时钟芯片的选择与应用
一、 NXP 时钟芯片选型指南
PCF8563、PCA8563/65 系列芯片是 NXP 公司生产的低功耗 CMOS 实时时钟／日历芯片，提供可编程时钟输出、中断输出、掉电检测和报警等功能。地址和数据通过 I2C 总线串行传输，总线速度最高为 400kbits/s，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器自动产生增量。
PCF8563/PCA8563/PCA8565 时钟芯片示意图如图 1 所示。
PCF2128 是内部集成温度补偿晶体振荡器（TCXO）和 32.768kHz 石英晶振的 CMOS 实时时钟/日历芯片，适用于要求极高精度、极低功耗的场合。PCF2128 具有 512 字节通用静态 RAM、可供选择的 I2C 和 SPI 接口、后备电源转换、可编程看门狗、时戳等特性功能。
PCF2128 芯片示意图如图 2 所示。
NXP 系列时钟芯片选型表见表 1。
二、PCF2128 概述
PCF2128 是内部集成温度补偿晶体振荡器（TCXO）和 32.768kHz 石英晶振的 CMOS 实时时钟/日历芯片，适用于要求极高精度、极低功耗的场合。PCF2128 具有 512 字节通用静态 RAM、可供选择的 I2C 和 SPI 接口、后备电源转换、可编程看门狗、时戳等特性功能。
1) 内部集成 32.768kHz 石英晶振；
2) 集成电容的温度补偿晶体振荡器（TCXO）；
3) 精度：-20℃～+70℃ 时典型值为3ppm；-40℃～+85℃ 时典型值为 5ppm；
4) 可选择的 I2C 和 SPI 接口；
5) 512 字节的通用静态 RAM；
6) 振荡器停振检测；
7) 带中断和复位的可编程看门狗定时器；
8) 后备电源转换电路；
9) 电池低压检测。
三、功能描述
PCF2128 是实时时钟/日历芯片，带有片上温度补偿晶体振荡器（TCXO）和 32.768kHz 石英晶振。地址和数据通过 2 线制的双向 I2C 接口或 3 线制的 SPI 接口进行传输。
PCF2128 包含 30 个 8 位寄存器，一个自动增量的地址寄存器，地址寄存器在每次读或写数据字节后自动递增，在到达地址 0x1BH 后，翻转到 0x00H。静态 RAM 读写寄存器 0x1CH 和 0x1DH 必须进行明确寻址。
1. 功能框图
PCF2128 功能框图如图 3 所示。
2. 寄存器功能概述
PCF2128 包含 30 个 8 位寄存器，用于各模块的功能设定。存储器地址是 0x00H、0x01H 和 0x02H 前 3 个寄存器是总的控制寄存器。
地址 0x03H 至 0x09H 寄存器组用作时钟功能（秒到年）的计数器，对于小于 31 天的月份，日期会自动进行调整，时钟可以在 24 小时模式和带 AM/PM 指示的 12 小时模式下操作。秒、分、小时、日、星期、月和年寄存器的编码格式为 BCD 码。当 RTC 寄存器被读时，所有计数器的内容被锁定，在数据传送时，该操作可以防止对时钟／日历芯片的误读。
寄存器 0x0AH 到 0x0EH 用来定义报警功能，在报警发生时可以选择产生中断；
寄存器 0x0FH 定义温度测量周期和时钟输出模式，可以选择从每隔 4 分钟（默认）到每隔 30 秒的范围内进行一次温度测量；在时钟输出模式，可以选择 32768kHz（默认）到 1Hz 的 CLKOUT 频率输出，用作系统时钟、微控制器时钟等。
寄存器 0x10H 和 0x11H 分别用作控制看门狗定时器和倒计数定时器，定时器有 4 个可选的时钟源，允许定时器周期的范围从小于 1ms 到大于 4 小时进行设定。看门狗超时可以选择产生复位或者中断，当倒计数定时器每次计时结束可以选择产生中断。
寄存器 0x12H 至 0x18H 是时戳功能寄存器，用作保存 1/16 秒、秒、分、小时、日、月和年等时间信息，当有事件触发时，时间信息保存在时戳寄存器中。
