用MC68HC05PD6設(shè)計(jì)低成本尋呼機(jī)

用MC68HC05PD6設(shè)計(jì)低成本尋呼機(jī) Low Cost Pager's Solution with MC68HC05PD6
摘要：Motorola公司在單片機(jī)MC68HC05PD6內(nèi)部集成了POCSAG協(xié)議尋呼解碼器和144段LCD驅(qū)動(dòng)器，特別適合于設(shè)計(jì)數(shù)字尋呼機(jī)。由于該芯片內(nèi)集成了非常豐富的資源，因此，如果用來設(shè)計(jì)中文尋呼信息機(jī)，也能獲得很高的性能價(jià)格比。針對(duì)該芯片的基本特性，本文介紹了用MC68HC05PD6設(shè)計(jì)尋呼機(jī)的電路構(gòu)成和一些實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：無線尋呼； Motorla單片機(jī)； POCSAG編碼； MC68HC05 PD6?
?
??? 隨著公眾尋呼網(wǎng)的飛速發(fā)展，尋呼接收機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)日臻完善，特別是集成電路技術(shù)的進(jìn)步，使尋呼機(jī)不斷朝著多功能、高性能和低成本等方向發(fā)展。以基帶信號(hào)處理的控制部分為例，過去，尋呼機(jī)最少需要1片基帶信號(hào)解碼器、1片MCU(Micro－Controller Unit，單片機(jī))和1片LCD(Liquid Crystal Display，液晶顯示器)驅(qū)動(dòng)芯片，即“3片機(jī)”方案；現(xiàn)在許多MCU能夠把LCD驅(qū)動(dòng)器集成進(jìn)去。如MC68HC05L16、KS88C2148等可構(gòu)成“2片機(jī)”方案。而Motorola公司在MC68HC05PD6(以下簡稱PD6)內(nèi)部集成了POCSAG協(xié)議尋呼解碼器(P－Decoder)和144段LCD驅(qū)動(dòng)器，即把三者都集成在一片芯片中，從而提供了數(shù)字顯示型尋呼接收機(jī)的一種最簡單的解決方案。

1. 基本特點(diǎn)

　　PD6內(nèi)含工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)M68HC05的8位CPU內(nèi)核，是HCMOS單片機(jī)MC68HC05家族成員之一。其指令系統(tǒng)與M68HC05兼容。
　　PD6采取多種手段以降低芯片功耗，它可在低至3V電壓下工作，具有運(yùn)行、等待、休眠等3種工作模式。雙振蕩器支持4MHz/76.8kHz頻率。程序運(yùn)行時(shí)可選擇4MHz振蕩源以獲得1MHz高速內(nèi)部操作時(shí)鐘，而在休眠狀態(tài)時(shí)，關(guān)閉4MHz振蕩器，停止MCU內(nèi)部進(jìn)程(包括定時(shí)器)以降低電耗。76.8kHz振蕩器永不停止，它給解碼器提供工作時(shí)鐘，使解碼器在MCU休眠時(shí)仍能工作。PD6運(yùn)行時(shí)供電電流為2.5mA，休眠時(shí)僅250μA。
　　片內(nèi)帶有可供使用的16kByte用戶ROM，這使得設(shè)計(jì)的尋呼機(jī)功能更多，也不用擔(dān)心程序空間不夠，即使存儲(chǔ)多首音樂數(shù)據(jù)也不會(huì)捉襟見肘。可提供OTP(One－Time Programmable，可一次編程)、EPROM、掩膜等多種ROM的版本。便于開發(fā)和批量生產(chǎn)。
　　片內(nèi)有512Byte可用RAM(其中64Byte用于堆棧)，在滿足用戶程序運(yùn)行之余，還有足夠的空間存儲(chǔ)尋呼消息，可以存儲(chǔ)20條數(shù)字尋呼消息而不用外擴(kuò)RAM。
　　該芯片內(nèi)有8個(gè)8位I/O口PA～PH，包括48根雙向I/O線，16根單向輸出線。所有I/O的訪問均采用片內(nèi)RAM映射方式(映射到片內(nèi)64Byte RAM)，I/O功能可靈活設(shè)置。芯片的引腳可作為內(nèi)部特定資源的I/O，也可當(dāng)作通用I/O線使用。例如：PD～PH等5個(gè)8位I/O口既可設(shè)置成LCD驅(qū)動(dòng)器輸出以滿足數(shù)字顯示型尋呼機(jī)的需要；也能設(shè)置成24根雙向I/O線加上16根單向輸出線使用，以便于設(shè)計(jì)漢字顯示型尋呼機(jī)。所有I/O線的最大高電平輸出能力均為0.4mA，PA～PC最大低電平輸出能力為0.8mA，PD～PH為5.0mA。
