEST1设定，这时CLKOUT管脚成为输入管脚。

在测试模式状态下，通过CLKOUT管脚输入的频率信号代替片内的64Hz频率信号，每64个上升沿将产生１秒的时间增量。

　注意：

进入EXT＿CLK测试模式时时钟不与片内64Hz始终时钟同步，也确定不出预分频的状态。

操作举例

（1）进入EXT＿CLK测试模式；设置控制/状态寄存器１的位７（TEST=1）。

（2）设置控制/状态寄存器１的位５（STOP=1）。

（3）清除控制/状态寄存器１的位５（STOP=0）。

（4）设置时间寄存器（秒、分钟、小时、日、星期、月/世纪和年）为期望值。

（5）提供32个时钟脉冲给CLKOUT。

（6）读时间寄存器观察第一次变化。

（7）提供64个时钟脉冲给CLKOUT。

（8）读时间寄存器观察第二次变化；需要读时间寄存器的附加增量时，重复步骤（7）和（8）。

8.电源复位（POR）替换模式

POR的持续时间直接与振荡器的起动时间有关。

一种内嵌的长时间起动的电路可使POR失效，这样可使设备测试加速。

这种模式的设定要求I2C总线管脚SDA和SCL的信号波形如图3所示，图中所有的时间值为所需的最小值。

当进入替换模式时，芯片立即停止复位，操作通过I2C总线进入EXT＿CLK测试模式。

设置位TESTC逻辑０可消除替换模式，再次进入替换模式只有在设置TESTC为逻辑１后进行。

在普通模式时设置TESTC为逻辑０没有意义，除非想阻止进入POR替换模式。

图3POR时序图

9.石英晶片频率调整

方法

（1）：

定值OSCI电容――计算所需的电容平均值，用此值的定值电容，通电后在CLKOUT管脚上测出的频率应为32.768kHz，测出的频率值偏差取决于石英晶片，电容偏差和器件之间的偏差（平均为±5×10-6）。

平均偏差可达5分钟/年。

方法

（2）：

OSCI微调电容――可通过调整OSCI管脚的微调电容使振荡器频率达到精确值，这时可测出通电时管脚CLKOUT上的32.768kHz信号。

方法（3）：

OSCI输出—直接测量管脚OSCI的输出。

三、PCF8563与单片机的接口软件及功能应用举例

按I2C总线协议规约，PCF8563有唯一的器件地址0A2H。

如图4所示为PCF8563应用电路原理图，下面首先给出基本的接口软件，然后举例说明各种功能应用。

注：

电容C3的取值范围为1～20pF。

图4PCF8563应用电路原理图

1.时钟的读取和写入

（1）读时钟：

下面的程序将秒～年共七个字节的时间信息读出并放入MRD为首址的接收缓冲区中。

注意，时间读出后需进行整理（屏蔽无效位）方能得出正确的信息。

RCV8563:

MOVSLA,#0A2H;取器件地址

MOVSUBA,#02H;取读时间的首字节地址（从秒开始读）

MOVNUMBYTE,#07H;读七个时间信息

LCALLIRDNBYTE;读取时间并放入接收缓冲区中

MOVA,MRD;取秒字节

ANLA,#7FH;屏蔽无效位

MOVMRD,A

MOVA,MRD+1;取分钟字节

ANLA,#7FH;屏蔽无效位

MOVMRD+1,A

MOVA,MRD+2.;取小时字节

ANLA,#3FH;屏蔽无效位

MOVMRD+2,A

MOVA,MRD+3;取天字节

ANLA,#3FH;屏蔽无效位

MOVMRD+3,A

MOVA,MRD+4;取星期字节

ANLA,#07H;屏蔽无效位

MOVMRD+4,A

MOVA,MRD+5;取月字节

ANLA,#1FH;屏蔽无效位

MOVMRD+5,A

RET

（2）写时钟：

下面的程序将2000年6月20日星期3下午3点（15点）59分30秒的时间写入PCF8563。

SEND8563:

ACALLLOAD8563;将时间装入发送缓冲区（MTD）中

MOVSLA,#0A2H;取器件地址

MOVSUBA,#00H;取写入寄存器的首字节地址（从00H开始写）

MOVNUMBYTE,#09H;写七个时间信息和2个控制命令

LCALLIWRNBYTE;写时间

RET

LOAD8563:

MOVMTD,#00H;启动时钟

MOVMTD+1,#1FH;设置报警及定时器中断,定时器中断为脉冲形式

MOVMTD+2,#30H;以下分别将秒至年的时间写入发送缓冲区中

MOVMTD+3,#59H

MOVMTD+4,#15H

MOVMTD+5,#20H

MOVMTD+6,#02H

MOVMTD+7,#06H

MOVMTD+8,#00H

RET

2.主要功能的应用

PCF8563是一多功能时钟芯片，必须谨慎的使用这些功能（其中最主要的就是正确的设置功能参数），否则会产生意外的错误。

下面给出一些可能会用到的设置程序。

（1）报警功能的设置

PCF8563共有四种报警方式，分别为小时报警（每小时的同一分钟时刻报警）、日报警（每天的同一小时时刻报警）、月报警（每月的同一天时刻报警）和星期报警（每星期的同一天时刻报警）。

发生报警时AF位变为1。

设置报警有效的方法是将相应报警寄存器的最高位AE置0。

若同时置AIE=1，则在AF置1的同时将在/INT引脚产生一个中断（低电平有效），清除中断信号的方法是软件清AF。

由此看出，AIE相当于单片机中的中断允许控制位，而AF相当于中断申请标志位。

例：

让PCF8563在每小时的30分钟时产生报警并在/INT端产生一个中断给单片机P87LPC764。

●取原控制信息（目的是不破坏原来的配置）

MOVSLA,#0A2H;取器件地址

MOVSUBA,#01H;取中断控制字节地址

MOVNUMBYTE,#01H

LCALLIRDNBYTE;读中断控制字节信息

RET

●中断配置

MOVA,MRD

ORLA,#02H;置AIE=1

MOVMTD,A

MOVSUBA,#01H;取中断控制字节地址

MOVNUMBYTE,#01H

LCALLIWRNBYTE;送中断控制字节命令

RET

●报警配置

MOVMTD,#30H;30分报警时刻送发送缓冲区（最高位AE为0，报警有效）

MOVSUBA,#09H;取小时报警控制字节地址

MOVNUMBYTE,#01H

LCALLIWRNBYTE;送报警信息

RET

以上配置完成后,即可在/INT脚产生中断信号,在软件清除AF位之前，该中断信号一直有效。

清除中断信号的程序如下：

●取原控制信息（目的是不破坏原来的配置）

MOVSLA,#0A2H;取器件地址

MOVSUBA,#01H;取中断控制字节地址

MOV

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