1、基于8051实时时钟芯片PCF8563驱动程序设计方案基于8051实时时钟芯片PCF8563驱动程序设计方案第1章 绪论1.1 研究背景前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪
2、器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统
3、，与计算机联网构成二级控制系统等。在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸
4、机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。在各种大型电器中的模块化应用某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。 单片机在汽车设备领域中的应用单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车
5、发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。 SCM即单片微型计算机阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上， MCU即微控制器阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。
6、从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。 PCF8563 是一款工业级内含I2C 总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片.P
7、CF8563 的多种报警功能定时器功能时钟输出功能和中断输出功能达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0.25 A VDD=3.0V,Tamb=25可
8、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 其从地址读0A3H;写0A2H1.2 研究意义随着消费类电子产品的广泛应用，实时时钟芯片的需求也在增加，这就要求实时时钟芯片朝功耗低、精度高、体积小、功能全的方向发展国内外已有很多这方面的研究传统的实时时钟通常只具备计时功能，人工干预较少，灵活性较差.PCF8563在时钟芯片的世界中，是一款性价比较高的芯片。其接口电路简洁，芯片驱动程序严格按照芯片时序编写，读写稳定可靠，可为智能仪器提供高准确度的时钟、定时和报警功能。1.3 研究内
9、容PCF可编程时钟输出频率，以及它的石英晶振频率，对时钟芯片进行正确的设置状态，了解它的控制寄存器，知道对不精准的时钟进行校准，最后对芯片进行延时保护第2章 8051介绍 随着电子设备产业的快速发展，选择适当的元件满足设计规范要求、尽可能降低成本、确保设计方案的功率、特别是控制系统的体积大小等等变得越来越困难，低功耗、小型化设计逐渐成为产品设计的关键。 目前无论国内还是国外，以8位CPU为核的SoC由于价格低廉，应用软件开发成本低，应用广泛而仍旧占据市场主导地位。以国内为例，8位MCU占据50%以上的市场。8位SoC的发展和市场都较其它的SoC成熟，市场的竞争也十分激烈。国外的8位MCU技术朝
10、两方面发展，一是朝高性能、低功耗，更低电压发展，二是降低成本满足低端客户需求。北京时代民芯科技有限公式所研制的SoC产品MXT8051是利用公司自行研制的高性能8051MCU为核心进行开发，并集成了存储器、AD、DA、PGA、LCD等模拟IP，满足多种微控制系统应用。 图2-1 MXT8051F04A MXT8051单片机是北京时代民芯科技有限公司推出的高速单指令周期8051为核的MCU。该电路拥有丰富的外设，包括PWM、UART、WDT、Timer等，大容量存储器，内嵌32Kx8可在线编程flash、10位AD、8位DAC、两个OP、36x4 LCDdriver、LDO以及可编程增益放大器(
11、PGA)等模拟电路。电路集成片上调试系统，通过标准JTAG接口，快速诊断复杂SOC，该调试系统具有不占用任何硬件资源可进行全速和单步运行、支持硬件断点、软件断点、以及观察内部特殊功能寄存器、程序指针和内部RAM等功能。上位机通过标准JTAG接口以及用户定义指令执行在线编程和在线调试。同时提供调试和编程软件包。其主要特点如下：低功耗，Standby状态下在工作电流40uA； 单指令周期，时钟周期支持040MHz；片内32K Byte Flash ROM，256Byte内部RAM和1K Byte 外部RAM；2个16位定时器，看门狗，3个10位PWM，UART，RTC精确计时器；集成OSC内部4M
