85历时钟芯片原理及应用设计.docx

1、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

2、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1.05.5V，复位电压标准值Vlow=0.9V； 超低功耗：典型值为0.25A（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； 400kHz I2C总线(VDD=1.85.5V)，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1 PCF8563管脚描述符号管脚号 描 述OSCI 1振荡器

3、输入OSCO 2振荡器输出/INT 3中断输出（开漏；低电平有效）VSS 4地SDA 5串行数据I/OSCL 6串行时钟输入CLKOUT 7时钟输出 (开漏)VDD 8正电源 图1 PCF8563管脚排列图二、 PCF8563的基本原理PCF8563有16个位寄存器：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400KHz I2C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

4、）用于控制寄存器和状态寄存器，内存地址02H08H用于时钟计数器（秒年计数器），地址09H0CH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=Alarm Enable报警使能位）清时，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

5、内产生一次。设置报警标志位AF（控制状态寄存器的位）用于产生中断，AF只可以用软件清除。2. 定时器位的倒计数器（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

6、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，其它的寄存器和地址指针被清。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（Voltage Low,秒寄存器的位7）被置，用于指明可能产

7、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00H01H为控制方式寄存器、09H0CH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、02H08H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Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit000H控制/状态寄存器1TEST10STOP0TESTC00001H 控制/状态寄存器200

8、0TI/TPAFTFAIETIE0DH CLKOUT输出寄存器FEFD1FD00EH 定时器控制寄存器TETD1TD00FH 定时器倒计数数值寄存器 定时器倒计数数值(二进制)表3 BCD格式寄存器概况地址寄存器名称Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit002h秒 VL 0059BCD码格式数03h分钟 0059BCD码格式数04h小时 0059BCD码格式数05h日 0131BCD码格式数06h星期 0607h月/世纪 C 0112 BCD码格式数08h年 0099 BCD码格式数09h分钟报警 AE 0059 BCD码格式数0Ah小时报警 AE 0023 BCD码格

9、式数0BH日报警 AE 0131 BCD码格式数0CH星期报警 AE 06注:标明“”的位无效(1) 控制/状态寄存器表4 控制/状态寄存器位描述（地址00H）Bit符号 描 述7TEST1TEST1=0，普通模式；TEST1=1，EXT_CLK测试模式5STOPSTOP=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）3TESTCTESTC=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6,4,2,1,00缺省值置逻辑0（2）控制/状态寄存器表5 控制/状态寄存器位描述（地址01H）Bit符号描

10、述 7,6,50缺省值置逻辑0 4TI/TPTI/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 3 AF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 2 TF 1 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

11、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 0 TIE 表6 /INT操作（bit TI/TP=1）源时钟(Hz) /INT周期 n=1 n1 40961/81921/4096641/1281/6411/641/641/601/641/64 注1TF 和/INT同时有效 注2n为倒计数定时器的数值，当n0时定时器停止工作。 表7 AF和TF值描述R/W Bit：AF Bit：TF值描述值描述Read读01报警标志无效报警标志有效01定时器标志无效定时器标志有效Write写01报警标志被清除报警标志保持不变

12、01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7VLVL=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60代表BCD格式的当前秒数值，值为0099例如：1011001，代表59秒表9 分钟寄存器位描述（地址03H）Bit符号 描 述7无效60代表BCD格式的当前分钟数值，值为0059表10 小时寄存器位描述（地址04H）Bit 符 号 描 述76无效50代表BCD格式的当前小时数值，值为0023(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76无效50

13、代表BCD格式的当前日数值，值为0131。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73 无效20代表当前星期数值06，参见表13，这些位也可由用户重新分配表13 星期分配表日（Day）Bit2Bit1 Bit0星期日 0 0 0星期一 0 0 1星期二 0 1 0星期三 0 1 1星期四 1 0 0星期五 1 0 1星期六 1 1 0表14 月/世纪寄存器位描述（地址07H）Bit符号 描 述7C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

14、99变为00时，世纪位会改变65无用40代表BCD格式的当前月份，值为0112；参见表15表15 月分配表月份Bit4 Bit3Bit2Bit1Bit0 一月 0 0 0 0 1二月 0 0 0 1 0三月 0 0 0 1 1四月 0 0 1 0 0五月 0 0 1 0 1六月 0 0 1 1 0七月 0 0 1 1 1八月 0 1 0 0 0九月 0 1 0 0 1十月 1 0 0 0 0十一月 1 0 0 0 1十二月 1 0 0 1 0表16 年寄存器位描述（地址08H） Bit符号 描 述70代表BCD格式的当前年数值，值为0099(5) 报警寄存器向一个或多个报警寄存器写入合法的分钟

