Hodiny RTC s kalendárom pomocou PCF8583

Autori:	Győző Katona, Robert Nehánszki
Študijný odbor:	Aplikovaná mechatronika	2. Ing. (2014/2015)

Zadanie

• Popíšte ako funguje samotný senzor, ako sa pripojí k mikropočítaču.
• Zobrazte na LCD displeji a cez terminál reálny čas, deň a rok z obvodu PCF8583.
• Vyriešte naprogramovanie alarmu (denný, dňový alebo mesačný), alarmový stav zobrazte napríklad pomocou LED diódy.

Literatúra:

• Zoznam použitej literatúry, vrátane katalógových údajov (datasheet), internetových odkazov a pod.:

Odkazy produktu:

• Product page
• Programming the i2c interface

Ďalšie užitočné odkazy:

• Datasheet
• Stránka vývojovej dosky Acrob
• Použitý LCD display

Analýza

Ako už bolo spomenuté, našou úlohou je vytvoriť hodiny reálneho času pomocou čipu PCF 8583. PCF 8583 je hodinovo-kalendárový čip. Adresy a dáta sú prenášané sériovo po zbernici i2c. Adresa zabudovaných registrov je inkrementovaná automaticky po každom zápise alebo čítaní jedného bajtu. Adresný pin A0 slúži na naprogramovanie adresy čipu, a dovoľuje nám zapojiť dva rovnaké čipy na tú istú zbernicu bez pridania ďalšieho hardware-u. Ako mikroprocesor sme použili Atmegu 328P, ktorá je nasadená na vývojovej doske Acrob.

Kľúčové vlastnosti čipu PCF8583:

• napájacie napätie i2c zbernice 2,5 V až 6 V
• 240 x 8 bitová nízko-napäťová pamäť
• operačný prúd (pri f(scl)=0 Hz) maximálne 50 uA
• funkcia hodín so štvorročným kalendárom
• časovač s alarmom, indikácia pretečenia
• 12 alebo 24 hodinový formát času
• potreba 32,768 kHz kryštálu
• dvojvodičová zbernica i2c
• automatická inkrementácia adresy po zápise/čítaní
• programovateľný alarm, časovač a prerušovacie funkcie
• adresa slave-u A1h alebo A3h pre čítanie, A0h alebo A2h pre zápis (podľa stavu pinu A0)+

Rozloženie pinov

Popis pinov PCF 8583

PIN	Skratka-označenie	Krátky popis	I/O
1	OSCI	Vstupný pin pre kryštál	Vstup
2	OSCO	Výstupný pin oscilátora	Výstup
3	A0	Pin pre voľbu adresy	Vstup
4	Vss	Napájacie napätie	Napájanie
5	SDA	Linka serial data	Vstup/výstup
6	SCL	Linka serial clock	Vstup
7	INT	Open-drain výstup prerušenia (aktívne LOW)	Výstup
8	Vdd	Napájacie napätie	Napájanie

Zbernica i2c

I2c zbernica je skratka ktorá vznikla z názvu IIC zbernica, teda Internal-Integrated-Circuit Bus. Z názvu je hneď jasné, že sa jedná o internú dátovú zbernicu, ktorá slúži na komunikáciu a prenos dát medzi jednotlivými integrovanými obvodmi, väčšinou v rámci jedného zariadenia. Túto zbernicu vyvinula spoločnosť Philips približne pred 30 rokmi a od tej doby prešla niekoľkými vylepšeniami. V dnešnej dobe tento spôsob komunikácie podporuje celá rada integrovaných obvodov nielen firmy Philips. V prvom rade sa jedná o mikropočítače, sériové pamäte, inteligentné LCD obrazovky, a/d a d/a prevodníky, atď. Hlavnou výhodou je, že obojstranná komunikácia prebieha len po dvoch vodičoch SDA data a SCL hodiny, a tým pádom sa zjednoduší výsledné zapojenie celého obvodu. Na jednu zbernicu môžeme pripojiť viac integrovaných obvodov.

