基于瑞薩微控制器的LED電子時鐘設計與實現

牛國鋒，朱苗苗

（常熟理工學院 計算機科學與工程學院，江蘇 常熟 215500）

近年來，瑞薩MCU因其節能、性能好而得到廣泛的關注和應用，本文主要以瑞薩MCU為核心，設計實現LED顯示的電子時鐘.

1 7段LED的結構原理

單片機中經常使用7段LED來顯示數字，也就是用7個LED構成字型“8”，并另外用一個圓點LED來顯示小數點，共有8個LED數碼管，構成了“8.”的字型，如圖1所示.

7段LED數碼顯示管根據LED的接法不同分為共陽極和共陰極兩種，將多只LED的陰極連在一起即為共陰式，而將多只LED的陽極連在一起即為共陽式[1].以共陰式為例，如把陰極接地，在相應段的陽極接上正電源，該段即會發光.由于LED的電流通常較小，一般均需在回路中接上限流電阻.假如我們將圖1中“b”和“c”段接上正電源，其他端接地或懸空，那么“b”和“c”段發光，此時，數碼顯示管將顯示數字“1”. 而將“a”、“b”、“d”、“e”和“g”段都接上正電源，其他引腳懸空，此時數碼管將顯示“2”.其他數字的顯示原理與此類同，點亮相應的數碼管來顯示出0-9的數字.

在本次的設計中采用的是共陰極的LED顯示，當I/O口輸出為高電平的時候，對應段就被點亮，顯示相應的時間.

圖1 “8.”字型示意圖

2 瑞薩78K0R微控制器及擴展板功能

2.1 瑞薩78K0R系列微控制器

目前，隨著人們環保意識的日益增強，消費者越來越關注微控制器系統的節能性.為了擴大在節能家電和電池供電系統等市場領域的應用，瑞薩電子在新的產品中加入了節能理念，推出業界高標準16位低功耗閃存微控制器產品78K0R系列.

78K0R系列[2]是瑞薩公司推出的一款16位單片機微控制器，此款產品具備領先業界的低耗電量及高效能等特點.瑞薩78K0R系列結合瑞薩在8/16位MCU市場中現有主要產品78K0系列的優異技術，并且整合多種周邊功能，使其性能更加強大.

瑞薩78K0R微控制器的主要特性[3]：

（1）支持尺寸更小、功耗更低的系統.本MCU集成了面向電容觸摸傳感器的片上傳感器控制單元，意味著可以利用單塊芯片處理系統控制和觸摸控制，不再需要外部觸摸傳感器IC芯片，從而縮小了系統尺寸.并且可直接與用于實現觸摸感應的傳感器電極相連，這樣就為各個電極消除了對電阻器和電容器的要求，使減少元件總數、降低系統成本、提高可靠性、縮短開發時間得以實現.

（2）降低了系統總功耗.通過添加傳感器控制單元，極大地縮短了觸摸檢測所需的CPU處理時間，從而使系統功耗降低.此外，傳感器控制單元能夠實現低頻（4 MHz或5 MHz）操作，從而進一步降低了功耗.該系列產品可廣泛應用于電池供電系統及節能家電領域.

2.2 鍵盤擴展板

鍵盤擴展板是一個有16個按鍵的Key鍵盤，按鍵呈4行×4列矩陣型分布，按照設計要求輔助完成時間的輸入、開始和停止等功能，根據其電路圖和需求設置鍵盤的輸入為數字、字母和加減乘除符號等.板上有一個10個針腳的擴展接口，該接口通過數據線與MCU板上擴展接口相連接，根據電路控制原理，實現按鍵的不同控制功能.

2.3 LED顯示擴展板

LED顯示擴展板有兩組接口，一組是4bit模式接口一個，另一組是8bit模式接口兩個，接口都是標準的10針腳.板上有一排并列的8個“8.”字形輸出的LED顯示板，顯示板上面有一排8個對應的LED指示燈.該擴展板接口接入MCU控制器，根據其電路控制原理，LED顯示板根據需求可以顯示以下內容：（1）輸出1至8位數字；（2）輸出字母；（3）年月日顯示；（4）24小時電子表時間顯示；（5）秒表計時等.

3 編輯軟件簡介

CubeSuite是瑞薩公司推出的一款集成型開發環境，它為采用8位到32位架構的微控制器提供了統一的支持.在開發適用于MCU的軟件（程序）時，此集成型開發環境將所有的工具（編譯器、與仿真器一起使用的調試器等）鏈接起來，使其可以在同一個主機上完成所有的設計、編碼、評估和驗證任務.開發者根據其開發軟件所針對的MCU的類型，選擇采用CubeSuite集成型開發環境中不同的型號.

