摘要：根據(jù)電壓監(jiān)測儀校驗裝置需要建立一個標準時鐘，對電壓監(jiān)測統(tǒng)計儀進行時間精度校正的要求，介紹了I2C總線接口時鐘芯片PCF8583的基本原理，提出了利用DS32KHz給PCF8583提供高穩(wěn)定度頻率信號，從而實現(xiàn)了標準時鐘的方案，并給出了PCF8583與MCS51單片機接口設(shè)計。

　　引言

　　電壓監(jiān)測統(tǒng)計儀是一種在線監(jiān)測電網(wǎng)電壓質(zhì)量、統(tǒng)計每分鐘瞬時電壓、每分鐘最大電壓、每分鐘最小電壓以及平均電壓、電壓合格率、電壓超上限率、電壓超下限率等功能的儀表。從以上功能可得出，電壓監(jiān)測統(tǒng)計儀除了測量電壓精度這一因素外，還有一重要因素就是時間的準確性。利用PCF8583串行時鐘芯片成功的應(yīng)用在電壓監(jiān)測儀校驗裝置中，既實現(xiàn)了電壓的可程控信號輸出，從而可測量電壓監(jiān)測統(tǒng)計儀的電壓精度指標，又實現(xiàn)了一個標準時鐘，從而可對電壓監(jiān)測統(tǒng)計儀的時間進行比對，實現(xiàn)校準。

　　1、PCF8583的基本功能特點

　　PCF8583是飛利浦公司推出的I2C總線接口實時時鐘芯片，它可獨立于CPU工作，不受CPU主晶振及共電容的影響，且計時準確。具有4年日歷時鐘，12或24小時格式，時基可用32.768KHZ或50Hz,帶可編程的鬧鐘，定時和中斷功能的日歷時鐘芯片。芯片具有體積小、硬件連線少、帶有256字節(jié)的靜態(tài)RAM等特點。對于PCF8583在電壓監(jiān)測儀校驗裝置中的應(yīng)用，主要是用它的實時時鐘計數(shù)功能，以及標準脈沖輸出功能。

　　2、PCF8583的寄存器結(jié)構(gòu)

　　在時鐘方式下，PCF8583中的寄存器結(jié)構(gòu)地址分配為：00H～07H為時間寄存器地址編碼； 08H～0FH為定時器起鬧寄存器地址編碼，作起鬧時間或通用RAM之用；10H～FFH為通用靜態(tài)RAM。其中00H為控制狀態(tài)寄存器，01H為1/100秒寄存器，02H為秒寄存器，03H為分寄存器，04H為時寄存器，05H為年/日寄存器，06H為星期/月寄存器，07H為定時寄存器。有關(guān)控制寄存器、時寄存器、年/日寄存器、星期/月寄存器的內(nèi)部格式詳述如下：

