基于瑞薩微控制器的LED電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

牛國鋒，朱苗苗

（常熟理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

近年來，瑞薩MCU因其節(jié)能、性能好而得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，本文主要以瑞薩MCU為核心，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)LED顯示的電子時(shí)鐘.

1 7段LED的結(jié)構(gòu)原理

單片機(jī)中經(jīng)常使用7段LED來顯示數(shù)字，也就是用7個(gè)LED構(gòu)成字型“8”，并另外用一個(gè)圓點(diǎn)LED來顯示小數(shù)點(diǎn)，共有8個(gè)LED數(shù)碼管，構(gòu)成了“8.”的字型，如圖1所示.

7段LED數(shù)碼顯示管根據(jù)LED的接法不同分為共陽極和共陰極兩種，將多只LED的陰極連在一起即為共陰式，而將多只LED的陽極連在一起即為共陽式[1].以共陰式為例，如把陰極接地，在相應(yīng)段的陽極接上正電源，該段即會(huì)發(fā)光.由于LED的電流通常較小，一般均需在回路中接上限流電阻.假如我們將圖1中“b”和“c”段接上正電源，其他端接地或懸空，那么“b”和“c”段發(fā)光，此時(shí)，數(shù)碼顯示管將顯示數(shù)字“1”. 而將“a”、“b”、“d”、“e”和“g”段都接上正電源，其他引腳懸空，此時(shí)數(shù)碼管將顯示“2”.其他數(shù)字的顯示原理與此類同，點(diǎn)亮相應(yīng)的數(shù)碼管來顯示出0-9的數(shù)字.

在本次的設(shè)計(jì)中采用的是共陰極的LED顯示，當(dāng)I/O口輸出為高電平的時(shí)候，對(duì)應(yīng)段就被點(diǎn)亮，顯示相應(yīng)的時(shí)間.

圖1 “8.”字型示意圖

2 瑞薩78K0R微控制器及擴(kuò)展板功能

2.1 瑞薩78K0R系列微控制器

目前，隨著人們環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，消費(fèi)者越來越關(guān)注微控制器系統(tǒng)的節(jié)能性.為了擴(kuò)大在節(jié)能家電和電池供電系統(tǒng)等市場(chǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用，瑞薩電子在新的產(chǎn)品中加入了節(jié)能理念，推出業(yè)界高標(biāo)準(zhǔn)16位低功耗閃存微控制器產(chǎn)品78K0R系列.

78K0R系列[2]是瑞薩公司推出的一款16位單片機(jī)微控制器，此款產(chǎn)品具備領(lǐng)先業(yè)界的低耗電量及高效能等特點(diǎn).瑞薩78K0R系列結(jié)合瑞薩在8/16位MCU市場(chǎng)中現(xiàn)有主要產(chǎn)品78K0系列的優(yōu)異技術(shù)，并且整合多種周邊功能，使其性能更加強(qiáng)大.

瑞薩78K0R微控制器的主要特性[3]：

（1）支持尺寸更小、功耗更低的系統(tǒng).本MCU集成了面向電容觸摸傳感器的片上傳感器控制單元，意味著可以利用單塊芯片處理系統(tǒng)控制和觸摸控制，不再需要外部觸摸傳感器IC芯片，從而縮小了系統(tǒng)尺寸.并且可直接與用于實(shí)現(xiàn)觸摸感應(yīng)的傳感器電極相連，這樣就為各個(gè)電極消除了對(duì)電阻器和電容器的要求，使減少元件總數(shù)、降低系統(tǒng)成本、提高可靠性、縮短開發(fā)時(shí)間得以實(shí)現(xiàn).

（2）降低了系統(tǒng)總功耗.通過添加傳感器控制單元，極大地縮短了觸摸檢測(cè)所需的CPU處理時(shí)間，從而使系統(tǒng)功耗降低.此外，傳感器控制單元能夠?qū)崿F(xiàn)低頻（4 MHz或5 MHz）操作，從而進(jìn)一步降低了功耗.該系列產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于電池供電系統(tǒng)及節(jié)能家電領(lǐng)域.