Spôsob adresovania:

• 7 bitové adresovanie - 128 čipov na tej istej zbernici
• 10 bitové adresovanie - 1024 čipov na tej istej zbernici
• na pevno (určené výrobcom čipu)

Prenosová rýchlosť je pre väčšinu aplikácií dostatočná už v základnej verzií, avšak zbernica prešla určitými vylepšeniami a tým pádom máme dnes rôzne prenosové rýchlosti. Rýchlosť prenosu však musí byť prispôsobená najpomalšiemu čipu na zbernici. Oba vodiče (SDA a SCL) musia byť v logickej jednotke, a to je zaistené pomocou pull-up odporov. čím je vyššia komunikačná rýchlosť, tým musia byť pull-up odpory menšie. Pre základnú rýchlosť 100 kHz postačujú odpory 4k7.

Rýchlosť zbernice i2c:

• základná - 100 kHz
• vylepšená - 400 kHz
• najrýchlejšia - až 1 MHz

Príklad zapojenia viacerých čipov na rovnakú zbernicu:

Princíp prenosu prostredníctvom i2c

Mikroprocesor sa považuje za MASTER a všetky ostatné obvody sú SLAVE. MASTER pri akomkoľvek prenosu generuje hodinový signál na vodiči SCL. Keď jeden čip vysiela, prijímajú všetky ostatné čipy na zbernici ale údaje spracuje len čip, ktorému boli dáta určené. Čip, ktorý chce dáta vyslať alebo prijať musí vždy najprv zadefinovať adresu čipu s ktorým chce nadviazať komunikáciu, a musí tiež určiť, či chce vysielať alebo čítať. To určuje bit R/W, ktorý je súčasťou adresy.

Prenos prebieha kombináciou nasledujúcich celkov:

• stav kludu - Tento stav je zaistený logickými jednotkami na oboch vodičoch, tj. MASTER negeneruje žiadny hodinový signál a neprebieha žiadny prenos. Logické jednotky sú zabezpečené pomocou pull-up odporov. Pull-up odpor je odpor medzi vodičom a napájacím napätím.
• start bit - Zahajuje prenos, alebo jeho ďalšiu časť. Je vygenerovaný tak, že sa zmení úroveň SDA z 1 na 0, zatiaľčo SCL = 1
• stop bit - Ukončuje prenos. Je generovaný podobne ako start bit. Úroveň SDA sa zmení z 0 na 1, zatiaľčo SCL = 1
• prenos dát - Všetky dáta sú prenášané po 1 bajt, teda 8 po sebe idúcich bitov od najvyššieho po najnižší. Pri prenose dát sa môže logická úroveň na SDA meniť len keď SCL = 0.
• ACK - tento bit slúži k potvrdeniu správneho prijatia dát. Odosiela sa rovnakým spôsobom, ako keby sa odosielal deviaty bit dát, ale s tým rozdielom, že ho generuje čip ktorý prijímal dáta a nie ten ktorý ho odosielal. Pokial prenos prebehol v poriadku, tak odošle logickú 0. Pokiaľ prenos zlyhal odošle sa logická 1. Pokiaľ má dojsť k ukončeniu prenosu, tak sa neodošle ACK.

Popis riešenia

Použitý RTC čip je štandartne pripojený k mikroprocesoru Atmega 328P pomocou dvoch vodičov SDA a SCL. V našom prípade však využívame aj dodatočné funkcie čipu PCF8583, a práve preto pripájame k mikroprocesoru aj tretí vodič. Spomenutou funkciou je zabudovaný alarm, ktorý v určitých časových intervaloch (aké si nastaví užívateľ), spustí alarmový stav, tj. niečo sa udeje, napríklad sa spustí siréna, spustí sa určité svetelné výstražné značenie alebo zapne sa motor, atď. Všetky tri vodiče musia byť pripojené na napájacie napätie (+5 V) pomocou pull-up odporov. Tie nám zabezpečia, že v kľudovom stave bude na všetkých troch zapojených pinoch logický stav 1. Taktiež sme využili 20 pinový konektor X1 vývojovej dosky Acrob na pripojenie LCD displeja.