　　數(shù)據(jù)格式為：

　　(1) 控制寄存器（00H）

　　D7位：計數(shù)、停止計數(shù)位。D7=0，啟動對脈沖計數(shù)；D7=1，停止計數(shù)。

　　D6位：保持最新計數(shù)位。D6=0，計數(shù)；D6=1，保持和存儲最新計數(shù)值到捕捉寄存器中。

　　D5D4位：功能方式選擇位。

　　D5D4=00，選擇32.768KHZ時鐘方式。

　　D5D4=01，選擇50Hz時鐘方式。

　　D5D4=10，事件計數(shù)方式。

　　D5D4=11，測試方式。

　　D3位：標志位。

　　D3=0，讀05H、06HRAM單元時不屏蔽。

　　D3=1，對05H、06HRAM單元只讀出月、日計數(shù)值。

　　D2位：起鬧使能位。D2=0，不能起鬧；D2=0，允許起鬧寄存器使能。

　　D1位：起鬧標志位。D1=0，占空比為50%的分標志 。

　　D0位：定時器標志位。D0=0，占空比為50%的秒標志 。

　　(2) 時寄存器（04H）

　　D7位：計時格式。D7=0，24小時制，AM、PM標志不變。D7=1，12小時制，AM、PM標志更新。

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

　　D5D4位：鐘點十位（二進制0～2）。

　　D3D2D1D0位：鐘點個位（BCD碼）。

　　(3) 年/日寄存器（05H）

　　D7D6位：年份（二進制0～3）。

　　D5D4位：日期十位（二進制0～3）。

　　D3D2D1D0位：日期個位（BCD碼0～9）。

　　(4) 星期/月寄存器（06H）

　　D7D6D5位：星期（二進制0～6）。

　　D4位：月份十位（ 0～1）。

　　D3D2D1D0位：月份個位（BCD碼0～9）。

　　3、硬件接口電路

　　PCF8583作為I2C總線接口芯片，采用二線通信傳輸方式。即主要通過時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA進行雙向傳輸。由于I2C總線是同步串行數(shù)據(jù)傳輸總線，其內(nèi)部為雙向傳輸電路，端口輸出為開漏結(jié)構(gòu)，故總線上必須有上拉電阻，通?？扇?～10KΩ。PCF8583與AT89C52單片機的硬件接口電路如圖1所示。采用了內(nèi)帶恒溫槽、高穩(wěn)定度的DS32KHz標準晶體振器，代替了使用32.768KHZ普通晶振的方案。雖然這二種方案都能產(chǎn)生PCF8583時鐘芯片所需要的頻率，但是利用DS32KHz產(chǎn)生的晶振頻率精度為±1分鐘/年。而PCF8583時鐘芯片時間的準確性完全取決于晶振頻率的準確穩(wěn)定性。因此，經(jīng)過圖1電路改進后的方案確保了電壓監(jiān)測儀校驗裝置的時間標準，同時還可把32.768KHZ頻率輸出，作為利用比較法校驗電壓監(jiān)測統(tǒng)計儀的標準脈沖。由于考慮到PCF8583內(nèi)部不帶鋰離子電池，故外帶鋰離子電池來保證PCF8583的時鐘供電。圖1中R1和R2為I2C總線所需要的上拉電阻。P1.4口作為發(fā)送時鐘信號，P1.5口作為發(fā)送或接收數(shù)據(jù)信號。

　　圖1 PCF8583硬件接口電路

　　4、PCF8583接口程序設(shè)計格式

　　4.1 PCF8583 I2C總線上的信號說明

　　由于PCF8583為I2C總線接口芯片，因此它的數(shù)據(jù)操作格式是完全按照I2C總線上的信號讀、寫操作進行的。其中，I2C總線上的信號如圖2所示。啟動信號（S）出現(xiàn)在時鐘脈沖SCL為高電平，且數(shù)據(jù)線SDA由高電平到低電平的變化時；停止信號（P）出現(xiàn)在時鐘脈沖SCL為高電平，且數(shù)據(jù)線SDA由低電平到高電平的變化時；應(yīng)答信號（A）出現(xiàn)在I2C總線上的第9個時鐘脈沖SCL為高電平，且相應(yīng)的數(shù)據(jù)線SDA為低電平時；非應(yīng)答信號（/A）出現(xiàn)在I<>2C總線上的第9個時鐘脈沖SCL為高電平，且相應(yīng)的數(shù)據(jù)線SDA為高電平時；數(shù)據(jù)位傳送為I2C總線啟動后或應(yīng)答信號啟動后的第1～8個時鐘脈沖所對應(yīng)的一個字節(jié)的8位數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)傳送按照先高后低位的原則進行讀或?qū)憽?/p>

　　4.2 PCF8583讀、寫操作格式

　　PCF8583一次數(shù)據(jù)操作格式包括起始信號（S）、發(fā)送讀或?qū)憣ぶ纷止?jié)、 應(yīng)答信號、發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)、應(yīng)答信號……直到發(fā)送停止信號（P）。在本文應(yīng)用中，是按以下兩種操作格式來編寫程序的。

　　(1) PCF8583 寫操作格式PCF8583 寫操作格式如下所示，是指從指定單元首地址（word address）開始依次寫入幾個字節(jié)數(shù)據(jù)。其中slave address1為PCF8583器件寫地址，date1～daten為n個字節(jié)數(shù)據(jù)。

　　(2) PCF8583 讀操作格式

　　PCF8583 讀操作格式如下所示，先寫入要讀出的n個字節(jié)數(shù)據(jù)存入指定單元首地址（word address）開始的RAM單元中，然后才開始讀數(shù)據(jù)，其中slave address2為PCF8583器件讀地址。

　　5、PCF8583軟件編程

　　根據(jù)圖1所示的接口電路，PCF8583的寫地址為#0A0H，讀地址為#0A1H。在對PCF8583進行數(shù)據(jù)寫入時，應(yīng)先將日歷時鐘信息存放于單片機內(nèi)部從10H開始的8個RAM單元，而從PCF8583讀出的數(shù)據(jù)同樣需存放在其中。

　　6、結(jié)束語

　　本文闡述的PCF8583時鐘芯片,應(yīng)用于單相電壓監(jiān)測儀校驗裝置,該裝置是江西省2003年科技廳重點科技計劃課題，編號為10220221，已于2005年6月完成科技成果鑒定。本文在闡述了PCF8583的基本功能特點、寄存器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，給出了PCF8583的硬件接口電路、程序設(shè)計格式以及相應(yīng)的接口軟件。本文作者創(chuàng)新點是采用了內(nèi)帶恒溫槽、高穩(wěn)定度的DS32KHz晶體振蕩器，給PCF8583時鐘芯片提供穩(wěn)定的頻率信號，從而實現(xiàn)了標準時鐘。雖然采用GPS全球定位系統(tǒng)同樣可實現(xiàn)標準時鐘，但是它的價格高。因此，本文這種方案的應(yīng)用是一個提高了產(chǎn)品性價比的成功例子，值得推廣。