12、Hz振荡器，2 个片上时钟产生器，系统时钟分频器，系统时钟内部时钟和外部时钟可选；标准JTAG接口，支持在线下载及调试；集成4com36seg段式LCD显示驱动；4路10位AD，两个real to real独立OP和可编程增益放大器(PGA)；01mA可调恒流源输出；2-1基于MXT8051系统设计方法 由于MXT8051 SoC的高集成度和低功耗，对于目前市场上流行的微控制系统，其具延长手持设备电池供电使用时间；节约大量外部元件的成本和焊接费用；减少元件的筛选工序，提高成品率等特点。MXT8051内部集成144段式LCD驱动和5个外部中断源，能够满足微控制系统中对于人机信息交互的需要；其独特
13、的可调增益放大器、恒流源、放大器模拟模块，可为电阻式传感器(如压力、温度、光线)或其他生物传感器提供完备的数据转换和采集系统；3路10位PWM能够输出不同占空比和频率的脉冲信号。这种设计方案的结构框图如图2-2所示，由于大部分功能模块已经集成到SoC内部，开发人员只需针对应用所需少量外围电路，即可完成一个系统的设计，并快速进入软件研发状态，缩短产品开发周期。MXT8051由于自身特点和优势，可在医疗仪器、数字仪表、家用电器等多种领域得到应用，能够为用户实现缩短设计周期、减少元件数量、降低产品成本的目标。 （a）AT89C51 (B)AT89C2051 图2-2 两种存储器 单片微型计算机简称为
14、单片机，又称为微型控制器，是微型计算机的一个重要分支。单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于同一硅片的器件。80年代以来，单片机发展迅速，各类新产品不断涌现，出现了许多高性能新型机种，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱产业之一。MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，l P0.0P0.7 P0口8位双向口线（在引脚的3932号端子）。 P1.0P1.7 P1口8位双向口线（在引脚的18号端子）。 P2.0P2.7 P2口8位双向口线（在引脚的2128号端子）。 P3.0P3.7 P3口8位双向口线（在引脚的101
15、7号端子）。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。2-2 8051引脚 (a)引脚图 （b）接线功能图图2-3 单片机引脚图 P0口有三个功能外部扩展存储器时，当做数据总线（如图2-1中的D0D7为数据总线接口） 外部扩展存储器时，当作地址总线（如图2-1中的A0A7为地址总线接口
16、） 不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。 P1口只做I/O口使用：其内部有上拉电阻。 P2口有两个功能： 扩展外部存储器时，当作地址总线使用 做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻； P3口有两个功能：除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置，具体功能请参考我们后面的引脚说明。内部EPROM的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的，即：编程脉冲：30脚 编程电压：31脚（EA/Vpp）接触过工业设备的兄弟可能会看到有些印刷线路板上会有一个电池，
17、这就是单片机的备用电源，当外接电源下降到下限值时，备用电源就会经第二功能的方式由第9脚（即RST/VPD）引入，以保护内部RAM中的信息不会丢失。 电阻那当然就是一个电阻啦，当作为输入时，上拉电阻将其电位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；所以如果P0口如果作为输入时，处在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。 ALE/PROG 地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离. 在后面关于扩展的课程中我们就会看到8051扩展 EEPROM电路，在图中ALE与74LS373锁存器的G相连接，当CPU对外部进行存取时，用以锁住
18、地址的低位地址，即P0口输出。ALE有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。当ALE是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。关于锁存器的内容。 在没有访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。当系统没有进行扩展时ALE会以1/6振荡周期的固定频出，因此可以做为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。 图2-4 外部中断 PORG为编程脉冲的输入端：在第五课 单片机的内部结构及其组成中，我们已知道，在8051单片
