CN203734371U - 一种超低功耗实时时钟 - Google Patents

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CN203734371U CN201320704422.8U CN201320704422U CN203734371U CN 203734371 U CN203734371 U CN 203734371U CN 201320704422 U CN201320704422 U CN 201320704422U CN 203734371 U CN203734371 U CN 203734371U
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宋志东
杨建坡
杜凌
韦景豹
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Abstract

本实用新型公开了一种超低功耗实时时钟，包括有直流电源、电池、双电源自动切换电路、时钟芯片和微控制单元，所述直流电源的输出端连接至双电源自动切换电路的第一输入端，所述电池的正极连接至双电源自动切换电路的第二输入端，所述双电源自动切换电路的输出端连接至时钟芯片的电源输入端，所述时钟芯片与微控制单元连接。本实用新型实现了在系统上电时，MCU通过I2C总线从时钟芯片中读取硬件时钟，再更新系统时间；同时利用双电源自动切换电路实现直流电源和电池的自动切换，在直流电源处于工作状态时，电池切换到零功耗状态，从而增加电池的续航时间实现超低功耗。本实用新型作为一种超低功耗实时时钟可广泛应用于arm平台嵌入式领域。

Description

一种超低功耗实时时钟
技术领域
本实用新型涉及arm平台嵌入式领域，尤其是一种超低功耗实时时钟。
背景技术
术语解释：
实时时钟：缩写是RTC(Real_Time Clock)，RTC 是集成电路，通常称为时钟芯片，通常情况下需要外接32.768kHz晶体，匹配电容、备份电源等元件。
I2C总线：I2C（Inter－Integrated Circuit）总线是由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，两条线为SDA和SCL，SDA为串行数据，SCL为串行时钟线，两条线必须用一个上拉电阻与正电源相连，数据只在总线不忙时才可传送，且严格按照时序要求，是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。
上升沿、下降沿：数字电路中,把电压的高低用逻辑电平来表示。逻辑电平包括高电平和低电平这两种。不同的元器件形成的数字电路，电压对应的逻辑电平也不同。在TTL门电路中，把大于3.5伏的电压规定为逻辑高电平，用数字1表示；把电压小于0.3伏的电压规定为逻辑低电平，用数字0表 示。数字电平从0变为1 的那一瞬间叫作上升沿，从1到0的那一瞬间(时刻)叫作下降沿。
MCU：（Micro Control Unit)中文名称为微控制单元，又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)或者单片机，是指随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。
许多电子系统都会提供实时时钟给不同功能使用，例如系统的日历时间功能、时间戳记和定时工作的启动，定期唤醒系统执行测量作业等。市面上许多解决方案己将实时时钟和完整的“独立”功能整合至微控制器，将微控制器整合的许多好处付诸实现，但在arm平台（arm9、arm11）linux嵌入式系统中在断电情况下，一般由纽扣电池作为备份电源给予MCU供电，从而保持实时时钟能正常行走，由于MCU微控制器即便是处于低功耗的休眠状态，内核核心仍然受到电源控制器的管理及等待唤醒睡眠，消耗的能量相对于外部实时时钟芯片来说要多得多，对于尺寸要求严格的手持设备或终端产品电池的续航能力极为重要，本发明为外扩实时时钟芯片，通过I2C总线连接到MCU，进而在系统上电时候从时钟芯片中读取硬件时钟再更新系统时间达到供给系统实时时钟功能。
但是MCU集成的内部实时时钟电池续航能力差，对于封装性好的产品设备拆卸重新装载繁琐。
实用新型内容
为了解决上述技术问题，本实用新型的目的是：提供一种通过外接实时时钟芯片及电源部分电路设计实现增强备用电池续航能力的超低功耗实时时钟。
本实用新型所采用的技术方案是：一种超低功耗实时时钟，包括有直流电源、电池、双电源自动切换电路、时钟芯片和微控制单元，所述直流电源的输出端连接至双电源自动切换电路的第一输入端，所述电池的正极连接至双电源自动切换电路的第二输入端，所述双电源自动切换电路的输出端连接至时钟芯片的电源输入端，所述时钟芯片与微控制单元连接。
进一步，所述时钟芯片与微控制单元通过I2C总线连接。
