Функціональні характеристики таймерів реального часу

 

Таймером реального часу (RTC — Real Time Clock)називається схема, призначена для незалежного (від процесора або контролера, а також від наявності живлення) підрахунку поточного часу і ведення функцій календаря. Таймери реального часу (далі просто таймери або RTC)випускаються рядом фірм: Dallas Semiconductors, Thomson, Philips, Epson, Motorola, Unitrode (BenchMarq). Безперечним лідером в цій області є фірма Dallas Semiconductors,яка випускає найрізноманітнішу номенклатуру мікросхем RTC.

Є принаймні два стандартні формати запису даних часу і календаря в RTC.

Перший, основний, формат запису даних часу позначається як STD (Standard Timer Data)і містить шість байтів (у деяких 4-бітових RTC — шість молодших півбайтів), в яких записуються години (Н), хвилини (М) і секунди (S) у вигляді HH:MM:SS.

Другий, розширений, формат запису часу позначається як STD + hh,де під байтами hhмається на увазі значення десятків і одиниць сотих часток секунди. Такий формат містить 8 байтів (півбайтів) — HH:MM:SS:hh.

Перший, стандартний, формат запису даних календаря також позначається як STDі містить значення двох останніх цифр року (YY),номер місяця (ММ),номер дня (DD).Цей формат містить шість байт — YY-MM-DD.

Другий, розширений, формат запису даних календаря позначається Y2Kі містить на відміну від попереднього випадку значення всіх чотирьох цифр року. Формат містить 8 байт даних календаря — YYYY-MM-DD.

Перерахуємо основні і можливі функції (властивості) мікросхем RTC.

1. Основна функція — генерація кодів часу і календаря, для чого мікросхема має вбудований високостабільний кварцевий генератор, що забезпечує, як правило, точність не гірше ±1 хвилина за місяць, набір лічильників і програмно доступні регістри, в яких поміщаються дані поточного часу і календаря.

2.«Time of Day Alarm» -функція генерації переривання в запрограмований час.Це переривання генерується раз на добу. Позначається ця функція літерою «А» (тут і далі використовуються позначення, вживані в документації фірми Dallas Semiconductors).

3. Деякі RTCмають вбудований супервізор живлення, який генерує сигнал скидання «Microprocessor Reset»для мікропроцесора (мікроконтролера) і утримує його в стані скидання доти, доки напруга живлення не досягла норми. Ця функція позначається як UR.Це виключає можливі порушення даних RTC і блокує роботу процесора, коли напруга живлення не відповідає номінальному значенню.

4.«Kickstart — KS» - вхід для зовнішнього сигналу,який генерує вихідний сигнал RTCдля вмикання живлення мікропроцесорної системи.

5. Вихід «Periodic — Р», якийможна запрограмувати на генерацію імпульсів в діапазоні періодів від 122мкс до 500мс.

6. Деякі мікросхеми мають вбудований сторожовий таймер WDT.

7. «Random Access Memory — RAM» вбудована незалежна оперативна пам'ять,причому розмір цієї пам'яті варіюється від декількох байт до 512 Кбайт. Ця властивість мікросхем RTCдозволяє при достатньому об'ємі такої пам'яті використовувати її як Flash-пам’ятьдля зберігання різного роду налаштувань.

8. «RAM Clear — RC» - очищення всієї оперативної пам'яті,для чого в цих мікросхемах є спеціальний вхід.

9. «Update in Progress — U» - відображає зайнятість мікросхеми внутрішніми операціями.

10. «Wake-up — WU» - додаткове переривання в запрограмований час.

11. «Event Recorder — ER» - запис часу якої-небудь події..

12. «Power Cycle Counter — РС»— лічильник, який рахує кількість циклів вмикання - вимикання.

13. «Vcc Active Counter — VC» - лічильник, який рахує час активної роботи.

14. Мікросхеми RTCвипускаються з напругою живлення 5 В або 3,3 В.

15. Мікросхеми можуть бути виконані в різних корпусах (DIP, SO),модулях (М) і у вигляді слотів (S).

16. Випускаються таймери RTCіз зовнішнім резервним живленням (батареєю), з вбудованою літієвою батареєю (що, як правило, забезпечує до 10 років безперервної роботи) і з вбудованими гніздами для змінних батарей.