19、机内部有一个4KB或8KB的程序存储器（ROM），ROM的作用就是用来存放用户需要执行的程序的，那么我们是怎样把编写好的程序存入进这个ROM中的呢？实际上是通过编程脉冲输入才能写进去的，这个脉冲的输入端口就是PROG。PSEN 外部程序存储器读选通信号：在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。 内部ROM读取时，PSEN不动作； 外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次； 外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出； 外接ROM时，与ROM的OE脚相接。EA/VPP 访问和序存储器控制信号 接高电平时： CPU读取内部程序存储器（ROM） 扩展外部ROM：当读
20、取内部程序存储器超过0FFFH（8051）1FFFH（8052）时自动读取外部ROM。 接低电平时：CPU读取外部程序存储器（ROM）。 图2-5 晶振用法在前面的学习中我们已知道，8031单片机内部是没有ROM的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。 3、8751烧写内部EPROM时，利用此脚输入21V的烧写电压。 RST 复位信号：当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码XTAL1和XTAL2 外接晶振引脚。当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外
21、接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。VCC：电源+5V输入 VSS：GND接地。AVR和pic都是跟8051结构不同的8位单片机，因为结构不同，所以汇编指令也有所不同，而且区别于使用CISC指令集的8051,他们都是RISC指令集的，只有几十条指令，大部分指令都是单指令周期的指令，所以在同样晶振频率下，较8051速度要快。 PIC的8位单片机前几年是世界上出货量最大的单片机，飞思卡尔的单片机紧随其后。ARM实际上就是32位的单片机，它的内部资源（寄存器和外设功能）较8051和PIC、AVR都要多得多，跟计算机的CPU芯片很接近了。常用于手机、路由器等等。 DSP其实
22、也是一种特殊的单片机，它从8位到32位的都有。它是专门用来计算数字信号的。在某些公式运算上，它比现行家用计算机的最快的CPU还要快。比如说一般32位的DSP能在一个指令周期内运算完一个32位数乘32位数积再加一个32位数。应用于某些对实时处理要求较高的场合 图2-6 8051系统功能图第3章Keilc51系统的基本知识 使用C语言肯定要使用到C编译器，以便把写好的C程序编译为机器码，这样单片机才能执行编写好的程序。KEILC是众多单片机应用开发软件中优秀的软件之一，它支持众多不同公司的51架构的芯片，它集编辑，编译，仿真等于一体，同时还支持，PLM，汇编和C语言的程序设计。下面详细介绍Keil
23、 C51的一些知识。3-1 keil系统的概述Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。下面详细介绍Keil C51开发系统各部分功能。图3-1 ke
24、il 主页面图3-2系统的整体结构C51工具包系统的整体结构C51工具包的整体结构通过keilc软件的主界面可以了解到，其中uVision与Ishell分别是可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。Keil C51工具包各部分功能C51与A51 C51是C语言编译器，其使用方法为：C51 s
25、ourcefile编译控制指令或者C51 commandfile其中sourcefile为C源文件(.C)。大量的编译控制指令完成C51编译器的全部功能。包控C51输出文件C.LST，.OBJ，.I和.SRC文件的控制。源文件(.C)的控制等。A51是汇编语言编译器，使用方法为：A51 sourcefile编译控制指令或A51 commandfile其中sourcefile为汇编源文件(.asm或.a51)，而编译控制指令的使用与其它汇编如ASM语言类似，可参考其他汇编语言材料。 L51是Keil C51软件包提供的连接/定位器，其功能是编译生成的OBJ文件与库文件连接定位生成绝对目标文件。B
