基于LPC2131的实时时钟控制设计

摘要：实时时钟在工业系统中具有良好的应用前景。本系统以微控制器LPC2131为核心控制器，控制内部实时时钟，实现对秒、分、小时等各个时间寄存器的准确操作，通过串口将采集到的数据发送到上位机。本文详细给出硬件设计总体框图、设计原理和软件实现的方法，得出了实验结果。这种实时时钟的控制方法，很容易应用到现代工业以及各种智能化应用系统中。
关键词：LPC2131；实时时钟；串口

引言
    嵌入式技术是当前发展速度最快、应用最广、前景最好的信息技术领域之一。目前，社会上嵌入式系统人才短缺的现状给各大高校带来了契机，很多高校的电子信息工程专业都开设了相关的嵌入式课程。嵌入式系统主要由两部分组成：一是硬件，二是软件。本设计是基于32位ARM7TDMI-S核的LPC2131微控制器，内部带有独立电源和时钟源的实时时钟，在节电模式下极大地降低了功耗。通过硬件和软件的结合操作，实现了对内部各个时间寄存器的秒、分、小时、日、月、年和星期的控制，能够将采集到各个时间数据通过串口发送到上位机上，达到实时系统的显示功能。此设计便于形成专用的时钟控制的嵌入式装置，也能够嵌入到各种智能化应用系统中。

1 系统工作原理
    该系统主要基于LPC2131为核心的主控电路，由JTAG下载模块、外部时钟源模块、ARM7微控制器模块、串口通信模块(RS-232)等电路组成。LPC2131微控制器内部带有实时时钟模块，可以由外部独立的时钟振荡器来提供时钟源或由基于内部VPB时钟的可编程预分频器来提供时钟源，达到对时钟寄存器秒、分、小时、日、月、年和星期的控制。同时将控制的数据通过串口与PC机通信，来实现结果，将数据显示在PC机上。
1．1 实时时钟内部结构介绍
    LPC2131内部实时时钟结构框图如图1所示。实时时钟包含混合寄存器、时间寄存器、时间计数器、报警寄存器和预分频器等。其中，混合寄存器包括：中断位置寄存器(ILR)、时钟节拍计数器(CTC)、时钟控制寄存器(CCR)、计数器递增中断寄存器(CIIR)、报警屏蔽寄存器(A-MR)；时间计数器包括：秒寄存器(SEC)、分寄存器(MIN)、小时寄存器(HOUR)、日期寄存器(DOM)、星期寄存器(DOW)、年寄存器(DOY)、月寄存器(MONTH)、年寄存器(YEAR)；时间寄存器组包括：完整时间寄存器0(CTIME0)、完整时间寄存器1(CTIME1)、完整时间寄存器2(CTIME2)；报警寄存器包括：秒报警值(ALSEC)、分报警值(ALMIN)、小时报警值(ALHOUR)、日期报警值(ALDOM)、星期报警值(ALDOW)、月报警值(ALM-ON)、年报警值(ALYEAR)；预分频器包括：预分频值整数部分(PREINT)、预分频值小数部分(PREFRAC)。

1．2 实时时钟的基本操作
    首先，设置时钟控制寄存器(CCR)可以选择RTC的计数时钟，可以由外部振荡器32．768 kHz提供或内部Fpclk分频得到。当使用Fpclk作为时钟源时，它的基准时钟分频器允许调节任何频率高于65．536 kHz的外设时钟源产生一个32．768 kHz的基准时钟，实现准确计时操作。
    其次，如果CCR选择内部时钟源，则设置RTC基准时钟分频器(PREINT、PREFRAC)，如果选择外部32．768kHz就不必设置预分频寄存器的值，预分频寄存器值的计数如下：
   