PCF2128 具有 512 字节的通用静态 RAM，寄存器 0x1A 和 0x1B 用于定义 RAM 地址，0x1CH 是 RAM 写命令，0x1D 是 RAM 读命令，数据通过串行接口对 RAM 进行读写操作。
四、PCF2128 硬件电路
PCF2128 典型应用电路如图 4 所示。划分为四个模块：PCF2128 典型应用电路、I2C 接口模块、SPI 接口模块和 I2C/SPI 接口选择模块。
五、硬件电路分析
根据 PCF2128 典型应用电路，本节内容对各模块的组成电路作简要分析和说明。
1. 电源电路
PCF2128 典型应用电源电路如图 5 所示。PCF2128 工作电压范围是 1.8V~5.5V，本设计采用 3.3V 供电模式，在系统电源输入端接入一个 10μF 极性电容 C6 和一个 0.1μF 电容 C5 进行滤波，0.1μF 的电容 C4 接在芯片的电源输入端进行再次滤波。
2. I2C 接口电路
PCF2128 具有可选择的 I2C 和 SPI 双总线接口，I2C 接口电路采用的是广州致远电子有限公司制定的标准 I2C 接口模块如图 6 所示。模块对外电路接口从上到下依次为 3.3V 电源、地、SDA、SCL、INT 中断口和 I/O 端口，此标准模块通用于不同的开发平台，有利于元器件的扩展。
I2C 总线的串行数据端 SDA、串行时钟端 SCL 是双向线，开漏输出，通过一个电流源或上拉电阻连接到正的电源电压，实现“线与”功能。当总线空闲时，两条线路都是高电平。总线速率越高，总线上拉电阻就要越小。
PCF2128 芯片器件地址，读操作是 0xA3H，写操作是 0xA2H。
3. SPI 接口电路
PCF2128 的 SPI 总线接口采用广州致远电子有限公司制定的标准 SPI 接口模块如图 7 所示。一条 SPI 总线可以挂接多个主机和多个从机，同一时刻只允许有一个主机操作总线，在数据传输过程中，总线上只能有一个主机和一个从机通信，SPI 总线时钟是由主机产生的。PCF2128 芯片在系统中只能充当从机。
PCF2128 在开始数据传输时，发送的第一字节是命令字节，命令字定义了读/写操作、芯片的器件地址和目标寄存器的地址，命令字格式如表 2 所列。
1) 位 7 确定是读操作还是写操作；
2) 位 6 和位 5 是 PCF2128 芯片的器件地址是“01”；
3) 低 5 位定义目标寄存器地址。
表 2 SPI 命令字格式
位 符号 数值 描述
7 W 0 写数据
R 1 读数据
6-5 子地址 01 若写入其他数据芯片将忽略数据传输
4-0
寄存器地址 0x00H-0x1DH
硬件地址
4. SPI 与 I2C 转换模块电路
PCF2128 芯片上 SPI 总线引脚与 I2C 总线引脚是复用的，SPI/I2C 接口选择电路如图 8 所示。使用了跳线器 JP1 来选择 SPI 接口或 I2C 接口。
PCF2128 芯片的 SPI 以及 I2C 只能设置为从模式。并且根据器件手册规定，SPI 接口只能设置为模式 CPHA = 0，CPOL = 0[1]。
[1] 当 CPHA 为 1 时，数据在时钟前沿输出，在时钟后沿采样；当 CPHA 为 0 时，数据在时钟后沿输出，在时钟前沿采样。当 CPOL 为 1 时，SCK 为低时有效；当 CPOL 为 0 时，SCK 为高时有效。
由图 8 可知，PCF2128 的总线接口连接到 JP1 的 B1-B3 端，与 B1-B3 端连接的分别是：SCL/SCK 引脚、SDA/CE 引脚、IFS/GND 引脚。
I2C 总线模式选择
在选择 I2C 总线时，需要短接的引脚如图 9 所示。SCL/SCK 引脚与 SCL 引脚，短路 B1-A1；连接 SDA/CE 引脚与 SDA 引脚，短路 B2-A2；连接 IFS/GND 引脚与 VOUT 引脚，短路 B3-A3。
