用MC68HC05PD6設計低成本尋呼機

用MC68HC05PD6設計低成本尋呼機 Low Cost Pager's Solution with MC68HC05PD6
摘要：Motorola公司在單片機MC68HC05PD6內部集成了POCSAG協(xié)議尋呼解碼器和144段LCD驅動(dòng)器，特別適合于設計數字尋呼機。由于該芯片內集成了非常豐富的資源，因此，如果用來(lái)設計中文尋呼信息機，也能獲得很高的性能價(jià)格比。針對該芯片的基本特性，本文介紹了用MC68HC05PD6設計尋呼機的電路構成和一些實(shí)際經(jīng)驗。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)尋呼； Motorla單片機； POCSAG編碼； MC68HC05 PD6

隨著(zhù)公眾尋呼網(wǎng)的飛速發(fā)展，尋呼接收機的設計制造技術(shù)日臻完善，特別是集成電路技術(shù)的進(jìn)步，使尋呼機不斷朝著(zhù)多功能、高性能和低成本等方向發(fā)展。以基帶信號處理的控制部分為例，過(guò)去，尋呼機最少需要1片基帶信號解碼器、1片MCU(Micro－Controller Unit，單片機)和1片LCD(Liquid Crystal Display，液晶顯示器)驅動(dòng)芯片，即“3片機”方案；現在許多MCU能夠把LCD驅動(dòng)器集成進(jìn)去。如MC68HC05L16、KS88C2148等可構成“2片機”方案。而Motorola公司在MC68HC05PD6(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PD6)內部集成了POCSAG協(xié)議尋呼解碼器(P－Decoder)和144段LCD驅動(dòng)器，即把三者都集成在一片芯片中，從而提供了數字顯示型尋呼接收機的一種最簡(jiǎn)單的解決方案。

1. 基本特點(diǎn)

　　PD6內含工業(yè)標準M68HC05的8位CPU內核，是HCMOS單片機MC68HC05家族成員之一。其指令系統與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。程序運行時(shí)可選擇4MHz振蕩源以獲得1MHz高速內部操作時(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運行時(shí)供電電流為2.5mA，休眠時(shí)僅250μA。
　　片內帶有可供使用的16kByte用戶(hù)ROM，這使得設計的尋呼機功能更多，也不用擔心程序空間不夠，即使存儲多首音樂(lè )數據也不會(huì )捉襟見(jiàn)肘?？商峁㎡TP(One－Time Programmable，可一次編程)、EPROM、掩膜等多種ROM的版本。便于開(kāi)發(fā)和批量生產(chǎn)。
　　片內有512Byte可用RAM(其中64Byte用于堆棧)，在滿(mǎn)足用戶(hù)程序運行之余，還有足夠的空間存儲尋呼消息，可以存儲20條數字尋呼消息而不用外擴RAM。
　　該芯片內有8個(gè)8位I/O口PA～PH，包括48根雙向I/O線(xiàn)，16根單向輸出線(xiàn)。所有I/O的訪(fǎng)問(wèn)均采用片內RAM映射方式(映射到片內64Byte RAM)，I/O功能可靈活設置。芯片的引腳可作為內部特定資源的I/O，也可當作通用I/O線(xiàn)使用。例如：PD～PH等5個(gè)8位I/O口既可設置成LCD驅動(dòng)器輸出以滿(mǎn)足數字顯示型尋呼機的需要；也能設置成24根雙向I/O線(xiàn)加上16根單向輸出線(xiàn)使用，以便于設計漢字顯示型尋呼機。所有I/O線(xiàn)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內部有1個(gè)14位加法計數/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位外部事件計數/定時(shí)器，以及用“看門(mén)狗”定時(shí)器和14位加法計數/分頻器構成時(shí)基電路，它們由振蕩源128分頻后驅動(dòng)，可提供LCD時(shí)鐘、上電復位時(shí)鐘和“看門(mén)狗”時(shí)鐘?！翱撮T(mén)狗”定時(shí)器用于監視CPU運行是否正常，程序跑飛或鎖死時(shí)能自動(dòng)復位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(fǎng)問(wèn)等情況下也能可靠復位。
　　具有獨立的24小時(shí)制實(shí)時(shí)時(shí)鐘，由76.8kHz振蕩器分頻后計數。休眠狀態(tài)實(shí)時(shí)時(shí)鐘不停止，因而能方便地實(shí)現24/12小時(shí)制時(shí)間顯示。
　　芯片具有獨立的144段LCD驅動(dòng)器，支持(3或4線(xiàn)背板電極)×(1～36線(xiàn)前板電極)。除了能滿(mǎn)足12個(gè)8段數字顯示外，剩余48段還可驅動(dòng)多個(gè)小數字或形象化操作圖標，美化顯示界面。各LCD段映射在內部RAM區內，具有自動(dòng)掃描輸出，無(wú)需復雜時(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(lái)自76.8kHz低頻振蕩器，在休眠狀態(tài)也能正常顯示。復位時(shí)LCD驅動(dòng)器各引腳輸出高電平，令LCD無(wú)顯示，避免開(kāi)機時(shí)屏幕雜亂無(wú)章。
　　內含獨立的尋呼解碼器。完全兼容CCIR第1號尋呼協(xié)議(POCSAG協(xié)議)。該解碼器與CPU接口通過(guò)功能寄存器實(shí)現，從而使數據傳送更快捷。解碼器可接收只鳴型、數字型、字符型等格式消息數據。支持512bps、1200bps、2400bps等速率；可用軟件控制適配基帶信號極性并可提供多達6個(gè)用戶(hù)地址；有自動(dòng)節電控制和運行功能，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種規格，體積小巧。