17. Доступ до даних мікросхеми може бути паралельними (Parallel),мішаним (Mіxed),побайтним (Bytewide),а також з використанням послідовних інтерфейсів 2 -Wire, 3-Wire і SPI.

18. Багато мікросхем RTC з паралельним інтерфейсом підтримують декілька специфікацій шин, наприклад Intel і Motorola.

19. Випускаються таймери з байтовим і півбайтовим доступом.

20. Мікросхеми RTC випускаються з нормальним і розширеним температурним діапазоном роботи.

21. Деякі мікросхеми RTC,що особливо містять великий об'єм незалежної пам'яті, сумісні по корпусу і функціональному призначенню виводів з деякими мікросхемами ROM (Read Only Memory).

Окрім перерахованих основних додаткових функцій, що часто зустрічаються, деякі мікросхеми мають додаткові специфічні функції, наприклад такі, як температурний контроль (Temperature Control — ТС),температурна тривога (Temperature Alarm — ТА),серійний номер (Serial Number — SN),вбудований аналого-цифровий перетворювач (ADC), тощо.

Багато з наведених вище властивостей мікросхем RTC,є надмірними для функціонування універсального технологічного контролера. Тому необхідно визначити — головні (обов'язкові) і додаткові критерії, за якими обиратиметься мікросхема RTC:

1. Безумовно, що мікросхема RTC повинна мати функції відліку часу і календаря. Формат даних часу і календаря принципового значення не має.

2. Оскільки технологічні контролери орієнтовані на роботу в реальному масштабі часу, обмін між власне мікроконтролером і його периферійними вузлами повинен здійснюватися достатньо швидко. У зв'язку з цим мікросхема RTC повинна забезпечувати паралельний байтовий доступ даним.

3. Бажано, щоби мікросхема RTC мала Intel-сумісну шину.

4. Обов'язковою є наявність вбудованої незалежної пам'яті. Об'єм пам'яті залежить від призначення контролерів, що розробляються. Для звичайних технологічних завдань, як правило, вистачає пам'яті об'ємом близько 50 байт. У достатньо окремих випадках, коли контролер повинен запам'ятовувати і зберігати при відключеному живленні великий об'єм інформації, необхідно вибирати RTC з великимоб'ємом вбудованої пам'яті. З урахуванням того, що адресний простір більшості мікроконтролерів складає 64К і частина цього простору займає швидкодіюча RAMі адреси периферійних пристроїв, об'єм вбудованої (у RTC)оперативної пам'яті зазвичай не перевищує 32К.

5. Бажано, щоби корпус і функціональне призначення виводів були сумісні з деякими мікросхемами Flash-пам’яті.

6. Обов'язково, щоб мікросхема RTCриса вбудовану літієву батарею, або гнізда для установки змінних батарей, тобто щоби мікросхема модульне виконання. Це значно економить площу друкованої плати.

7. Обов'язково, щоб мікросхема RTCмогла встановлюватися в стандартизовані DIP-панельки для забезпечення максимальної ремонтопридатності і модифікованості контролера.

Перераховані критерії дозволяють здійснити вибір мікросхем RTCз усієї номенклатури мікросхем, що випускаються.

Можна відібрати кілька типів, що задовольняють наведеним вище критеріям (див. табл. 4.3):

Відібрані тільки ті мікросхеми, які мають паралельну шину і модульне виконання з корпусами MDIP24 і MDIP28. Перші три групи мікросхем виконано в модульних корпусах MDIP24і мають неістотні відмінності (у додаткових функціональних можливостях). Всі вони мають об'єм вбудованої пам'яті не менше 114 байт, чого цілком достатньо для більшості стандартних застосувань.

Таблиця 4.3 – Типи мікросхем RTC

 

Тип мікросхеми	Формат часу	Формат календаря	RAM, байт	Можливості	Тип шини	Корпус
DS12(C) 887(A). M48T86, В03287(А)	STD	STD		A, P, U (RC)	P-Muxed	M24
DS14287. BQ4287	STD	STD		A.P.U	P-Muxed	M24
DS1687, BQ3287E	STD	Y2K	114+128	A, P, U, KS, WU. RC	P-Muxed	M24
DS1286, BQ4847	STD+hh	STD		A, WD	P-Bytewide	M28
DS1691, DS1693	STD	Y2K		A, P, U, KS, WU, RC, VC, РС	P-Muxed	M28
DS1S43, DS1643, М(К)48Тх8	STD	STD	8K	A, WD, UR	P-Bytewide	M28
DS1553, DS1743, M48T59A	STD	Y2K	8K	A, WD, UR	P-Bytewide	M28
DS1644, DS1744, M48T35, BO4830Y	STD	STD	32K		P-Bytewide	M28