SPI 总线模式选择
在选择 SPI 总线时，需要短接的引脚如图 10 所示。连接 SCL/SCK 引脚与 SCK 引脚，短路 B1-C1；连接 SDA/CE 引脚与 CE 引脚，短路 B2-C2；连接 IFS/GND 引脚与 DGND 引脚，短路 B3-C3。
5. Timestamp 电路
PCF2128 有一个低电平有效的 Timestamp（时戳）输入管脚 TS，内接 200kΩ 的片内上拉电阻。PCF2128 的时戳部件具有检测两种不同触发事件的电路，如图 11 所示。
触发事件 1：管脚 TS 输入信号是电源和地之间的一个中间电平。短路 B4-A4，当按键 S1 按下时产生触发事件 1；
触发事件 2：管脚 TS 输入为地。短路 B4-C4，当按键 S2 按下时产生触发事件 2。
在 Timestamp 引脚的输入端并联 0.1μF 电容，作用是去除按键抖动。
6. 后备电源转换电路
PCF2128 具有 3 个电源引脚，分别是：
VDD －主电源输入管脚；
VBAT －电池备用电源输入管脚；
VOUT －电池供电电压输出管脚，电池供电的 输出电压等于内部工作电压。
PCF2128 的后备电源转换电路如图 12 所示。该电路用于监控主电源 VDD，当内部电源转换电路检测到电源电压发生故障时，将自动切换到后备电源模式，由 VBAT 端电源供电，以保证即使在主电源断电情况下，RTC 仍然能够精确的计时。
电源切换具有两种模式：
1) 标准模式：当 VDD＜VBAT 且 VDD＜VBMT（VBMT = 2.5V，后备电源模式的极限电压值）时，切换到后备电源工作；
2) 直接切换模式：当 VDD＜VBAT 时，直接从 VDD 切换为 VBAT，而不要求 VDD 降至低于 VBMT。
电池转换功能由控制 3 寄存器（地址 0x02H）的两个控制位 BSOFF（电池转换关断）和 BSM/EPFD（电池转换模式）控制，如表 3 所列。
表 3 电池转换功能控制位
BSOFF BSM/EPFDOFF 功能
0 0 电池转换功能在标准模式下使能
0 1 电池转换功能在直接切换模式下使能
1 x 电池转换功能被禁能（默认）
7. 后备电源电路
PCF2128 后备电源端电路如图 13 所示。在 VBAT 输入端、VOUT 输出端并联 0.1μF 电容，起到滤波的作用。VOUT 输出电压可以作为电池备用设备（如 SRAM）的电源。
VOUT 电压值大小等于供给芯片工作的内部电压，控制 3 寄存器（0x02H）中的两个控制位 BSOFF 和 BSM/EPDFPOFF 控制该电压，如表 4 所列。
表 4 输出管脚 VOUT
BSOFF BSM/EPFDOFF 条件 VOUT
0 0 VDD＞VBAT 或 VDD＞VBMT
VDD
VDD＜VBAT 且 VDD＜VBMT
VBAT
0 1 VDD＞VBAT VDD
VDD＜VBAT VBAT
1 x VDD＞VBAT VDD
VDD＜VBAT VBAT
8. 电池低压检测电路
在备用电池提供系统电压时，低电池将不能确保数据的完整性，因此，在电池操作期间需要监测电池电压的情况。PCF2128 具有电池低压检测电路，该电路监控电池 VBAT 的状态，当 VBAT 降至低于 2.5V 的阈值时，PCF2128 通过设置一个标志来表示电池低且必须被替换。
电池低检测功能通过控制 3 寄存器（0x02H）中的两个控制位 BSOFF（电池关断）和 BLDOFF（电池低检测关断）来控制，如表 5 所列。
表 5 电池低检测功能控制位
BSOFF BLDOFF 功能
0 0 电池低检测功能被使能
0 1 电池低检测功能被禁能
1 x 电池低检测功能被禁能（默认）[1][2]
[1] 在默认条件下，从复位中退出后的值为：BSOFF =‘1’且 BLDOFF=‘1’。