　　PD6內(nèi)部有1個(gè)14位加法計(jì)數(shù)/分頻器、1個(gè)具有輸入捕捉和輸出比較功能的16位定時(shí)器、1個(gè)8位外部事件計(jì)數(shù)/定時(shí)器，以及用“看門狗”定時(shí)器和14位加法計(jì)數(shù)/分頻器構(gòu)成時(shí)基電路，它們由振蕩源128分頻后驅(qū)動(dòng)，可提供LCD時(shí)鐘、上電復(fù)位時(shí)鐘和“看門狗”時(shí)鐘。“看門狗”定時(shí)器用于監(jiān)視CPU運(yùn)行是否正常，程序跑飛或鎖死時(shí)能自動(dòng)復(fù)位MCU。外，MCU在RESET引腳輸入低電平時(shí)，在初始化上電、發(fā)生非法地址訪問等情況下也能可靠復(fù)位。
　　具有獨(dú)立的24小時(shí)制實(shí)時(shí)時(shí)鐘，由76.8kHz振蕩器分頻后計(jì)數(shù)。休眠狀態(tài)實(shí)時(shí)時(shí)鐘不停止，因而能方便地實(shí)現(xiàn)24/12小時(shí)制時(shí)間顯示。
　　芯片具有獨(dú)立的144段LCD驅(qū)動(dòng)器，支持(3或4線背板電極)×(1～36線前板電極)。除了能滿足12個(gè)8段數(shù)字顯示外，剩余48段還可驅(qū)動(dòng)多個(gè)小數(shù)字或形象化操作圖標(biāo)，美化顯示界面。各LCD段映射在內(nèi)部RAM區(qū)內(nèi)，具有自動(dòng)掃描輸出，無需復(fù)雜時(shí)序操作。LCD時(shí)鐘由時(shí)基電路產(chǎn)生，如果時(shí)基電路的時(shí)鐘來自76.8kHz低頻振蕩器，在休眠狀態(tài)也能正常顯示。復(fù)位時(shí)LCD驅(qū)動(dòng)器各引腳輸出高電平，令LCD無顯示，避免開機(jī)時(shí)屏幕雜亂無章。
　　內(nèi)含獨(dú)立的尋呼解碼器。完全兼容CCIR第1號(hào)尋呼協(xié)議(POCSAG協(xié)議)。該解碼器與CPU接口通過功能寄存器實(shí)現(xiàn)，從而使數(shù)據(jù)傳送更快捷。解碼器可接收只鳴型、數(shù)字型、字符型等格式消息數(shù)據(jù)。支持512bps、1200bps、2400bps等速率；可用軟件控制適配基帶信號(hào)極性并可提供多達(dá)6個(gè)用戶地址；有自動(dòng)節(jié)電控制和運(yùn)行功能，支持寬帶鎖相環(huán)控制；能糾正地址碼字或消息碼字的2位錯(cuò)誤。
　　中斷源包括不可屏蔽軟件中斷、解碼器中斷、外部中斷、按鍵喚醒中斷、定時(shí)器中斷、串行通信口中斷和實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷等。復(fù)位、解碼器中斷、外部中斷、按鍵喚醒中斷和實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷都能輕松喚醒休眠模式。
　　采用80引腳四方形扁平(QFP)封裝，其引腳距離為0.65mm或0.50mm 2種規(guī)格，體積小巧。

2. 尋呼接收機(jī)的電路構(gòu)成

2.1 數(shù)字顯示型尋呼機(jī)
　　圖1是典型的數(shù)字顯示型尋呼接收機(jī)的電路構(gòu)成圖。
　　圖中PD6與寬帶處理電路的接口線包括DIN、BS1～BS3等4根。它們連通著U2內(nèi)部解碼器，控制時(shí)序由解碼器自動(dòng)產(chǎn)生，不需程序操作。DIN是前級(jí)基帶信號(hào)輸出，BS1～BS3分別對(duì)應(yīng)射頻電路開關(guān)、射頻電路電容放電、鎖相環(huán)電路開關(guān)等控制。設(shè)計(jì)掃頻式尋呼接收機(jī)時(shí)，寬帶電路應(yīng)有鎖相控制。也就是說MCU應(yīng)有與寬帶電路的鎖相接口，圖1電路中PA口的PA4～PA7是空閑的，可以連至射頻電路充當(dāng)此任。