26、L51也是C51软件包的连接/定位器，其具有L51的所有功能，此外它还有以下3点特别之处：可以连接定位大于64kBytes的程序。具有代码域及域切换功能。可用于RTX51操作系统RTX51是一个实时多任务操作系统，甚至不必用main( )函数，单片机系统软件向RTOS发展是一种趋势，这种趋势对于186和386及68K系列CPU更为明显和必须，对8051因CPU较为简单，程序结构等都不太复杂， 图3-2C51工具包的整体结构 DScope51，Tscope51与Monitor51dScope51是一个源级调试器和模拟器，它可以调试由C51编译器、A51汇编器、PL/M-51编译器及ASM51汇编
27、器产生的程序。它不需目标板（for windows也可通过mon51接目标板），只能进行软件模拟，但其功能强大，可模拟CPU及其外围器件，能对嵌入式软件功能进行有效测试。与dScope51不同的是Scope51必须带目标板，目前它可以通过两种方式访问目标板。通过EMul51在线仿真器，tScope51为该仿真器准备了一个动态连接文件EMUL51.IOT，但该方法必须配合该仿真器。通过Monitov51监控程序，这种方法是可行的，tScope51为访问Monitor51专门带有MON51.IOT连接程序，使用时可通过串口及监控程序来调试目标板。3-3定时器工作 Monitor51是一个监控程序通
28、过PC机的串口与目标板进行通信，Monitor操作需要MON51或dScope51 for Windows。Ishell与uVisionIshell是一个for Dos的IDE，直接在命令行键入Ishell，则进入该环境，它使用简单方便。其命令行与DOS命令行具有同样的功能，对单模块的Project直接由菜单进行编译连接，对多模块的project。uVision for Windows是一个标准的Windows应用程序，它是C51的一个集成软件开发平台，具有源代码编辑、project管理、集成的make等功能，它的人机界面友好，操作方便，是开发者的首选。 图3-3 定时器/计数器工作方式1逻辑
29、结构 定时器/计数器T0工作方式1的电路逻辑结构如图3-3所示。T0定时特性功能寄存器由TL0(低8位)和TH0(高8位)构成。特殊功能寄存器TMOD控制定时寄存器的工作方式；TCON则用于控制定时器T0和T1的启动和停止计数，同时管理定时器T0和T1的溢出标志等。程序开始时需对TL0和TH0进行初始化编程，以定义它们的工作方式，并控制T0和T1的计数。在系统的设计中，计时单位以s为基准，并要求日误差10 s，如果用循环去做，无法满足精度要求。选用12 MHz的晶体可得到1 s的精度，经分析确定使用定时器0的方式1。这个方式下，定时器0是16位定时器，也就是最大定时值为FFFFH，12 MHz
30、晶体的每个定时周期为1 s，最多可以定时FFFFH1 s=65635 us，即使使用最大值也无法一次定时1 s，设计中使用1次定时20 ms，50次定时中断得到1 s。20 ms定时中断的定时值为：FFFFH-20 ms/1 s= B1DFH。 图3-4 选取界面利用Keil 提供的AGSI 开发了两块仿真实验板。这两块仿真板将枯燥无味的数字用形象的图形表达出来，可以使初学者在没有硬件时就能感受到真实的学习环境。是键盘、LED 显示仿真板的图，有在P1口接有8 个发光二极管，在P3 口接有4 个按钮，的右边给出了。 是另一个较为复杂的 实验一个带有计数器的脉冲发生器等资源，显然，。一、实验仿真
31、板的安装这两块仿真实验板实际上是两个dll 文 件，名称分别是ledkey.dll 和simboard.dll，安装时只要根据需要将这两个或某一个文件拷贝到keil 软件的c51bin 文件夹中即可。二、实验仿真板的使中Debug 标签 页，在Dialog :Parameter:后的编缉框中输入 -d 文件名如，示输入完毕后点击确定退出。编译、连接完成后按CTRL+F5 进入调试，此时，点击菜 单Peripherals，即会多出一项“键盘LED 仿真板（K）”，选中该项，键盘、LED 显示实验仿真板单片机实验仿真板同样，在设置时如果输入-dsimboard 则能够调出如的界面。第一块仿真板的硬
32、件电路很简单，电路图已在板上，第二块板实现的功能稍复杂，其键盘和数码 显示管部分的电路。常用字形码。除了键盘和数码管以外，P1 口同样也接有8 个发光二极管连接方式与 相同；脉冲发生器是接入T0 即P3.4 引脚。0c0h 0f9h 0a4h 0b0h 99h 92h 82h 0f8h 80h 90h 0FFH第4章总线简介I2C(InterIntegrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线产生于在80年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进行查询，以管理系统的配置或掌握组件的功能状态，如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了管理。 I2C总线特点I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个
