基于LPC922單片機(jī)和I2C總線(xiàn)的低功耗萬(wàn)年歷的設(shè)計(jì)

張攀峰

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

萬(wàn)年歷是實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒等數(shù)字顯示的計(jì)時(shí)裝置，廣泛用于家庭、車(chē)站、機(jī)場(chǎng)、碼頭、辦公室等公共場(chǎng)所，成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡谋匦杵?由于數(shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應(yīng)用，使得數(shù)字鐘的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)老式鐘表，鐘表的數(shù)字化給人們的生產(chǎn)、生活帶來(lái)了極大的方便，而且大大擴(kuò)展了鐘表原先的報(bào)時(shí)功能，諸如定時(shí)自動(dòng)報(bào)警、按時(shí)自動(dòng)打鈴、時(shí)間程序自動(dòng)控制、定時(shí)廣播、自動(dòng)起閉路燈、定時(shí)開(kāi)關(guān)烘箱、通斷動(dòng)力設(shè)備，甚至各種定時(shí)電器裝置的自動(dòng)啟用等，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的.因此，研究萬(wàn)年歷及擴(kuò)大其應(yīng)用有著非常現(xiàn)實(shí)的意義.為此，我們?cè)O(shè)計(jì)出了基于LPC922單片機(jī)的低功耗萬(wàn)年歷，經(jīng)驗(yàn)證完全實(shí)現(xiàn)了萬(wàn)年歷的基本功能，而且功耗僅為μΑ級(jí)，滿(mǎn)足了實(shí)際需要.

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

眾所周知，萬(wàn)年歷是實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒等數(shù)字顯示的計(jì)時(shí)裝置，數(shù)字式萬(wàn)年歷的設(shè)計(jì)主要從萬(wàn)年歷功能的實(shí)現(xiàn)和降低功耗兩個(gè)方面進(jìn)行.萬(wàn)年歷功能的實(shí)現(xiàn)通過(guò)一般的單片機(jī)就可以方便地實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于低功耗的設(shè)計(jì)則要結(jié)合整個(gè)系統(tǒng)的硬件和軟件來(lái)考慮.在硬件方面，我們選用了低功耗的單片機(jī)LPC922，結(jié)合具有I2C總線(xiàn)接口的時(shí)鐘芯片F(xiàn)M3104及LCD驅(qū)動(dòng)器PCF8576，其硬件框圖如圖1所示.軟件上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)間斷性工作，在大部分時(shí)間系統(tǒng)處于掉電模式之下，看門(mén)狗會(huì)產(chǎn)生定時(shí)中斷喚醒CPU.

圖1 低功耗萬(wàn)年歷系統(tǒng)框圖

圖2 I2C總線(xiàn)配置

1.2 I2C總線(xiàn)相關(guān)介紹

NXP半導(dǎo)體公司(原Philips半導(dǎo)體)于20多年前發(fā)明了一種簡(jiǎn)單的雙向二線(xiàn)制串行通信總線(xiàn)，這個(gè)總線(xiàn)被稱(chēng)為Inter-IC或者I2C總線(xiàn).目前I2C總線(xiàn)已經(jīng)成為嵌入式應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)解決方案，被廣泛應(yīng)用于各式各樣基于微控器的專(zhuān)業(yè)、消費(fèi)與電信產(chǎn)品中，作為控制、診斷與電源管理的總線(xiàn).多個(gè)符合I2C總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的器件都可以通過(guò)同一條I2C總線(xiàn)進(jìn)行通信，而不需要額外的地址譯碼器.由于I2C是一種兩線(xiàn)式串行總線(xiàn)，因此簡(jiǎn)單的操作特性是其成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵因素[1].

I2C總線(xiàn)只需要由兩根信號(hào)線(xiàn)組成，一根是串行數(shù)據(jù)線(xiàn)SDA，另一根是串行時(shí)鐘線(xiàn)SCL.在系統(tǒng)中，I2C總線(xiàn)的典型接法如圖2所示，其中Master和Slave分別代表主、從機(jī)，Rp是為了保證具有I2C總線(xiàn)器件的SDA和SCL漏極開(kāi)路的上拉電阻，注意連接時(shí)Master和Slave需要共地.關(guān)于I2C總線(xiàn)的信號(hào)及時(shí)序定義、數(shù)據(jù)傳送的起始與停止、數(shù)據(jù)傳送的格式等詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2、3].

1.3 LPC922單片機(jī)介紹

LPC900系列單片機(jī)是NXP(原PHILIPS)半導(dǎo)體公司推出的基于80C51內(nèi)核的Flash單片機(jī)[4,5]，它采用先進(jìn)的2-CLOCK技術(shù)，執(zhí)行指令速度是傳統(tǒng)80C51的6倍，主要集成了字節(jié)方式的I2C總線(xiàn)、SPI接口、UART通信接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、E2PROM、A/D轉(zhuǎn)換器等一系列有特色的功能部件，有可配置的片內(nèi)振蕩器及其頻率范圍和RC振蕩器選項(xiàng)(通過(guò)用戶(hù)可編程Flash配置位選擇)，選擇RC振蕩器(出廠(chǎng)時(shí)校準(zhǔn)到±1%)時(shí)不需要外接振蕩器件，振蕩器選項(xiàng)支持的頻率范圍為20 kHz～18 MHz(最大)，可選擇RC振蕩器選項(xiàng)并且其頻率可進(jìn)行很好的調(diào)節(jié).操作電壓范圍為2.4～3.6 V，I/O口可承受5 V(可上拉或驅(qū)動(dòng)到5.5 V)，P89LPC922有8個(gè)I/O口(P0.3～P0.7、P1.4、P1.6、P1.7)，各口驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)20 mA，軟件開(kāi)發(fā)方便，支持ISP/ICP/IAP等多種編程方式，應(yīng)用廣泛.ICP編程方式僅需5根口線(xiàn)：VDD、VSS、RESET、P0.4(PDA)、P0.5(PCL)，其引腳圖如圖3所示.