　　尋呼機(jī)在電池電壓不足或電池臨時(shí)取出時(shí)應(yīng)具有檢測(cè)與顯示功能。圖1中BL是寬帶處理電路輸出的電池電壓不足信號(hào)，當(dāng)電池電壓不足時(shí)，BL輸出一低電平，使得連接于U2的45腳IRQ2產(chǎn)生外部中斷，及時(shí)通知MCU。若前端輸出的BL信號(hào)為高電平有效時(shí)(譬如TA31142寬帶接收器等)，則應(yīng)將該信號(hào)反相。在用戶更換尋呼機(jī)電池時(shí)，MCU應(yīng)關(guān)閉尋呼機(jī)所有功能模塊以減小電耗，從而使C3中儲(chǔ)存的電能可保持RAM中的尋呼信息在更換電池期間丟失。圖中D2、C5、R4等元件起檢測(cè)是否有電池的作用。U1及其外圍元件構(gòu)成DC－DC變換電路，將1.5V電池電壓變換至3.0V以供給尋呼機(jī)主電源。若尋呼用戶取出電池時(shí)，C1中儲(chǔ)能很快消耗掉，使得D2的陽極電壓為零，這樣，U2的46腳被R4拉至低電平，令I(lǐng)RQ1引腳產(chǎn)生MCU外部中斷而達(dá)到通知MCU的目的。當(dāng)電池裝上時(shí)，U1正常工作，并在2腳產(chǎn)生約3.5V脈沖電壓，D2為一肖特基二極管，它的工作原理和D1一樣，任務(wù)是將此高電壓脈沖調(diào)整到3V，經(jīng)C5平滑后將U2的45腳升至高電平，使IRQ1無效。電池取出期間，IRQ1引腳總是低電平，因此IRQ1產(chǎn)生中斷后，程序應(yīng)關(guān)閉這一中斷源，以免它重新喚醒MCU的休眠。
　　EVO是PD6的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器(定時(shí)器2)的輸出端，它將系統(tǒng)時(shí)鐘分頻后在44腳輸出，改變定時(shí)器2的分頻系數(shù)，能使其輸出頻率適配蜂鳴器B1的諧振頻率。當(dāng)然也可以將此引腳當(dāng)作普通I/O線使用，程序控制輸出高、低電平。在T1截止瞬間，B1中電流不能突變，它將在T1集電極產(chǎn)生一很高的負(fù)電壓尖峰，圖中并聯(lián)在B1兩端的二極管D3是一肖特基二極管，起阻尼作用，能將這一負(fù)電壓尖峰箝位在0.3～0.5V左右。但D3的接入將使B1通電時(shí)間延長，若要使B1得到對(duì)稱波形的電流，T1基極的脈沖占空比最好降至30％。
　　PD6的輸出低電平電流最大為0.8mA(輸出0.4V時(shí)測(cè)量)，要使它驅(qū)動(dòng)三極管T1～T3工作于開關(guān)狀態(tài)，那么，T1～T3的β值、集電極最大容許電流ICM均應(yīng)足夠大，并且飽和壓降較低。一般地，它們的β值應(yīng)達(dá)到200～500，集電極最大容許電流ICM應(yīng)在300mA左右。圖1中電路只能保證電池電壓為1.2V時(shí)T1～T3可靠驅(qū)動(dòng)80mA負(fù)載，若某些負(fù)載元件(譬如B1)的瞬態(tài)電流超過這一數(shù)值，建議再加一級(jí)電流放大。圖2給出改進(jìn)后的蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路。
　　D1、D2和D3均建議使用肖特基二極管，因?yàn)檫@種類型的二極管的導(dǎo)通壓降較低，如果用IN4148之類的PN結(jié)開關(guān)二極管雖能正常工作，但會(huì)帶來更大的損耗，特別是D1。
　　U3用來記錄尋呼機(jī)用戶的標(biāo)識(shí)碼(包括6個(gè)地址)。除了圖中93LC46外，還可以選擇諸如24LC01等通用的EEPROM。它們的連線及程序根據(jù)具體情況來考慮。其它的文獻(xiàn)介紹得較多，這里不再贅述。
　　PD6的LCD驅(qū)動(dòng)器輸出的背極與前極之間交變電壓峰峰值為2VDD，在3V電壓供電時(shí)，能產(chǎn)生6V的交變輸出，應(yīng)據(jù)此來選擇合適的LCD。第10腳外接一個(gè)約100kΩ的電阻到地可以調(diào)整LCD的對(duì)比度。具體參數(shù)應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)來確定。
2.2 中文信息尋呼機(jī)