 

Решта чотири групи мікросхем виконано в модульних корпусах MDIP28. З них перші дві групи мають достатньо малий об'єм пам'яті (50 і 114 байт) як на такий великий корпус. Ця обставина дозволяє нам у разі поганого збігу функціонального призначення виводів виключити їх з подальшого розгляду.

На рис. 4.6 показано функціональне призначення виводів мікросхем RTC першої групи з мультиплексованими шинами адреси і даних.

На рисунку використані наступні позначення:

AD0...AD7 — мультиплексована шина адреси/даних;

 

Рис. 4.6 функціональне призначення виводів мікросхем RTS з мультиплексованими шинами адреси/даних.

 

Vcc — напруга живлення;

GND — загальний провід живлення;

МОТ— вхід вибору типу шини (Intel або Motorola);

Vcc — вихід для живлення зовнішньої пам'яті;

PWR/ — вихід переривання на вмикання живлення (з відкритим колектором);

SQW — вихід генератора програмованої частоти;

СЕО/ — вихід вибірки кристала для зовнішньої пам'яті;

CEI/ — вхід вибірки кристала для зовнішньої пам'яті;

RCLR/ — вхід стирання внутрішньої пам'яті;

IRQ/ — вихід переривання (будильника) з відкритим колектором;

RST/ — вхід скидання;

DS — строб даних;

R/W — вхід режиму читання/запису;

ALE — строб адреси;

CS/ — вхід вибірки кристала;

Vbaux — вхід зовнішньої батареї;

KS/ — вхід сигналу Kickstart;

RD/ — вхід сигналу читання;

WR/ — вхід сигналу запису;

NC — невживаний вивід.

Аналіз рис. 4.6 і наведених даних про функціональне призначення виводів показує, що мікросхеми практично співпадають за основними функціональними виводами (за винятком сигналів управління читанням/записом R/W, RD/, WR/). Це дозволяє при використанні мінімальних зовнішніх модифікаторів встановлювати їх на один і той же сокет (панельку).На рис. 4.7 показано функціональне призначення виводів мікросхем RTC другої групи з розділеними шинами адреси і даних.

 

 

Рис. 4.7 – Функціональне призначення виводів мікросхем другої групи

 

Тут використані наступні позначення:

А0...А14 — входи шини адреси;

D0...D7 — входи шини даних;

Vcc — вхід живлення;

GND — загальний вивід живлення;

СE/ — вхід дозволу кристала;

WE/ — вхід дозволу запису;

ОЕ/ — вхід дозволу читання;

RST/ — вихід скидання з відкритим колектором;

IRQ/FT — вихід переривання і тестування частоти з відкритим колектором;

SQW — вихід генератора програмованої частоти;

СЕ2 — вхід 2 дозволу кристала;

NC — невживані виводи.

Аналіз рис. 4.7 і приведених даних про функціональне призначення виводів показує, що мікросхеми співпадають по основних функціональних виводах. Це дозволяє встановлювати їх на один і той же сокет (панельку). Крім того, розводка цієї панельки дозволяє при необхідності встановлювати на неї замість мікросхем RTC багато мікросхем ROM.

Таким чином, відібрано для використання в універсальних технологічних контролерах дві групи мікросхем RTC. Перша група — з мінімальними (основними) функціями відліку часу і календарем і малим об'ємом вбудованої пам'яті може бути використана в простіших (відносно вирішуваних програмних завдань) технологічних контролерах. Друга група — з основними функціями і вбудованою незалежною RAMдосить великого об'єму (8К або 32К) для використання в технологічних контролерах зі складним програмним забезпеченням і необхідністю незалежного зберігання великих об'ємів даних.

