【正点原子FPGA连载】 第二十四章 RTC实时时钟LCD显示实验-摘自【正点原子】领航者ZYNQ之FPGA开发指南_V2.0

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第二十四章 RTC实时时钟LCD显示实验

PCF8563是一款多功能时钟/日历芯片。因其功耗低、控制简单、封装小而广泛应用于电表、水表、传真机、便携式仪器等产品中。本章我们将使用领航者Zynq开发板上的PCF8563器件实现实时时钟的显示。 本章包括以下几个部分： 1.1 PCF8563简介 1.2 实验任务 1.3 硬件设计 1.4 程序设计 1.5 下载验证   1.1 PCF8563简介 PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工业级多功能时钟/日历芯片，具有报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能，能完成各种复杂的定时服务。其内部功能模块的框图如下图所示：

图 7.5.13.1 PCF8563功能框图 PCF8563有16个可寻址的8位寄存器，但不是所有位都有用到。前两个寄存器（内存地址00H、01H）用作控制寄存器和状态寄存器（CONTROL_STATUS）；内存地址02H08H用作TIME计时器(秒年计时器)；地址09H~0CH用于报警（ALARM）寄存器(定义报警条件)；地址0DH控制CLKOUT管脚的输出频率；地址0EH和0FH分别用于定时器控制寄存器和定时器寄存器。 秒、分钟、小时、日、月、年、分钟报警、小时报警、日报警寄存器中的数据编码格式为BCD，只有星期和星期报警寄存器中的数据不以BCD格式编码。BCD码（Binary-Coded Decimal‎）是一种二进制的数字编码形式，用四个二进制位来表示一位十进制数（0~9），能够使二进制和十进制之间的转换得以快捷的进行。 PCF8563通过I2C接口与Zynq进行通信。使用该器件时，Zynq先通过I2C接口向该器件相应的寄存器写入初始的时间数据（秒~年），然后通过I2C接口读取相应的寄存器的时间数据。有关I2C总线协议详细的介绍请大家参考“EEPROM读写实验”。 下面我们对本次实验用到的寄存器做简要的描述和说明，其他寄存器的描述和说明，请大家参考PCF8563的数据手册。 秒寄存器的的地址为02h，说明如下表所示： 表 24.1.1 秒寄存器描述（地址02h） Bit 符号 描述 7 VL VL=0保证准确的时钟/日历数据 VL=1不保证准确的时钟/日历数据 6~0 秒 用BCD格式表示的秒数值 当电源电压低于PCF8563器件的最低供电电压时，VL为“1”，表明内部完整的时钟周期信号不能被保证，可能导致时钟/日历数据不准确。 BCD编码的秒数值如下表所示： 表 24.1.2 秒数值的BCD编码

寄存器的地址为03h，说明如下表所示： 表 24.1.3 分钟寄存器描述（地址03h） Bit 符号 描述 7 - 无效 6~0 分钟 用BCD格式表示的分钟值 小时寄存器的地址为04h，说明如下表所示： 表 24.1.4 小时寄存器描述（地址04h） Bit 符号 描述 7~6 - 无效 5~0 小时 用BCD格式表示的小时值 天寄存器的地址为05h，说明如下表所示： 表 24.1.5 天寄存器描述（地址05h） Bit 符号 描述 7~6 - 无效 5~0 天 用BCD格式表示的天数值 当年计数器的值是闰年时，PCF8563自动给二月增加一个值，使其成为29天。 月/世纪寄存器的地址为07h，说明如下表所示： 表 24.1.6 月/世纪寄存器（地址07h） Bit 符号 描述 7 C 当C为0时表明是当前世纪，为1时表明是下一世纪 6~5 - 未用 4~0 月 用BCD格式表示的月数值 表 24.1.7 月份表 月份 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 一月 0 0 0 0 1 二月 0 0 0 1 0 三月 0 0 0 1 1 四月 0 0 1 0 0 五月 0 0 1 0 1 六月 0 0 1 1 0 七月 0 0 1 1 1 八月 0 1 0 0 0 九月 0 1 0 0 1 十月 1 0 0 0 0 十一月 1 0 0 0 1 十二月 1 0 0 1 0 年寄存器的地址为08h，说明如下表所示： 表 24.1.8 寄存器（地址08h） Bit 符号 描述 7~0 年 用BCD格式表示的当前年数值，值为00~99 1.2 实验任务 本节的实验任务是通过领航者Zynq开发板上的PCF8563实时时钟芯片，在RGB LCD液晶屏上来显示时间。 1.3 硬件设计 领航者开发板上PCF8563接口部分的原理图如下图所示。