2.2 鍵盤擴(kuò)展板

鍵盤擴(kuò)展板是一個(gè)有16個(gè)按鍵的Key鍵盤，按鍵呈4行×4列矩陣型分布，按照設(shè)計(jì)要求輔助完成時(shí)間的輸入、開始和停止等功能，根據(jù)其電路圖和需求設(shè)置鍵盤的輸入為數(shù)字、字母和加減乘除符號(hào)等.板上有一個(gè)10個(gè)針腳的擴(kuò)展接口，該接口通過數(shù)據(jù)線與MCU板上擴(kuò)展接口相連接，根據(jù)電路控制原理，實(shí)現(xiàn)按鍵的不同控制功能.

2.3 LED顯示擴(kuò)展板

LED顯示擴(kuò)展板有兩組接口，一組是4bit模式接口一個(gè)，另一組是8bit模式接口兩個(gè)，接口都是標(biāo)準(zhǔn)的10針腳.板上有一排并列的8個(gè)“8.”字形輸出的LED顯示板，顯示板上面有一排8個(gè)對(duì)應(yīng)的LED指示燈.該擴(kuò)展板接口接入MCU控制器，根據(jù)其電路控制原理，LED顯示板根據(jù)需求可以顯示以下內(nèi)容：（1）輸出1至8位數(shù)字；（2）輸出字母；（3）年月日顯示；（4）24小時(shí)電子表時(shí)間顯示；（5）秒表計(jì)時(shí)等.

3 編輯軟件簡介

CubeSuite是瑞薩公司推出的一款集成型開發(fā)環(huán)境，它為采用8位到32位架構(gòu)的微控制器提供了統(tǒng)一的支持.在開發(fā)適用于MCU的軟件（程序）時(shí)，此集成型開發(fā)環(huán)境將所有的工具（編譯器、與仿真器一起使用的調(diào)試器等）鏈接起來，使其可以在同一個(gè)主機(jī)上完成所有的設(shè)計(jì)、編碼、評(píng)估和驗(yàn)證任務(wù).開發(fā)者根據(jù)其開發(fā)軟件所針對(duì)的MCU的類型，選擇采用CubeSuite集成型開發(fā)環(huán)境中不同的型號(hào).

CubeSuite[4]的主要特性：該軟件采用界面化編輯，清爽美觀，簡單易用，即使對(duì)于初用者，也可以在短時(shí)間內(nèi)掌握其性能和使用方法.它利用項(xiàng)目樹來滿足MCU開發(fā)流程的要求，這種復(fù)雜的功能讓開發(fā)者通過點(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)即可轉(zhuǎn)至預(yù)期任務(wù).CubeSuite在包裝內(nèi)整合了瑞薩MCU軟件開發(fā)所需的基本軟件，安裝完成之后可以立即投入使用.它還提供了一個(gè)內(nèi)容豐富的用戶指南，使得即使是最新使用的開發(fā)者也可以在安裝之后立即應(yīng)用.CubeSuite降低了學(xué)習(xí)所提供工具需要的時(shí)間，因?yàn)樗鼈冊(cè)诠δ苌吓c所有支持的MCU系列相同.產(chǎn)品還具有代碼生成器的功能，支持通過一個(gè)GUI進(jìn)行器件驅(qū)動(dòng)器設(shè)置，使其易于創(chuàng)建程序，當(dāng)?shù)谝淮尾捎靡粋€(gè)新的MCU系列時(shí)，外設(shè)功能的設(shè)置程序也不會(huì)出現(xiàn)混淆.

傳統(tǒng)開發(fā)環(huán)境要求用戶先編輯所有源文件，然后構(gòu)建整個(gè)程序，從而延長了構(gòu)建時(shí)間.CubeSuite具有“快速構(gòu)建”功能，每次修改或保存源文件后，都能夠自動(dòng)在后臺(tái)運(yùn)行構(gòu)建功能，從而極大地縮短了總構(gòu)建時(shí)間.基本的編輯、構(gòu)建和調(diào)試功能將更加強(qiáng)大，從而可以提供更多的簡易性、便利性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更加方便的軟件開發(fā).