2. 尋呼接收機的電路構成

2.1 數字顯示型尋呼機
　　圖1是典型的數字顯示型尋呼接收機的電路構成圖。
　　圖中PD6與寬帶處理電路的接口線(xiàn)包括DIN、BS1～BS3等4根。它們連通著(zhù)U2內部解碼器，控制時(shí)序由解碼器自動(dòng)產(chǎn)生，不需程序操作。DIN是前級基帶信號輸出，BS1～BS3分別對應射頻電路開(kāi)關(guān)、射頻電路電容放電、鎖相環(huán)電路開(kāi)關(guān)等控制。設計掃頻式尋呼接收機時(shí)，寬帶電路應有鎖相控制。也就是說(shuō)MCU應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此任。
　　尋呼機在電池電壓不足或電池臨時(shí)取出時(shí)應具有檢測與顯示功能。圖1中BL是寬帶處理電路輸出的電池電壓不足信號，當電池電壓不足時(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信號為高電平有效時(shí)(譬如TA31142寬帶接收器等)，則應將該信號反相。在用戶(hù)更換尋呼機電池時(shí)，MCU應關(guān)閉尋呼機所有功能模塊以減小電耗，從而使C3中儲存的電能可保持RAM中的尋呼信息在更換電池期間丟失。圖中D2、C5、R4等元件起檢測是否有電池的作用。U1及其外圍元件構成DC－DC變換電路，將1.5V電池電壓變換至3.0V以供給尋呼機主電源。若尋呼用戶(hù)取出電池時(shí)，C1中儲能很快消耗掉，使得D2的陽(yáng)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外部中斷而達到通知MCU的目的。當電池裝上時(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整到3V，經(jīng)C5平滑后將U2的45腳升至高電平，使IRQ1無(wú)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)/計數器(定時(shí)器2)的輸出端，它將系統時(shí)鐘分頻后在44腳輸出，改變定時(shí)器2的分頻系數，能使其輸出頻率適配蜂鳴器B1的諧振頻率。當然也可以將此引腳當作普通I/O線(xiàn)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(cháng)，若要使B1得到對稱(chēng)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)測量)，要使它驅動(dòng)三極管T1～T3工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，那么，T1～T3的β值、集電極最大容許電流ICM均應足夠大，并且飽和壓降較低。一般地，它們的β值應達到200～500，集電極最大容許電流ICM應在300mA左右。圖1中電路只能保證電池電壓為1.2V時(shí)T1～T3可靠驅動(dòng)80mA負載，若某些負載元件(譬如B1)的瞬態(tài)電流超過(guò)這一數值，建議再加一級電流放大。圖2給出改進(jìn)后的蜂鳴器驅動(dòng)電路。
　　D1、D2和D3均建議使用肖特基二極管，因為這種類(lèi)型的二極管的導通壓降較低，如果用IN4148之類(lèi)的PN結開(kāi)關(guān)二極管雖能正常工作，但會(huì )帶來(lái)更大的損耗，特別是D1。
　　U3用來(lái)記錄尋呼機用戶(hù)的標識碼(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(xiàn)及程序根據具體情況來(lái)考慮。其它的文獻介紹得較多，這里不再贅述。
　　PD6的LCD驅動(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，應據此來(lái)選擇合適的LCD。第10腳外接一個(gè)約100kΩ的電阻到地可以調整LCD的對比度。具體參數應通過(guò)實(shí)驗來(lái)確定。
2.2 中文信息尋呼機
　　中文機需要內置一尋址空間達256kByte的16×16點(diǎn)陣國標漢字顯示字庫(存儲在ROM中)。為保存更多的信息，通常還需擴充容量為8k～32kByte的RAM。通常8位MCU的尋址空間最多能達到64kByte，PD6也不例外。所以，對字庫的點(diǎn)陣數據的讀取要通過(guò)I/O線(xiàn)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，需要驅動(dòng)14×16×16=3584點(diǎn)象素，除專(zhuān)用于LCD驅動(dòng)的MCU外，大多數MCU都具備這樣的驅動(dòng)能力。因此，目前生產(chǎn)的中文機無(wú)一例外地采用專(zhuān)門(mén)的圖形LCD模塊。
　　PD6雖是針對數字尋呼機而設計的，然而用來(lái)設計中文尋呼機也能獲得良好的性能價(jià)格比。用于中文機時(shí)，PD6內部LCD驅動(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(xiàn)可全部空出來(lái)作為普通I/O使用。把LCD顯示模塊、字庫ROM、擴充RAM等的地址線(xiàn)和數據線(xiàn)分別連在一起，通過(guò)片選信號選擇不同的數據傳送對象，這樣可以大大減少I(mǎi)/O操作線(xiàn)的數目。這些操作最多只需20～24根I/O線(xiàn)，PD6的資源完全能滿(mǎn)足要求，并能空出最少20根線(xiàn)。另外，PD6內部集成了解碼器，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(xiàn)驅動(dòng)時(shí)，驅動(dòng)能力更強。這樣就用不著(zhù)類(lèi)似圖2中的電流放大電路了。
　　中文機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(xiàn)空閑，能輕松擴充多個(gè)按鍵輸入。
　　解碼器可支持6個(gè)用戶(hù)地址，每個(gè)地址信息有2位功能位區別。當解碼器接收到尋呼消息后，能給出所對應地址的功能位。于是，可以利用這些功能位提供多達4×6=24個(gè)消息箱。并且最少可提供20個(gè)公用消息信箱，大大增強了尋呼機的信息功能。解碼器與CPU接口非常簡(jiǎn)單，這是一個(gè)得天獨厚的條件，可以利用這些功能位擴充用戶(hù)地址，使POCSAG協(xié)議尋呼系統的用戶(hù)地址數達到800萬(wàn)，便于構成全國網(wǎng)。