 

 

4.3. Мікросхеми RAMдля технологічних контролерів

 

Як правило, при розробці універсальних технологічних контролерів відомі їх приблизні області застосування, відповідно відомий приблизний рівень складності програмного забезпечення і об'єми оброблюваних і накопичуваних даних. Якщо контролери призначені для обробки і зберігання великих об'ємів даних, природно, виникає необхідність у використанні додаткових мікросхем оперативної пам'яті. До мікросхем пам'яті при цьому пред'являються вимоги відповідної швидкодії, достатнього об'єму, енергоспоживання і мінімальності площі на печатній платі. Крім того, враховується та обставина, що адресний простір контролерів обмежений і частина його відводиться для роботи периферійних пристроїв (зокрема мікросхем RTCз вбудованою незалежною пам'яттю). Враховуючи ці обставини, для більшості завдань вважається достатнім використання мікросхем оперативної пам'яті з об'ємом 32К (тобто половини адресного простору).

Мікросхеми пам'яті випускаються багатьма фірмами. Їх параметри і схеми включення добре відомі, тому наведення їх даних в рамках практичних занять недоцільно. Відзначимо, що найменшу площу на печатній платі займають мікросхеми у вузьких корпусах. Однією з таких мікросхем RAMє мікросхема IS61C256A-15Nфірми ISSI. Вона випускається у вузькому корпусі DIP28,повністю статична, живлення мікросхеми — 5 В, вона має мале динамічне енергоспоживання (400 мВт), невеликий час циклу читання/запису (10, 12, 15, 20 і 25 нс — який позначається після типу мікросхеми), в режимі простою споживання мінімізується і складає при роботі спільно з TTL входами 55 мВт і з CMOS входами — 250 мкВт. Розглянемо дві підсистеми пам'яті технологічних мікроконтролерів.

На рис. 4.8 показані схемні зображення мікросхем RTC першої групи. На рис. 4.9 показана підсистема пам'яті, що дозволяє встановлювати всі ці мікросхеми і їх аналоги на одну панельку з реалізацією практично всіх основних функцій.

 

 

Рис. 4.8 – Схемні зображення мікросхем RTC першої групи

 

 

 

Рис. 4.9 – Підсистема пам'яті на мікросхемах RTC першої групи

 

На рис. 4.10 показані схемні зображення мікросхем RTCдругої групи. На рис. 4.11 зображена підсистема пам'яті, що включає мікросхему RAMі панельку для мікросхем RTC з внутрішньою незалежною RAM.

Зображена на рис. 4.11 підсистема пам'яті містить шинний формувач даних D1 (74НС245),регістр молодшого байта адреси D2 (74НС573),мікросхему RTC другої групи D3і мікросхему оперативної пам'яті D4 (61С256).Функціональні призначення сигналів приведені над лініями сигналів, а перед лініями сигналів показані назви бітів портів мікроконтролера Ат89с51/52.

 

 

Рис. 4.10 – Схемні зображення мікросхем RTC другої групи

Модифікатори (перемички) JP1—JP10призначені для настройки панельки під конкретну мікросхему RTC другої групи або мікросхему ROM, (Flash). Адреса мікросхеми оперативної пам'яті 32К D4розташована в молодшій половині адресного простору мікроконтролера. Сигнал вибірки кристала мікросхем D3 (RTC або ROM), що надходить від системного дешифратора адреси (на схемі не наведений), розташовує її, або підсистему пристроїв введення/виводу в старшій половині адресного простору. До виводу 23 панельки через встановлену перемичку JP1може подаватися або сигнал з лінії адреси ADR11 (DS1744, DS1644, DS1643, DS1743, DS1543, DS1553),або при знятій перемичці JP1і встановленою JP7з цього виводу може зніматися сигнал з виходу програмованого генератора меандру SQW (DS1286).

Рис. 4.11 – Підсистема пам'яті на мікросхемах RTC другої групи

Перемички JP2—JP6дозволяють відключати відповідні лінії адреси або міняти місцями лінії ADR14 і WR/при установці на панельку мікросхем ROM (Flash).Перемички JP8, JP9дозволяють знімати сигнали переривань при використанні мікросхем DS1543, DS1553, DS1286.Перемичка JP10необхідна для подачі додаткового сигналу вибірки при використанні мікросхем DS1643, DS1743. Таким чином, наведена схема дозволяє встановлювати на панельку цілий ряд мікросхем RTC з різними функціональними можливостями і об'ємом вбудованої незалежної пам'яті, що значно підвищує гнучкість технологічних контролерів.