　　中文機(jī)需要內(nèi)置一尋址空間達(dá)256kByte的16×16點(diǎn)陣國標(biāo)漢字顯示字庫(存儲(chǔ)在ROM中)。為保存更多的信息，通常還需擴(kuò)充容量為8k～32kByte的RAM。通常8位MCU的尋址空間最多能達(dá)到64kByte，PD6也不例外。所以，對(duì)字庫的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的讀取要通過I/O線完成尋址操作。另外，漢字是以圖形方式顯示的，以顯示2行共14個(gè)漢字為例，需要驅(qū)動(dòng)14×16×16=3584點(diǎn)象素，除專用于LCD驅(qū)動(dòng)的MCU外，大多數(shù)MCU都具備這樣的驅(qū)動(dòng)能力。因此，目前生產(chǎn)的中文機(jī)無一例外地采用專門的圖形LCD模塊。
　　PD6雖是針對(duì)數(shù)字尋呼機(jī)而設(shè)計(jì)的，然而用來設(shè)計(jì)中文尋呼機(jī)也能獲得良好的性能價(jià)格比。用于中文機(jī)時(shí)，PD6內(nèi)部LCD驅(qū)動(dòng)器發(fā)揮不了作用。這樣PD6的PD～PH等5個(gè)8位I/O口共40根I/O線可全部空出來作為普通I/O使用。把LCD顯示模塊、字庫ROM、擴(kuò)充RAM等的地址線和數(shù)據(jù)線分別連在一起，通過片選信號(hào)選擇不同的數(shù)據(jù)傳送對(duì)象，這樣可以大大減少I/O操作線的數(shù)目。這些操作最多只需20～24根I/O線，PD6的資源完全能滿足要求，并能空出最少20根線。另外，PD6內(nèi)部集成了解碼器，價(jià)格與其它的不含該單元的MCU差不多，故而性能價(jià)格比很高。另外，PD～PH口驅(qū)動(dòng)能力為5.0mA，比其它的I/O口(0.8mA)大得多，T1～T3改用這些I/O線驅(qū)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)。這樣就用不著類似圖2中的電流放大電路了。
　　中文機(jī)往往需要更多的操作按鍵，圖1中用了3個(gè)鍵，KWI口還有5根輸入線空閑，能輕松擴(kuò)充多個(gè)按鍵輸入。
　　解碼器可支持6個(gè)用戶地址，每個(gè)地址信息有2位功能位區(qū)別。當(dāng)解碼器接收到尋呼消息后，能給出所對(duì)應(yīng)地址的功能位。于是，可以利用這些功能位提供多達(dá)4×6=24個(gè)消息箱。并且最少可提供20個(gè)公用消息信箱，大大增強(qiáng)了尋呼機(jī)的信息功能。解碼器與CPU接口非常簡單，這是一個(gè)得天獨(dú)厚的條件，可以利用這些功能位擴(kuò)充用戶地址，使POCSAG協(xié)議尋呼系統(tǒng)的用戶地址數(shù)達(dá)到800萬，便于構(gòu)成全國網(wǎng)。

3. 程序設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　　由于PD6內(nèi)部I/O映射RAM為雙映射方式，加上MCU內(nèi)部功能較多，而且控制寄存器相互之間存在關(guān)聯(lián)，因此，這些映射RAM的訪問比較繁瑣，故要謹(jǐn)慎細(xì)致。
3.1 時(shí)基電路的時(shí)鐘源
　　時(shí)基電路的輸出提供給LCD和“看門狗”等電路使用，它的時(shí)鐘源可選取高頻時(shí)鐘，也可選取低頻時(shí)鐘。但應(yīng)注意，高頻振蕩器在MCU休眠狀態(tài)時(shí)被關(guān)閉，選擇這一時(shí)鐘源將使LCD在休眠期間無顯示，這不符合數(shù)字尋呼機(jī)的習(xí)慣。如選擇低頻時(shí)鐘源，“看門狗”定時(shí)器在休眠期間仍然在計(jì)數(shù)，從而頻繁產(chǎn)生系統(tǒng)中斷復(fù)位MCU，這又是我們所不希望的。故而，要使用“看門狗”功能，則應(yīng)在進(jìn)入休眠之前用程序控制關(guān)閉“看門狗”定時(shí)器。
3.2 解碼器響應(yīng)