CubeSuite[4]的主要特性：該軟件采用界面化編輯，清爽美觀，簡單易用，即使對于初用者，也可以在短時間內掌握其性能和使用方法.它利用項目樹來滿足MCU開發流程的要求，這種復雜的功能讓開發者通過點擊節點即可轉至預期任務.CubeSuite在包裝內整合了瑞薩MCU軟件開發所需的基本軟件，安裝完成之后可以立即投入使用.它還提供了一個內容豐富的用戶指南，使得即使是最新使用的開發者也可以在安裝之后立即應用.CubeSuite降低了學習所提供工具需要的時間，因為它們在功能上與所有支持的MCU系列相同.產品還具有代碼生成器的功能，支持通過一個GUI進行器件驅動器設置，使其易于創建程序，當第一次采用一個新的MCU系列時，外設功能的設置程序也不會出現混淆.

傳統開發環境要求用戶先編輯所有源文件，然后構建整個程序，從而延長了構建時間.CubeSuite具有“快速構建”功能，每次修改或保存源文件后，都能夠自動在后臺運行構建功能，從而極大地縮短了總構建時間.基本的編輯、構建和調試功能將更加強大，從而可以提供更多的簡易性、便利性，進而實現更加方便的軟件開發.

4 設計與編程實現

4.1 硬件設計及實現

本電子時鐘設計主要以瑞薩電子16位MCU――78K0R/KE3-L為核心，鍵盤擴展板和LED顯示擴展板同時通過接口與MCU對應的擴展接口相連接.MCU通過仿真器與計算機連接，仿真器的一端連接MCU，另一端USB接口連接到計算機上，通過仿真器將計算機上的程序寫入到MCU上，同時還給MCU不間斷供電.連接好以后，通過鍵盤擴展板上的Key按鍵輸入數字，在LED顯示擴展板上8個7段LED顯示板顯示24小時制時間，顯示格式為“XX（時）-XX（分）-XX（秒）”，并設置Key按鍵控制時間的停止和開始以及校正調整時間.

4.2 軟件實現及C語言程序

在CubeSuite集成型開發環境中，選擇MCU型號為78K0R/KE3-L，建立新的工程Project，工程建好后按照設計要求進行配置和編程.

首先要在設計工具端口設置中進行端口配置，利用引腳列表配置復用引腳處理，同時在引腳配置圖內確定引腳布局.按照MCU擴展接口對應的端口號和端口電路設計圖進行端口引腳的出入力設置，鍵盤擴展板接入的接口引腳都設置為入力，進行時間和信號的輸入，LED顯示擴展板的接口引腳都設置成出力，為時間信號的輸出，設置完成后進行端子生成，就會在端子配置圖中顯示MCU各個引腳的端子設置情況，如圖2所示.在定時器設置中開通通道0，并在通道0中設置時鐘頻率為1000 ms，通過內部定時器產生時鐘進行準確計時，作為時間秒表計時的單位.在代碼生成器中按設計要求編寫GG_main.c主程序和GG_timer.user.c時間設置程序.完成后系統生成編譯該工程，并通過瑞薩Debug工具——片上調試器寫入到MCU板上內存中保存，接通電源即可運行.

圖2 端子配置圖

GG_main.c主要實現程序如下：

GG_timer.user.c主要實現程序如下：

5 結束語

以瑞薩電子16位MCU――78K0R/KE3-L為核心，在專用集成型開發環境CubeSuite下，采用C語言編程，設計實現由時、分、秒組成的24小時方式計時、LED數碼顯示器顯示的電子時鐘，實現了24小時計時，校正調整時間、秒表計時等功能.瑞薩嵌入式MCU的低成本、低功耗等節能理念正在被人們所接受，其產品將慢慢地滲透到人們生活生產的各個領域，有較廣的應用前景.

[1]（加）Myke Predko.PCI微控制器基礎與實踐[M].胡光華，譯.北京：科學出版社，2007.

[2]矢野敏之，高橋美穗，李建波，等.瑞薩M 16C/62P單片機原理和應用[M].北京：清華大學出版社，2006.

[3]瑞薩科技公司.瑞薩16位R8 C/TINY系列M CU[J].世界電子元器件，2005（04）：91-94.

[4]瑞薩科技公司.適用于微控制器的Cube Suite+集成型開發環境[J].電子制作，2011（7）.