进一步，所述双电源自动切换电路包括有第一二极管和第二二极管，所述直流电源的输出端连接至第一二极管的阳极，所述电池的正极连接至第二二极管的阳极，第一二极管的阴极和第二二极管的阴极均连接至时钟芯片的电源输入端。
进一步，所述双电源自动切换电路还包括有电容，所述电容的一端与第一二极管的阳极连接，所述电容的另一端接地。
进一步，所第一二极管和第二二极管均为IN4148高速开关二极管。
进一步，所述时钟芯片的型号为PCF8563。
进一步，所述直流电源为3.3V直流电源。
进一步，所述电池为纽扣电池。
本实用新型的有益效果是：本技术方案实现了在系统上电时，MCU通过I2C总线从时钟芯片中读取硬件时钟，再更新系统时间达到供给系统实时时钟功能；同时利用双电源自动切换电路实现直流电源和电池的自动切换，在直流电源处于工作状态时，电池切换到零功耗状态，从而增加电池的续航时间，实现超低功耗。
附图说明
图1为本实用新型的结构框图；
图2为本实用新型实时时钟的电源供给部分电路原理图；
图3为本实用新型实时时钟的时钟芯片接口部分电路原理图；
图4为I2C总线起始停止条件时序图；
图5为数据位传送图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：
参照图1，一种超低功耗实时时钟，包括有直流电源、电池、双电源自动切换电路、时钟芯片和微控制单元，所述直流电源的输出端连接至双电源自动切换电路的第一输入端，所述电池的正极连接至双电源自动切换电路的第二输入端，所述双电源自动切换电路的输出端连接至时钟芯片的电源输入端，所述时钟芯片与微控制单元连接。
进一步作为优选的实施方式，所述时钟芯片与微控制单元通过I2C总线连接。
进一步作为优选的实施方式，所述双电源自动切换电路包括有第一二极管和第二二极管，所述直流电源的输出端连接至第一二极管的阳极，所述电池的正极连接至第二二极管的阳极，第一二极管的阴极和第二二极管的阴极均连接至时钟芯片的电源输入端。
进一步作为优选的实施方式，所述双电源自动切换电路还包括有电容，所述电容的一端与第一二极管的阳极连接，所述电容的另一端接地。
进一步作为优选的实施方式，所第一二极管和第二二极管均为IN4148高速开关二极管。
进一步作为优选的实施方式，所述时钟芯片的型号为PCF8563。
进一步作为优选的实施方式，所述直流电源为3.3V直流电源。
进一步作为优选的实施方式，所述电池为纽扣电池。
参照图2，实时时钟电源供给部分电路，J1为封装为CR1225的纽扣电池，满负荷工作时电压为3V。DVCC3V3为3.3V 直流电源，由9V~12V的电源适配器通过DC-DC降压芯片转化而来，纽扣电池和3.3V电源之间都接上IN4148高速开关二极管，根据1N4148二极管单向导通隔离特性，当MCU由电源适配器供电时，3.3V直流电源经过1N4148二极管的压降大于纽扣电池经过1N4148二极管的压降，纽扣电池与二极管之间将截止，实时时钟芯片的电源由适配器供电，纽扣电池将不会消耗，同理，当没有电源适配器时，实时时钟芯片将由纽扣电池供电，从而保证了实时时钟正常行走。
参照图3， RTC实时时钟芯片接口部分电路，实时时钟芯片选用的是广泛应用的NXP半导体公司生产的PCF8563，它是一款低功耗CMOS实时时钟/日历芯片，提供一个可编程的时钟输出，一个中断输出和一个掉电检测器，所有的地址和数据都通过I2C总线接口串行传递，最大总线速度为400Kbits/s，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动递增，震荡时钟由外接32.768kHz晶体提供。
参照图3，MCU和实时时钟芯片通过I2C总线的两条线SDA和SCL传递信息。SDA为串行数据，SCL为串行时钟线，两条线必须用一个上拉电阻与正电源相连，阻值由SCL和SDA上升沿时间与总线负载电容相比得到，本设计中使用10k大小的上拉电阻。数据只在总线不忙时才可传送。产生信息的器件是传送器，接收信息的器件是接收器，控制信息的器件是主器件，受控制的器件是从器件，本设计中MCU作为主器件（主接收/发送器），实时时钟芯片作为从器件（从接收/发送器）。在总线空闲时，数据线和时钟线保持高电平，数据线在下降沿、时钟线为高电平时为起动条件（S，START condition），数据线在上升沿、时钟线为高电平时为停止条件，参照图4。
SCL线每个上升沿时钟脉冲传送一个数据位，SDA线上的数据在时钟脉冲高电平时应保持稳定，否则SDA线上的数据将成为图4中提到的控制信号，如图5为数据位传送图。
在起动条件（S，START condition）和停止条件（P，STOP  condition）之间发送器发给接收器的数据数量没有限制。每个8位字节后加一个应答标志位，发送器产生高电平的应答标志位，这时主器件产生一个附加应答标志时钟脉冲。从接收器必须在接收到每个字节后产生一个应答标志位，主接收器也必须在接收从发送器发送的每个字节后产生一个应答标志位。在应答标志位时钟脉冲出现时，SDA线应保持低电平（应考虑起动和保持时间）。主发送器应在从器件接收最后一个字节时变为低电平，使接收器产生应答标志位，这时主器件可产生停止条件。
