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 11hmov a， #06h
date equ 12h lcall wri
hours equ 13h lcall st
minutes equ 14hmov a， #0a1h
seconds equ 15hlcall wri
weekday equ 16h
rd_byte： mov r3， #8
⑵ 校准写时钟数据 setb sda
wr_number： lcall strd_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 ， hoursmov sda ， c
anl a ， #3fhsetb scl
mov hours ， anop
lcall wri clr scl
mov a ， yeardjnz r3， wri1
swap a setb sda
rl a setb scl
rl a nop
orl a ， dateclr 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 sdasetb sda
clr sclnop
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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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）
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d4位：月份十位（ 0～1）。
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3、 硬件接口电路
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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
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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。
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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 11hmov a， #06h
date equ 12h lcall wri
hours equ 13h lcall st
minutes equ 14hmov a， #0a1h
seconds equ 15hlcall wri
weekday equ 16h
rd_byte： mov r3， #8
⑵ 校准写时钟数据 setb sda
wr_number： lcall strd_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 ， hoursmov sda ， c
anl a ， #3fhsetb scl
mov hours ， anop
lcall wri clr scl
mov a ， yeardjnz r3， wri1
swap a setb sda
rl a setb scl
rl a nop
orl a ， dateclr scl
lcall wri ret
mov a ， weekday
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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 sdasetb sda
clr sclnop
ret ret
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