Schéma zapojenia snímača PCF8583 k vývojovej doske Acrob

Algoritmus a program

Algoritmus je napísaný v programovacom prostredí AVR studio 4. Jednotlivé časti kódu budú vysvetlené nižšie. Pre jednoduchšie pochopenie programu nám poslúži vývojový diagram, v ktorom sú veľmi stručne opísané jednotlivé deje, ktoré sa udejú pri chodu programu. Aktuálny čas máme možnosť zobraziť na LCD displeji, alebo použijeme sériovú komunikáciu USART, a dáta vypíšeme napríklad pomocou programu Terminal

Vývojový diagram

Knižnice

Prvý krokom je zadefinovanie všetkých použitých knižníc. Knižnice slúžia na správnu funkciu a ovládanie všetkých použitých periférnych častí procesora. Niektoré sa použijú pri sériovej komunikácií cez USART, niektoré pri i2c komunikácií alebo pri operáciách s LCD displejom. V našom prípade sme použili 12 knižníc, a sú nasledovné:

#include <inttypes.h>
#include <compat/twi.h>
#include "serial.h"
#include "i2cmaster.h"
#include <avr/interrupt.h>  
#include <stdlib.h>
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include "lcd.h"

Rýchlosť procesora a SCL

Ďalším krokom bolo definovať rýchlosť nielen procesora ale aj rýchlosť komunikácie prostredníctvom i2c zbernice. V našom prípade procesor je taktovaný na frekvenciu 16 Mhz, rýchlosť komunikácie zbernice i2c je 100 kHz. Pre danú operáciu táto rýchlosť plne postačuje.

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 16000000UL
#endif

/* I2C clock in Hz */
#define SCL_CLOCK  100000L

Porty, prerušenie, LCD init

V main funkcií najprv prebieha inicializácia pripojeného LCD displeja, nastavenie jednotlivých portov a povolenie prerušenia (v prípade, že chceme túto možnosť využiť)

lcdInit4();                                 // inicializácia v 4-bitovom režime
lcdControlWrite(1<<LCD_CLR);                // zmazanie displeja
lcdControlWrite(0x40);                      // nastavenie pozície 0,0, tj. ľavý horný roh


DDRB &= ~(1<<PCINT0);                       // nastavenie PB0 ako vstup
PORTB |= (1<<PCINT0);                       // aktivácia pull-up rezistorov 
PCMSK0 |= (1 << PCINT0);                    // aktivácia PCINT0
PCICR |= (1 << PCIE0);                      // aktivácia prerušenia na aktivovanom PCINT0
sei ();                                     // povolí prerušenie

DDRB=0x20;                                  // PB5 - výstup na žltú LED diódu
PORTB = 0x00;                               // logický stav PORTB = 0, tj. LED nesvieti

Zápis času a dátumu do čipu

Prvá dôležitá operácia pri práci s čipom PCF8583 je zapísať čas a dátum do čipu a spustiť počítanie (spustiť hodiny). K tomu budeme potrebovať adresu pre čítanie a pre zápis do čipu. Táto adresa však závisí od zapojenia pinu A0. V našom prípade je adresa:

#define  adr_w 0xA2
#define  adr_r 0xA3

Ďalej budeme potrebovať lokáciu jednotlivých riadiacich registrov v pamäti RAM. Nato nám poslúži nasledujúci obrázok:

Najdôležitejší register (Ovládací a stavový register) sa nachádza na prvej adrese 00h. Tu nastavujeme hlavné funkcie, ktoré chceme pri našom procese aktívne využívať, tj. či chceme použiť časovač, alarm, aký kryštál je zapojený, tak isto tu nastavujeme zastavenie a spustenie hodín. Najdôležitejšie bity, ktoré sme použili sú opísané na obrázku:

Najprv použijeme nastavenie 0x80, takto docielime aby hodiny boli zastavené. Pri zápise času a dátumu do čipu musia byť hodiny vždy zastavené. Po zápise času a dátumu do čipu hodiny pustíme prepisom registra 00h z 0x80 na 0x04, čím zapneme počítanie a taktiež zapneme funkciu alarmu. Kedže čip disponuje funkciou automatickej inkrementácie adresy, po zápise do registra 00h (stavový), ďalší bajt sa zapíše do registra 01h a tak ďalej. Od adresy 01h je uložený čas nasledovne: stotiny - 01h, sekundy - 02h, minúty - 03h, hodiny - 04h, rok - dátum - 05h, deň - mesiac - 06h. To znamená, že keď zapíšeme do registra 00h hodnotu 0x80 (zastavíme hodiny), automaticky prejdeme do registra 01h a môžme nastaviť čas a dátum bez toho aby sme stále zadávali aj adresu registra do ktorého chceme zapisovať. V našom prípade zápis času vyzerá nasledovne:

...
write_time_to_chip(0x23,0x59,0x57,0x68,0x02);         //hodiny (23); minúty (59); sekundy (57); rok-dátum (horné dva bity rok, 5-4 bit: deň-desiatky, 3-0 bit: deň do 9) - teda 0x68 = rok 1, datum 28; 
                                                      //deň-mesiac (horné 3 bity deň, 4 bit: mesiac-desiatky, 3-0 bit: mesiac do 9) - teda 0x02 = deň 0 - pondelok , mesiac 2 - február

void write_time_to_chip(unsigned char hh,unsigned char mm,unsigned char ss,unsigned char yd,unsigned char wm)
{
//write to rtc
i2c_start_wait(adr_w);                                //pošle adresu zariadenia
i2c_write(0x00);                                      //pošle lokáciu registra kam chceme zapisovať
i2c_write(0x80);                                      //zastaví hodiny
i2c_write(0x00);                                      //nastavíme 0 na stotiny
i2c_write(ss);                                        //sekundy
i2c_write(mm);                                        //minúty
i2c_write(hh);                                        //hodiny
i2c_write(yd);                                        //rok, dátum
i2c_write(wm);                                        //deň, mesiac
i2c_write(0x00);                                      //časovač - my nepoužívame
i2c_stop();

_delay_ms(5);

//start counting again:
i2c_start_wait(adr_w);                                //repeat start pošle adresu zariadenia
i2c_write(0x00);                                      //pošle lokáciu registra kam chceme zapisovať              
i2c_write(0x04);                                      //spustí hodiny, alarm zapnutý
i2c_stop();                                           //i2c stop
}	
...

Nato aby sme správne zapisovali hodnoty do registra kde je hodinový záznam, záznam rok-dátum a deň-mesiac, musíme presne vedieť akú majú funkciu jednotlivé bity daných registrov. Vysvetlenie nájdeme v následujúcom obrázku:

Nastavenie alarmu

Alarm sa nastavuje rovnakým spôsobom ako čas a dátum, len s tým rozdielom že pri čase, stavový register sa nachádzal na adrese 00h, kým stavový register alarmu sa nachádza na adrese 08h. Ako presne nastaviť register 08h nájdeme na nasledujúcom obrázku:

V registry 08h nastavíme jednotlivé bity na 0x90. Dolné 4 bity sú nulové, keďže pri našom zadaní nepoužívame funkciu časovača, horné 4 bity majú logickú hodnotu 1001. Logická jednotka na 7. bite nastavuje aby bolo prerušenie aktívne pri alarmoch, 6. bit vypína alarm časovača, logické úrovne bitov 5,4 (v našom prípade 01) nastavujú daily alarm - teda denný alarm. Denný alarm pracuje tak, že každý deň v tom istom čase dôjde k prerušeniu.