圖3 P89LPC922 ICP編程相關(guān)引腳圖

1.4 電源電路的設(shè)計(jì)

電源芯片選用SP6201，SP6201是CMOS LDO器件，適用于要求高精度、操作方便的場(chǎng)合，其中D2的作用是防止輸入負(fù)向電壓(利用二極管的單向?qū)щ娦?，發(fā)光二極管D1為電源指示燈， C1，C2起到抗干擾作用，C1濾除低頻，C2濾除高頻.+5 V電源由USB接口提供，經(jīng)過(guò)電源芯片SP6201轉(zhuǎn)換為3.3 V電源，整個(gè)系統(tǒng)由3.3 V電源供電.選擇低的電源電壓3.3 V，這樣能夠充分保證單片機(jī)和外圍器件的低電壓低功耗的特性，其電路如圖4所示.

圖4 電源電路圖

1.5 單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用LPC922的內(nèi)部晶振，單片機(jī)內(nèi)部自動(dòng)復(fù)位，3.3 V電源供電，其電路圖如圖5所示.

圖5 單片機(jī)控制電路

圖6 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

1.6 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

FM3104外接32.768 kHz晶振，0.1 F電容作為后備電池，I2C總線(xiàn)的器件SDA和SCL管腳都是漏極開(kāi)路(或集電極開(kāi)路)輸出的結(jié)構(gòu).因此實(shí)際使用時(shí)SDA和SCL兩根信號(hào)線(xiàn)都必須加上拉電阻Rp(Pull-up Resistor)，上拉電阻一般取值3～10 kΩ，此處選用10 kΩ的上拉電阻，其電路如圖6所示.

1.7 顯示電路的設(shè)計(jì)

PCF8576為帶有I2C總線(xiàn)接口的字符式LCD驅(qū)動(dòng)/控制器，它有4個(gè)背極輸出和40 個(gè)顯示段輸出，因此，最多可驅(qū)動(dòng)160個(gè)LCD顯示段.PCF8576可以級(jí)聯(lián)以適應(yīng)驅(qū)動(dòng)較大規(guī)模的LCD顯示器，通過(guò)I2C總線(xiàn)接口除了可以與具有I2C總線(xiàn)接口的MCU相連外，通過(guò)I2C總線(xiàn)的模擬，也可以通過(guò)MCU的通用I/O口與之相連.PCF8576內(nèi)部設(shè)置的顯示RAM及子地址的自動(dòng)增量和顯示方式自動(dòng)切換使其通訊控制量減少到最小，顯示電路如圖7所示.

圖7 顯示電路的設(shè)計(jì)

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

本設(shè)計(jì)采用Keil C51μVision2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，它是基于80C51內(nèi)核的微處理器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，內(nèi)嵌多種符合當(dāng)前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)工具，可以完成從工程建立和管理、編譯、連接、目標(biāo)代碼的生成到軟件仿真及硬件仿真等一系列完整的開(kāi)發(fā)流程.在μVision2的仿真功能中，軟件仿真模式下，無(wú)需任何單片機(jī)硬件即可完成用戶(hù)程序的仿真調(diào)試，極大地提高了用戶(hù)程序的開(kāi)發(fā)效率；硬件仿真模式下，用戶(hù)可以將程序下載到自己的單片機(jī)系統(tǒng)板上，完成實(shí)時(shí)仿真.另外，其C編譯工具在產(chǎn)生代碼的準(zhǔn)確性和效率方面已經(jīng)達(dá)到了較高的水平，而且可以附加靈活的控制選項(xiàng)，在開(kāi)發(fā)大型項(xiàng)目時(shí)非常理想.

圖8 系統(tǒng)主程序流程圖

2.2 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言

單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)可以使用匯編語(yǔ)言，也可以使用C51語(yǔ)言，這兩種編程語(yǔ)言各有優(yōu)勢(shì).C51語(yǔ)言編程越來(lái)越成熟，并成為了行業(yè)編程語(yǔ)言的趨勢(shì)，因此本設(shè)計(jì)選用C51程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言.系統(tǒng)的主程序包括對(duì)P89LPC922、FM3104和PCF8576的初始化、按鍵值的獲取以及顯示模式的選擇，SetFocus,DispState為狀態(tài)標(biāo)志位，通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置改變其狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)萬(wàn)年歷工作狀態(tài)的切換.CPU平時(shí)處于掉電狀態(tài)，看門(mén)狗定時(shí)喚醒CPU.系統(tǒng)主程序流程圖如圖8所示[6].

3 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)以L(fǎng)PC922單片機(jī)和I2C總線(xiàn)為核心，通過(guò)硬件和軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)年歷和低功耗的功能，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便，經(jīng)有關(guān)部門(mén)測(cè)試，該系統(tǒng)計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，整個(gè)系統(tǒng)的功耗做到μA級(jí)別，在實(shí)際中有很高的實(shí)用價(jià)值.

[1] I2C總線(xiàn)概要(產(chǎn)品應(yīng)用手冊(cè))[R] ．廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司，2006：11．

[2] 何立民. I2C總線(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M] ．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995：78-91.

[3] 周立功．LPC900系列Flash單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M] ．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005：33-42．

[4] 李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M] .北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005：43-72.

[5] 李 軍.51系列單片機(jī)高級(jí)實(shí)例開(kāi)發(fā)指南[M] .北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004：36-47.

[6] 潭浩強(qiáng)．C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)(第二版)[M] ．北京：清華大學(xué)出版社，1999：26-59．