图 7.5.13.1 PCF8563接口原理图 PCF8563作为I2C接口的从器件与EEPROM等模块统一挂接在领航者开发板上的IIC总线上。 OSCI、OSCO与外部32.768KHz的晶振相连，为芯片提供驱动时钟；SCL和SDA分别是I2C总线的串行时钟接口和串行数据接口。 由于本实验中的管脚较多，这里仅给出XDC约束语句，XDC约束语句如下

set_property -dict {PACKAGE_PIN U18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_clk]
set_property -dict {PACKAGE_PIN N16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_rst_n]
  
set_property -dict {PACKAGE_PIN E18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports iic_scl]
set_property -dict {PACKAGE_PIN F17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports iic_sda]

set_property -dict {PACKAGE_PIN W18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[0]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN W19 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[1]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN R16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[2]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN R17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[3]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN W20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[4]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN V20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[5]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN P18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[6]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN N17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[7]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN V17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[8]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN V18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[9]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN T17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[10]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN R18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[11]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN Y18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[12]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN Y19 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[13]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN P15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[14]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN P16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[15]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN V16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[16]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN W16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[17]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN T14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[18]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN T15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[19]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN Y17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[20]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN Y16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[21]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN T16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[22]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN U17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb[23]}]

set_property -dict {PACKAGE_PIN N18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_hs]
set_property -dict {PACKAGE_PIN T20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_vs]
set_property -dict {PACKAGE_PIN U20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_de]
set_property -dict {PACKAGE_PIN M20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_bl]
set_property -dict {PACKAGE_PIN P19 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_clk]
set_property -dict {PACKAGE_PIN L17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_rst] 

1.4 程序设计 根据实验任务，我们可以大致规划出系统的控制流程：ZYNQ首先通过I2C总线向PCF8563写入初始时间值，然后不断地读取时间数据，并将读到的时间数据显示到LCD上。由此画出系统的功能框图如下所示：

图 7.5.13.1 PCF8563T实时时钟LCD显示系统框图 由系统框图可知，顶层模块（rtc_lcd）例化了以下三个模块，分别是IIC驱动模块（iic_dri）、PCF8563控制模块（pcf8563_ctrl）和LCD字符显示模块（lcd_disp_char）。其中LCD字符显示模块例化了读取ID模块（rd_id）、时钟分频模块（clk_div）、LCD显示模块（lcd_display）以及LCD驱动模块（lcd_driver）。 各模块端口及信号连接如图 7.5.13.2所示：

图 7.5.13.2 顶层模块原理图 PCF8563实时时钟控制模块（pcf8563_ctrl）通过与IIC驱动模块（iic_dri）进行通信来实现对PCF8563实时时钟数据的读取；PCF8563实时时钟控制模块（pcf8563_ctrl）再将从IIC读取的时间数据送给LCD字符显示模块（lcd_disp_char），以进行显示。 顶层模块的代码如下：