4 設(shè)計(jì)與編程實(shí)現(xiàn)

4.1 硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

本電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)主要以瑞薩電子16位MCU――78K0R/KE3-L為核心，鍵盤擴(kuò)展板和LED顯示擴(kuò)展板同時(shí)通過接口與MCU對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展接口相連接.MCU通過仿真器與計(jì)算機(jī)連接，仿真器的一端連接MCU，另一端USB接口連接到計(jì)算機(jī)上，通過仿真器將計(jì)算機(jī)上的程序?qū)懭氲組CU上，同時(shí)還給MCU不間斷供電.連接好以后，通過鍵盤擴(kuò)展板上的Key按鍵輸入數(shù)字，在LED顯示擴(kuò)展板上8個(gè)7段LED顯示板顯示24小時(shí)制時(shí)間，顯示格式為“XX（時(shí)）-XX（分）-XX（秒）”，并設(shè)置Key按鍵控制時(shí)間的停止和開始以及校正調(diào)整時(shí)間.

4.2 軟件實(shí)現(xiàn)及C語言程序

在CubeSuite集成型開發(fā)環(huán)境中，選擇MCU型號(hào)為78K0R/KE3-L，建立新的工程Project，工程建好后按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行配置和編程.

首先要在設(shè)計(jì)工具端口設(shè)置中進(jìn)行端口配置，利用引腳列表配置復(fù)用引腳處理，同時(shí)在引腳配置圖內(nèi)確定引腳布局.按照MCU擴(kuò)展接口對(duì)應(yīng)的端口號(hào)和端口電路設(shè)計(jì)圖進(jìn)行端口引腳的出入力設(shè)置，鍵盤擴(kuò)展板接入的接口引腳都設(shè)置為入力，進(jìn)行時(shí)間和信號(hào)的輸入，LED顯示擴(kuò)展板的接口引腳都設(shè)置成出力，為時(shí)間信號(hào)的輸出，設(shè)置完成后進(jìn)行端子生成，就會(huì)在端子配置圖中顯示MCU各個(gè)引腳的端子設(shè)置情況，如圖2所示.在定時(shí)器設(shè)置中開通通道0，并在通道0中設(shè)置時(shí)鐘頻率為1000 ms，通過內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生時(shí)鐘進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，作為時(shí)間秒表計(jì)時(shí)的單位.在代碼生成器中按設(shè)計(jì)要求編寫GG_main.c主程序和GG_timer.user.c時(shí)間設(shè)置程序.完成后系統(tǒng)生成編譯該工程，并通過瑞薩Debug工具——片上調(diào)試器寫入到MCU板上內(nèi)存中保存，接通電源即可運(yùn)行.

圖2 端子配置圖

GG_main.c主要實(shí)現(xiàn)程序如下：

GG_timer.user.c主要實(shí)現(xiàn)程序如下：

5 結(jié)束語

以瑞薩電子16位MCU――78K0R/KE3-L為核心，在專用集成型開發(fā)環(huán)境CubeSuite下，采用C語言編程，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)由時(shí)、分、秒組成的24小時(shí)方式計(jì)時(shí)、LED數(shù)碼顯示器顯示的電子時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)了24小時(shí)計(jì)時(shí)，校正調(diào)整時(shí)間、秒表計(jì)時(shí)等功能.瑞薩嵌入式MCU的低成本、低功耗等節(jié)能理念正在被人們所接受，其產(chǎn)品將慢慢地滲透到人們生活生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，有較廣的應(yīng)用前景.

[1]（加）Myke Predko.PCI微控制器基礎(chǔ)與實(shí)踐[M].胡光華，譯.北京：科學(xué)出版社，2007.

[2]矢野敏之，高橋美穗，李建波，等.瑞薩M 16C/62P單片機(jī)原理和應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[3]瑞薩科技公司.瑞薩16位R8 C/TINY系列M CU[J].世界電子元器件，2005（04）：91-94.

[4]瑞薩科技公司.適用于微控制器的Cube Suite+集成型開發(fā)環(huán)境[J].電子制作，2011（7）.