在arm平台（arm9、arm11）linux嵌入式系统中对设备的操作在底层实际上是对硬件的寄存器操作，PCF8563有16个8位寄存器，一个可自动增量的地址寄存器，所有16个寄存器设计成可寻址的8位并行寄存器，但不是所有位都有用。前两个寄存器（内部地址00H，01H）用作控制寄存器和状态寄存器，地址02H～08H用于时钟计数器（秒到年计数器），地址09H～0CH用于报警寄存器（定义报警条件），地址0DH用于控制CLKOUT管脚的输出频率，地址0EH和0FH分别用作定时器控制寄存器和定时器寄存器，本设计中只需要读取以及设置系统时间即要操作地址为02H~08H的秒到年计数器寄存器，读取实际的操作步骤为：
（1）MCU控制数据线和时钟线为高电平，使总线为空闲状态，控制数据线SDA为下降沿、时钟线保持高电平产生起动条件。
（2）MCU通过SDA线在SCL上升沿时发送数据A2H的每一位数据，最高位先发送，并在最后一位发送完毕后等待PCF8536应答标志（注：A2H表示开始向PCF8563写数据）。
（3）MCU通过SDA线在SCL上升沿时发送数据02H，02H为秒寄存器地址，并在最后一位发送完毕后等待PCF8536应答标志。
（4）MCU通过SDA线在SCL上升沿时发送数据A3H的每一位数据，最高位先发送，并在最后一位发送完毕后等待PCF8536应答标志（注：A3H表示表示开始从第3步设置的秒寄存器开始读数据）。
（5）在SCL上升沿时读取一个字节8位数据，并向PCF8536发送应答标志，所读取的数值即为秒寄存器的值。
（6）内嵌的字地址寄存器会自动递增，重复第5步继续读取分，时，日，星期，月，年计数器寄存器的值。
（注：以上提到的内部地址如“02H”中H表示数值“02”是十六进制数，十六进制逢十六进一，十六进制0~9与十进制一样（阿拉伯数字0~9）但要表示10则为A,11为B以此类推）
更新实时时钟也即写地址为02H~08H的秒到年计数器寄存器即可，步骤如下：
（1）MCU控制数据线和时钟线为高电平，使总线为空闲状态，控制数据线SDA为下降沿、时钟线保持高电平产生起动条件。
（2）MCU通过SDA线在SCL上升沿时发送数据A2H的每一位数据，最高位先发送，并在最后一位发送完毕后等待PCF8536应答标志（注：A2H表示开始向PCF8563写数据）。
（3）MCU通过SDA线在SCL上升沿时发送数据02H，02H为秒寄存器地址，并在最后一位发送完毕后等待PCF8536应答标志。
（4）在SCL上升沿时将时间秒数的8位数值，通过SDA线向PCF8536发送并应答标志。
（5）由于内嵌的字地址寄存器会自动递增，重复第4步继续向分，时，日，星期，月，年计数器寄存器写入要设置的值完成更新硬件时钟。
以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种超低功耗实时时钟，其特征在于：包括有直流电源、电池、双电源自动切换电路、时钟芯片和微控制单元，所述直流电源的输出端连接至双电源自动切换电路的第一输入端，所述电池的正极连接至双电源自动切换电路的第二输入端，所述双电源自动切换电路的输出端连接至时钟芯片的电源输入端，所述时钟芯片与微控制单元连接。
2.根据权利要求1所述的一种超低功耗实时时钟，其特征在于：所述时钟芯片与微控制单元通过I2C总线连接。
3.根据权利要求1所述的一种超低功耗实时时钟，其特征在于：所述双电源自动切换电路包括有第一二极管和第二二极管，所述直流电源的输出端连接至第一二极管的阳极，所述电池的正极连接至第二二极管的阳极，第一二极管的阴极和第二二极管的阴极均连接至时钟芯片的电源输入端。
4.根据权利要求3所述的一种超低功耗实时时钟，其特征在于：所述双电源自动切换电路还包括有电容，所述电容的一端与第一二极管的阳极连接，所述电容的另一端接地。
5.根据权利要求3所述的一种超低功耗实时时钟，其特征在于：所第一二极管和第二二极管均为IN4148高速开关二极管。
6.根据权利要求1所述的一种超低功耗实时时钟，其特征在于：所述时钟芯片的型号为PCF8563。
7.根据权利要求1所述的一种超低功耗实时时钟，其特征在于：所述直流电源为3.3V直流电源。
8.根据权利要求1所述的一种超低功耗实时时钟，其特征在于：所述电池为纽扣电池。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108563598A (zh) * 2018-03-02 2018-09-21 上海芯导电子科技有限公司 一种自唤醒的i2c通讯架构系统

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