1   module rtc_lcd(
2       input                sys_clk,     //系统时钟
3       input                sys_rst_n,   //系统复位
4   
5       //RGB LCD接口
6       output               lcd_de,      //LCD 数据使能信号
7       output               lcd_hs,      //LCD 行同步信号
8       output               lcd_vs,      //LCD 场同步信号
9       output               lcd_bl,      //LCD 背光控制信号
10      output               lcd_clk,     //LCD 像素时钟
11      inout        [23:0]  lcd_rgb,     //LCD RGB888颜色数据
12      
13      //RTC实时时钟
14      output               iic_scl,     //RTC的时钟线scl
15      inout                iic_sda      //RTC的数据线sda    
16      );                                                      
17  
18  //parameter define
19  parameter    SLAVE_ADDR = 7'b101_0001   ; //器件地址(SLAVE_ADDR)
20  parameter    BIT_CTRL   = 1'b0          ; //字地址位控制参数(16b/8b)
21  parameter    CLK_FREQ   = 26'd50_000_000; //i2c_dri模块的驱动时钟频率(CLK_FREQ)
22  parameter    I2C_FREQ   = 18'd250_000   ; //I2C的SCL时钟频率
23  parameter    TIME_INIT  = 48'h19_01_01_09_30_00;//初始时间
24  
25  //wire define
26  wire          dri_clk   ;   //I2C操作时钟
27  wire          i2c_exec  ;   //I2C触发控制
28  wire  [15:0]  i2c_addr  ;   //I2C操作地址
29  wire  [ 7:0]  i2c_data_w;   //I2C写入的数据
30  wire          i2c_done  ;   //I2C操作结束标志
31  wire          i2c_ack   ;   //I2C应答标志 0:应答 1:未应答
32  wire          i2c_rh_wl ;   //I2C读写控制
33  wire  [ 7:0]  i2c_data_r;   //I2C读出的数据
34  
35  wire    [7:0]  sec      ;   //秒
36  wire    [7:0]  min      ;   //分
37  wire    [7:0]  hour     ;   //时
38  wire    [7:0]  day      ;   //日
39  wire    [7:0]  mon      ;   //月
40  wire    [7:0]  year     ;   //年
41  
42  //*****************************************************
43  //**                    main code
44  //*****************************************************
45  
46  //i2c驱动模块
47  i2c_dri #(
48      .SLAVE_ADDR  (SLAVE_ADDR),  //EEPROM从机地址
49      .CLK_FREQ    (CLK_FREQ  ),  //模块输入的时钟频率
50      .I2C_FREQ    (I2C_FREQ  )   //IIC_SCL的时钟频率
51  ) u_i2c_dri(
52      .clk         (sys_clk   ),  
53      .rst_n       (sys_rst_n ),  
54      //i2c interface
55      .i2c_exec    (i2c_exec  ), 
56      .bit_ctrl    (BIT_CTRL  ), 
57      .i2c_rh_wl   (i2c_rh_wl ), 
58      .i2c_addr    (i2c_addr  ), 
59      .i2c_data_w  (i2c_data_w), 
60      .i2c_data_r  (i2c_data_r), 
61      .i2c_done    (i2c_done  ), 
62      .i2c_ack     (i2c_ack   ), 
63      .scl         (iic_scl   ), 
64      .sda         (iic_sda   ), 
65      //user interface
66      .dri_clk     (dri_clk   )  
67  );
68  
69  //PCF8563控制模块
70  pcf8563_ctrl #(
71      .TIME_INIT (TIME_INIT)
72     )u_pcf8563_ctrl(
73      .clk         (dri_clk   ),
74      .rst_n       (sys_rst_n ),
75      //IIC
76      .i2c_rh_wl   (i2c_rh_wl ),
77      .i2c_exec    (i2c_exec  ),
78      .i2c_addr    (i2c_addr  ),
79      .i2c_data_w  (i2c_data_w),
80      .i2c_data_r  (i2c_data_r),
81      .i2c_done    (i2c_done  ),
82      //时间和日期
83      .sec         (sec       ),
84      .min         (min       ),
85      .hour        (hour      ),
86      .day         (day       ),
87      .mon         (mon       ),
88      .year        (year      )
89      );
90  
91  //LCD字符显示模块
92  lcd_disp_char u_lcd_disp_char(
93      .sys_clk     (sys_clk   ),
94      .sys_rst_n   (sys_rst_n ),
95      //时间和日期
96      .sec         (sec       ),
97      .min         (min       ),
98      .hour        (hour      ),
99      .day         (day       ),
100     .mon         (mon       ),
101     .year        (year      ),
102     //RGB LCD接口
103     .lcd_de      (lcd_de    ),
104     .lcd_hs      (lcd_hs    ),
105     .lcd_vs      (lcd_vs    ),
106     .lcd_bl      (lcd_bl    ),
107     .lcd_clk     (lcd_clk   ),
108     .lcd_rgb     (lcd_rgb   )
109     );
110 
111 endmodule

代码中第18至23行定义了一些参数，其中TIME_INIT表示RTC实时时钟的初始日期和时间，可以通过修改此参数值使PCF8563从不同的时间开始计时，例如从2019年1月1号09：30：00开始计时，需要将该参数值设置为48’h190101093000。 顶层模块中主要完成对其余模块的例化。其中I2C驱动模块（iic_dri）的代码与“EEPROM读写实验”章节中的IIC驱动模块完全相同，只是在例化时对字地址位控制（BIT_CTRL）和IIC器件地址（SLAVE_ADDR）两个参数作了修改，有关IIC驱动模块的详细介绍请大家参考“EEPROM读写实验”。 PCF8563实时时钟控制模块的代码如下所示：

1   module pcf8563_ctrl #(
2       // 初始时间设置，从高到低为年到秒，各占8bit
3       parameter  TIME_INIT = 48'h19_10_26_09_30_00)(
4       input                 clk       , //时钟信号
5       input                 rst_n     , //复位信号
6   
7       //i2c interface
8       output   reg          i2c_rh_wl , //I2C读写控制信号
9       output   reg          i2c_exec  , //I2C触发执行信号
10      output   reg  [15:0]  i2c_addr  , //I2C器件内地址
11      output   reg  [7:0]   i2c_data_w, //I2C要写的数据
12      input         [7:0]   i2c_data_r, //I2C读出的数据
13      input                 i2c_done  , //I2C一次操作完成
14  
15      //PCF8563T的秒、分、时、日、月、年数据
16      output   reg   [7:0]  sec,        //秒
17      output   reg   [7:0]  min,        //分
18      output   reg   [7:0]  hour,       //时
19      output   reg   [7:0]  day,        //日
20      output   reg   [7:0]  mon,        //月
21      output   reg   [7:0]  year        //年
22  );
23  
24  //reg define
25  reg   [3:0]     flow_cnt  ;            // 状态流控制
26  reg   [12:0]    wait_cnt  ;            // 计数等待
27  
28  //*****************************************************
29  //**                    main code
30  //*****************************************************
31  
32  //先向PCF8563中写入初始化日期和时间，再从中读出日期和时间
33  always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
34      if(!rst_n) begin
35          sec