15、、小时、日或星期数值并且它们相应的AE（Alarm Enable）位为逻辑，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（Alarm Flag）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7AEAE=0，分钟报警有效；AE=1，分钟报警无效60代表BCD格式的分钟报警数值，值为0059表18 小时报警寄存器位描述（地址0AH）Bit符号 描 述7AEAEAE=0，小时报警有效；AE=1，小时报警无效60代表BCD格

16、式的小时报警数值，值为0023表19 日报警寄存器位描述（地址0BH）Bit符号 描 述7AEAE=0，日报警有效；AE=1，日报警无效。60代表BCD格式的日报警数值，值为0031表20 星期报警寄存器位描述（地址0CH）Bit符号 描 述7AEAE=0，星期报警有效；AE=1，星期报警无效60代表BCD格式的星期报警数值，值为06(6) CLKOUT频率寄存器表21 CLKOUT频率寄存器位描述（地址0DH）Bit符号 描 述7 FEFE0，CLKOUT输出被禁止并设成高阻抗FE1，CLKOUT输出有效62 无效10FD1FD0用于控制CLKOUT的频率输出管脚（fCLKOUT ）,参见表

17、22 表22 CLKOUT频率选择表FD1FD0fCLKOUT FD1FD0fCLKOUT 0 032.768kHz 1 032Hz 0 11024Hz 1 11Hz(7) 倒计数定时器寄存器定时器寄存器是一个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7TETE=0，定时器无效；TE=1，定时器有效62无用1TD1定时器时钟频率选择位，

18、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0TD0表24 定时器时钟频率选择TD1TD0定时器时钟频率（Hz） 00 4096 01 64 10 1 11 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70倒计数数值“n”，倒计数周期n/时钟频率7. EXTCLK 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

19、将产生秒的时间增量。 注意：进入EXTCLK 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EXTCLK 测试模式；设置控制/状态寄存器的位（TEST=1）。(2) 设置控制/状态寄存器的位（STOP=1）。(3) 清除控制/状态寄存器的位（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（

20、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EXTCLK 测试模式。设置位TESTC逻辑可消除替换模式，再次进入替换模式只有在设置TESTC为逻辑后进行。在普通模式时设置TESTC为逻辑没有意义，除非想阻止进入POR替换模式。 图3 POR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

21、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510-6）。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120pF。图4 PCF8563应

22、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: MOV SLA,#0A2H ;取器件地址 MOV SUBA,#02H ;取读时间的首字节地址（从秒开始读） MOV NUMBYTE,#07H ;读七个时间信息 LCALL IRDNBYTE ;读取时间并放入接收缓冲区中 MOV A,MRD ;取秒字节 ANL A,#7FH ;屏蔽无效位 MOV MRD,A MOV A, MRD+1 ;取分钟字节 ANL A,#7FH ;屏蔽无效位 MOV MRD

23、+1,A MOV A, MRD+2 . ;取小时字节 ANL A,#3FH ;屏蔽无效位 MOV MRD+2,A MOV A, MRD+3 ;取天字节 ANL A,#3FH ;屏蔽无效位 MOV MRD+3,A MOV A, MRD+4 ;取星期字节 ANL A,#07H ;屏蔽无效位 MOV MRD+4,A MOV A,MRD+5 ;取月字节 ANL A,#1FH ;屏蔽无效位 MOV MRD+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: ACALL LOAD8563 ;将时间装入发送缓冲区

24、(MTD) 中 MOV SLA,#0A2H ;取器件地址 MOV SUBA,#00H ;取写入寄存器的首字节地址（从00H开始写） MOV NUMBYTE,#09H ;写七个时间信息和2个控制命令 LCALL IWRNBYTE ;写时间 RET LOAD8563: MOV MTD,#00H ;启动时钟 MOV MTD+1,#1FH ;设置报警及定时器中断,定时器中断为脉冲形式 MOV MTD+2,#30H ;以下分别将秒至年的时间写入发送缓冲区中 MOV MTD+3,#59H MOV MTD+4,#15H MOV MTD+5,#20H MOV MTD+6,#02H MOV MTD+7,#06H

25、 MOV MTD+8,#00HRET 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A

26、F。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) MOV SLA,#0A2H ;取器件地址 MOV SUBA,#01H ;取中断控制字节地址 MOV NUMBYTE,#01H LCALL IRDNBYTE ;读中断控制字节信息 RET 中断配置 MOV A,MRD ORL A,#02H ;置AIE=1 MOV MTD,A MOV SUBA,#01H ;取中断控制字节地址 MOV NUMBYTE,#01H LCALL IWRNBYTE ;送中断控制字节命令 RET 报警配置MOV MTD,#30H ;30分报警时刻送发送缓冲区(最高位AE为0，报警有效) MOV SUBA,#09H ;取小时报警控制字节地址 MOV NUMBYTE,#01H LCALL IWRNBYTE ;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) MOV SLA,#0A2H ;取器件地址 MOV SUBA,#01H ;取中断控制字节地址 MOV