　　解碼器接收到信息后，只有5位地址寄存器和20位消息寄存器作緩沖。換句話說，它只能保存一個(gè)碼字的信息。如果接收到解碼器的中斷信號(hào)不作及時(shí)響應(yīng)的話，很容易丟失消息。特別是當(dāng)MCU在休眠狀態(tài)時(shí)，高頻時(shí)鐘振蕩源已關(guān)閉，系統(tǒng)時(shí)鐘只能用19.2kHz的低頻時(shí)鐘，解碼器中斷喚醒休眠后，應(yīng)首先取空接收信息寄存器RAIR、RMIRx的內(nèi)容，再啟動(dòng)高頻振蕩器。由于高頻振蕩器有一個(gè)起振和穩(wěn)定的過程，通常這一時(shí)間約在數(shù)毫秒至數(shù)十毫秒之間。在它穩(wěn)定之前，切不可將主時(shí)鐘切換到這一時(shí)鐘源上，否則可能失步而丟掉尋呼信息。
3.3 群呼消息的靜音
　　通常每個(gè)尋呼接收只有1個(gè)私人消息地址，解碼器的其它地址常作群呼公眾信息地址。如果接收群呼消息(如天氣預(yù)報(bào))時(shí)，尋呼機(jī)頻繁告警常令用戶頭痛，中文機(jī)尤其如此。因此，設(shè)計(jì)可以考慮提供用戶操作接口，設(shè)置是否需要群呼消息告警。解碼器能返回所接收消息的匹配地址和消息內(nèi)容，設(shè)計(jì)消息存儲(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)注意到這一點(diǎn)。

4. 結(jié)束語

　　POCSAG協(xié)議碼字采用BCH編碼，這種編碼除能糾正2位隨機(jī)錯(cuò)外，還能糾正4位突發(fā)錯(cuò)。但是，Motorola發(fā)布的PD6手冊(cè)中還沒有提及解碼器對(duì)突發(fā)錯(cuò)的糾正能力，也沒有提及倍頻采樣、數(shù)字濾波的措施。幸好我國POCSAG尋呼網(wǎng)大多數(shù)使用150MHz頻段，對(duì)突發(fā)錯(cuò)不太敏感。我們當(dāng)然不能要求PD6的解碼器的性能超過昂貴的專用尋呼解碼器。如果寬帶電路的靈敏度提高2～3dB,再配合PD6作基帶處理，性能會(huì)更好些。
　　Motorola公司作為當(dāng)今世界上最大的單片機(jī)制造商和尋呼系統(tǒng)制造商之一，在這兩方面都有先進(jìn)的技術(shù)。因而PD6與其它公司同期推出的類似芯片相比，具有靈敏度高、耗電省、性能穩(wěn)定、編程簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，無論用于構(gòu)成數(shù)字顯示型還是中文顯示型POCSAG尋呼機(jī)均能獲得良好的性能價(jià)格比，其應(yīng)用前景非常廣闊。件和升壓電感L1、PFC功率開關(guān)Q1、升壓二極管D1等組成平均電流型連續(xù)傳導(dǎo)模式(CCM)PFC預(yù)變換器。R1為電流檢測(cè)電阻，UCC38500的18腳用于檢測(cè)AC輸入電流，在19腳通過IAC流入外部的單極點(diǎn)濾波器產(chǎn)生一個(gè)AC輸入電壓前饋信號(hào)VFF。有源PFC升壓變換器DC輸出電壓(385V)被U1的3腳檢測(cè)，通過調(diào)節(jié)12腳(GT1)輸出驅(qū)動(dòng)PWM占空比，可保證PFC變換器DC輸出電壓的恒定。U1腳4通過檢測(cè)PFC變換器DC輸出電壓和第二級(jí)輸出驅(qū)動(dòng)器電壓來實(shí)現(xiàn)過電壓保護(hù)功能。U1腳14為PFC峰值電流輸入，用來完成PFC峰值電流的限制功能。
　　R3與C10為U1的VCC啟動(dòng)元件。只要PFC變換器開始工作，由L1的副繞組、D6與D7、C12與C20及R10等組成的泵電源即可為VCC腳提供工作電壓和電流。
　　U1的腳10(GT2)輸出的占空比被限制在50％以下，該腳輸出PWM脈沖通過變壓器T2耦合后用來驅(qū)動(dòng)Q3、Q4開關(guān)。PFC變換器跟隨的第二極DC－DC正向變換器通過T1進(jìn)行隔離。次邊DC輸出電壓經(jīng)R28、R29和R30分壓采樣后輸入到U2的腳7。經(jīng)過U2內(nèi)部的誤差放大器后由腳3輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，再經(jīng)U3隔離放大，饋送到U1的腳7。通過調(diào)節(jié)U1輸出的PWM占空比，可使SMPS的DC輸出電壓保持穩(wěn)定。
　　Q4源極串聯(lián)電阻R25為電流檢測(cè)元件，U1在接收到R25上的檢測(cè)信號(hào)后，可實(shí)現(xiàn)第二級(jí)DC－DC變換器的峰值電流控制功能。