    接着初始化实时时钟(RTC)的各个时钟值，如YEAR、MONTH、DOM等，报警中断设置，如CIIR、AMR等，然后启动RTC，即CCR的CLKEN位置位，读取完整的时间寄存器值。在此过程中时钟节拍计数器(CTC)是一个15位计数器，每秒计数32 768个时钟，当有CTC秒进位时，完整时间CTIME0～CTIME2、RTC时间寄存器(如SEC、MIN)将会更新。实时时钟中断有两种：一种增量中断，由CIIR控制；另一种为报警中断。本设计使用的是增量中断。
    最后将串口初始化，设置串口的波特率、数据位、停止位、校验位等，将串口与上位机连接，将串口采集到的时间寄存器变化的时间值发送到上位机上显示，得到对实时时钟的控制结果。
1．3 寄存器的功能介绍
    时钟控制寄存器(CCR)是一个5位寄存器，控制时钟电路的分频操作。计数器增量中断寄存器(CIIR)：可以使计数器每次增加时产生一次中断，在中断位置寄存器的位0(ILR[0])写入1之前，该中断一直保持有效。完整时间寄存器0(CTIME0)和完整时间寄存器1(CTIME1)：
CTIME0包括秒、分、小时、和星期，CTIME1包括日期、月和年。具体寄存器描述略——编者注。
    预分频整数寄存器(PREINT)：预分频的整数部分。预分频整数部分计算如下：
   
    预分频小数寄存器(PREFRAC)：预分频的小数部分。预分频小数部分计算如下：
   

2 系统硬件设计
2．1 系统的硬件结构
    该系统对ARM7微控制器LPC2131的实时时钟模块的各个寄存器控制，来达到对时钟的精确控制。该系统的硬件结构图，如图2所示。包括复位电路模块、JTAG下载模块、通信模块(RS-232)、ARM7微控制器模块及外部振荡电路模块。

2．2 系统的硬件原理图
    复位电路如图3所示，采用复位芯片SP708S，可以大大提高MCU的复位性能。通过确定的电压值(阈值)启动复位操作，同时排除瞬间干扰的影响，又防MCU在电源启动和关闭期间的误操作，保证数据安全。用阻容复位稳定性差，常常有按了复位键没反应，要按一段时间才能复位的经历，容易复位不成功。

    JTAG下载电路如图4所示，采用20引脚的JTAG口，使用下载工具J-LINK，由软件MDK将从PC机通过J-LINK，下载到LPC2131里。

    串口通信电路如图5所示，采用串口芯片MAX3232，将MAX3232与LPC2131连接起来，实现上位机与下位机数据通信。

    ARM7微控制器模块及外部振荡电路的系统时钟源晶振为11．059 2 MHz，实时时钟的晶振为32．768 kHz。电路图略——编者注。

3 系统软件设计
3．1 程序流程
    本系统采用了高级语言C编写LPC2131程序，本程序主要完成对实时时钟RTC的各个时间寄存器的设定、显示以及对串口0的初始化设定。然后通过CPU采集实时时钟的各个时间寄存器变化的数据，经串口连接到上位机，在上位机上显示出时间来。程序流程如图6所示。

3．2 控制程序
    根据程序流程，可将程序分为三大部分：第一部分，对串口的初始化及串口发送数据的函数初始化。第二部分，对实时时钟的初始化，来设置基准时钟、时、分、秒等各个寄存器，将采集到的数据通过终端显示出来。第三部分，主函数部分，将秒增量中断标志置位、清楚RTC中断，而后循环地将时间在串口调试助手上显示。

4 实验结果
    将以上程序在MDK中运行，下载到LPC2131中，将串口与PC机连接，设置好串口调试助手，波特率9 600bps，数据位8位，1个停止位，无校验位。得到时间结果。

结语
    本文介绍了基于ARM7TDMI-S核的芯片LPC2131和内部的实时时钟(RTC)的工作原理，设计了基于实时时钟与LPC2131的串行通信的采样系统，将时间显示在上位机上。这种时钟控制系统在现代生产、生活中应用广泛。在实际应用中，只需根据本文的基本思想进行适当的移植，即可设计成专用的时钟控制的嵌入式装置，并嵌入到各种智能化应用系统中。