[2] 如果电池转换功能被禁能，则电池低检测功能不能被使能。
当 VBAT 降至低于 2.5V 的阈值时，出现下列的情况：
1) 电池低标志 BLF（控制寄存器 3）被设为 ‘1’；
2) 如果控制位 BLIE（控制寄存器 3）使能，则产生中断；
3) BLF 保持设为‘1’直至安装了可替换的电池。BLF 不能使用总线清除。
电池低压操作时各电压关系如图 14 所示。
9. 外电源检测电路
PCF2128 具有外电源故障检测电路，如图 15 所示。该电路将电源故障输入引脚 PFI 的电压与 1.25V 的内部参考电压相比较，如果 VPFI＜1.25V，则 PFO 输出低电平。PFO 引脚是开漏输出，低电平有效，需要外接上拉电阻。
外电源故障检测功能通常用作对主电源 VDD 的低电压检测，需要设置 R5 和 R10 电阻值，使得当 VDD 降至低于器件所需的电源故障电压 VPF 时，PFI 的电压低于 1.25V。
VPF 的值设置，要保证在 VDD 电压降到低于系统的最小操作电压之前，有几毫秒的时间允许微控制器转换到后备电源模式工作。
10. 温度补偿原理
音叉型石英晶体具有平方律温度特性（temperature dependency），在 PCF2128 中，由温度特性造成的频率偏差可以通过调整晶体振荡器的负载电容来校正。在不同的温度下，芯片的频率偏差可以得到相应得校准，由此得到的精度如图 16 所示。
PCF2128 具有一个温度传感电路，用来实现频率的温度补偿，温度在上电后立即测量，然后在温度转换率位 TCR[1:0] 设置的周期内进行循环测量。测量周期如表 6 所列。
表 6 温度测量周期
TCR[1] TCR[0] 温度测量周期
0 0 4分（默认）
0 1 2分
1 0 1分
1 1 30秒
11. 晶振老化校正
PCF2128 具有一个老化补偿寄存器（地址 0x19H）来校正晶体的老化效应。石英频率的精度由老化情况来决定，晶体供应商规定第1年的老化通常为±3ppm，老化补偿寄存器增加一个正或负的补偿量，在温度补偿电路中实现晶体的老化校正。
老化补偿位 AO[3:0] 允许频率校正范围从大约－12ppm 到 10.5ppm，通常以 1.5ppm 为单位。默认下 AO[3:0]＝1000dec，对应于 0ppm 的频率校正。
注意：每个 LSB 的 ppm 随着石英和温度（＋25℃ 下对应的单位量是 1.5ppm）的不同而改变。
六、 PCF2128 在电表中的应用
电表主要存在两类产品：电子式电表和感应式电表。目前，国内电表市场中，电子式电表的市场份额已经超过了 80%，而且比例还在上升，相比之下，感应式电表的市场份额正在逐年递减。
在电子式电表中，最重要的一个模块就是实时时钟（RTC），电表工作环境的变化非常大，在恶劣的环境中要保持时钟的精度不是一件容易的事，精度的高低和时钟芯片晶振的稳定性有着直接的关系，环境温度、湿度都会影响晶振的频率。为了解决温度对时间的影响，很多电子式电表都采用温度传感器（如 LM75）用来测量环境温度，从而进行温度补偿，如图 17 所示。
采用 LM75 用来对温度进行补偿，显然增加了系统的复杂度，而且稳定性又无法保证。PCF2128 成功的解决了这个问题，具有温度补偿并集成高精度的实时时钟，采用 PCF2128 后的系统框图如图 18 所示。
七、结束语
目前，随着系统工作环境复杂度的增加，对 RTC 的要求也会越发提高。传统的 RTC 芯片大多采用外置晶振的方法，那么在环境温度、湿度变化时，晶振的精度便不可避免的受到影响，进而影响 RTC 的精度。PCF2128 内部集成温度补偿晶体振荡器（TCXO）和 32.768kHz 石英晶振，大大提高了 RTC 的精度和可靠性。
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