基于PCF8583时钟芯片实现电压监测仪测量系统的设计

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、每分钟最大电压、每分钟最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：保持最新计数位。D6=0，计数；D6=1，保持和存储最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。下面是根据图1电路编制的读写PCF8583时钟的部分软件：

⑴ 变量定义　　　　　　　　　　　　　　⑶ 读时钟数据

SCL BIT P1.4　　　　　　　　　　　　　RD_NUM： LCALL ST

SDA BIT P1.5　　　　　　　　　　　　　MOV

A， #0A0H

year EQU 10H　　　　　　　　　　　　　LCALL WRI

month EQU 11H　　　　　　　　　　　　MOV A， #06H

date EQU 12H　　　　　　　　　　　　　LCALL WRI

hours EQU 13H　　　　　　　　　　　　　LCALL ST

minutes EQU 14H　　　　　　　　　　　　MOV A， #0A1H

seconds EQU 15H　　　　　　　　　　　　LCALL WRI

weekday EQU 16H

RD_BYTE： MOV R3， #8

⑵ 校准写时钟数据　　　　　　　　　　　　　SETB SDA

WR_NUMBER： LCALL ST　　　　　　　　RD_BYTE1： NOP

MOV A， #0A0H　　　　　　　　　　　　　SETB SCL

LCALL WRI　　　　　　　　　　　　　　　MOV C， SDA

MOV A ， #00H　　　　　　　　　　　　　RLC A

LCALL WRI　　　　　　　　　　　　　　　CLR SCL

MOV A， #80H　　　　　　　　　　　　　DJNZ R3， RD_BYTE1

LCALL WRI LCALL STOP

MOV A ， seconds　　　　　　　　　　　RET

LCALL WRI？&nb

sp;　　　　　　　　　⑷ 写一个字节数据

mov a ， minutes　　　　　　　　　　　WRI： MOV R3， #8

lcall wri　　　　　　　　　　　　　　　WRI1： RLC A

MOV A ， hours　　　　　　　　　　　　MOV SDA ， C

ANL A ， #3FH　　　　　　　　　　　　SETB SCL

MOV hours ， A　　　　　　　　　　　　NOP

lcall wri　　　　　　　　　　　　　　　CLR SCL

MOV A ， YEAR　　　　　　　　　　　　DJNZ R3， WRI1

SWAP A　　　　　　　　　　　　　　　SETB SDA

RL A　　　　　　　　　　　　　　　　　SETB SCL

RL A　　　　　　　　　　　　　　　　　NOP

ORL A ， DATE　　　　　　　　　　　　CLR SCL

lcall wri　　　　　　　　　　　　　　　RET

MOV A ， WEEKDAY

SWAP A

RL A

ORL A ， month

lcall wri

LCALL STOP

RET

⑸ 启动I2C总线　　　　　　　　　　　⑹ 停止I2C总线

ST：&nbs

p; SETB SDA 　　　　　　　STOP： CLR SDA

SETB SCL　　　　　　　　　　　　　SETB SCL

CLR SDA　　　　　　　　　　　　　　SETB SDA

CLR SCL　　　　　　　　　　　　　　NOP

RET　　　　　　　　　　　　　　　　　RET

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年科技厅重点科技计划课题，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全球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。

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