i2c_start_wait(adr_w);                       //i2c štart, pošle adresu zariadenia
i2c_write(0x08);                             //nastaví lokáciu registra kam chceme zapisovať
i2c_write(0x90);                             //do 08h zapíšeme 0x90, prečo práve 0x90 je vysvetlené vyššie
i2c_write(0x00);                             //prebieha autoinkrementácia adresy registrov, 0x00 zapisujeme už do registra pre stotiny
i2c_write(0x05);                             //Alarm sekundy
i2c_write(0x00);                             //Alarm minúty
i2c_write(0x00);                             //Alarm hodiny
i2c_write(0x00);                             //Alarm rok, dátum nemá žiadny efekt keď používame denný alarm
i2c_write(0x00);                             //Alarm deň, mesiac nemá žiadny efekt keď používame denný alarm
i2c_stop();                                  //koniec komunikácie i2c

Vyčítanie aktuálneho času a dátumu z čipu

Vyčítanie prebieha rovnakým spôsobom ako zápis. To znamená, že čítame dáta z rovnakých registrov, ako do ktorých sme na začiatku zapisovali (pravdaže medzitým sa čas zmenil, takže vyčítame iné hodnoty a nie na začiatku nami zadané). Vyčítanie vyzerá nasledovne:

...
//read from rtc
i2c_start_wait(adr_w);		     //i2c start, pošle adresu zariadenia							
i2c_write(0x01);		     //zapíšeme od ktorého registra chceme čítať, stavový register 00h nie je potrebné pre nás vyčítať
i2c_rep_start(adr_r);                //repeat štart,zo zápisu prepneme na čítanie           
stotina=i2c_readAck();               //vyčítame stotiny a uložíme do premennej (ďalšiu adresu neurčíme kedže aj tu funguje automatická inkrementácia)
sec=i2c_readAck();                   //vyčítame sekundy a uložíme do premennej
min=i2c_readAck();                   //vyčítame minúty a uložíme do premennej
hour=i2c_readAck();                  //vyčítame hodiny a uložíme do premennej
Year_Date=i2c_readAck();             //vyčítame rok a dátum a uložíme do premennej
Weekday_Month=i2c_readNak();         //vyčítame deň a mesiac a uložíme do premennej
i2c_stop();                          //ukončíme komunikáciu
...

Spracovanie vyčítaných dát

Odmaskovanie

V premenných Year_Date a Weekday_Month sa nachádzajú viaceré potrebné dáta. Práve preto musíme tieto premenné odmaskovať, tj. oddeliť od seba rok a dátum a tak isto oddeliť od seba deň a mesiac. Musime získať z dvoch premenných ako keby štyri premenné. Spravíme to tak, že vynásobíme bity reprezentujúce rok a bity reprezentujúce deň nulou. Tým získame premenné, v ktorých bude len dátum a mesiac.

//odmaskovanie:
mesiac=Weekday_Month & 0x1F;
denmes=Year_Date & 0x3F;

Konvertovanie z BCD na ASCII

Všetky vyčítané dáta sú uložené ako číselná hodnota v BCD formáte. Tento formát pravdaže musíme konvertovať na ASCII kód. Ako prekonvertovať BCD na ASCII nájdeme napríklad TU v sekcií Numbers in ASCII-format. Z popisu je jasné, že treba pripočítať číslo 48 k BCD číslu. Ďalej si treba uvedomiť, že pri výpise na LCD nevieme posielať reťazec naraz ako cez Terminál, tj. treba čísla rozdeliť na desatinnú a jednotkovú časť. Keď máme napríklad 14 hodín zvlášť pošleme 1 a zvlášť 4 na displej.

Nezabudnite však nahrať aj kompletné zdrojové kódy vášho programu!

Zdrojový kód: serial.h a main.c

program.c

Overenie

Nezabudnite napísať čosi ako užívateľský návod. Z neho by malo byť jasné čo program robí, ako sa prejavuje a aké má užívateľské rozhranie (čo treba stlačiť, čo sa kde zobrazuje). Ak ste namerali nejaké signály, sem s nimi. Ak je výsledkom nejaký údaj na displeji, odfotografujte ho.

Kľúčové slová 'Category', ktoré sú na konci stránky nemeňte.