3. 程序設計注意事項

　　由于PD6內部I/O映射RAM為雙映射方式，加上MCU內部功能較多，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(fǎng)問(wèn)比較繁瑣，故要謹慎細致。
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(mén)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(wú)顯示，這不符合數字尋呼機的習慣。如選擇低頻時(shí)鐘源，“看門(mén)狗”定時(shí)器在休眠期間仍然在計數，從而頻繁產(chǎn)生系統中斷復位MCU，這又是我們所不希望的。故而，要使用“看門(mén)狗”功能，則應在進(jìn)入休眠之前用程序控制關(guān)閉“看門(mén)狗”定時(shí)器。
3.2 解碼器響應
　　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(huà)說(shuō)，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不作及時(shí)響應的話(huà)，很容易丟失消息。特別是當MCU在休眠狀態(tài)時(shí)，高頻時(shí)鐘振蕩源已關(guān)閉，系統時(shí)鐘只能用19.2kHz的低頻時(shí)鐘，解碼器中斷喚醒休眠后，應首先取空接收信息寄存器RAIR、RMIRx的內容，再啟動(dòng)高頻振蕩器。由于高頻振蕩器有一個(gè)起振和穩定的過(guò)程，通常這一時(shí)間約在數毫秒至數十毫秒之間。在它穩定之前，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(如天氣預報)時(shí)，尋呼機頻繁告警常令用戶(hù)頭痛，中文機尤其如此。因此，設計可以考慮提供用戶(hù)操作接口，設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容，設計消息存儲數據結構時(shí)應注意到這一點(diǎn)。

4. 結束語(yǔ)

　　POCSAG協(xié)議碼字采用BCH編碼，這種編碼除能糾正2位隨機錯外，還能糾正4位突發(fā)錯。但是，Motorola發(fā)布的PD6手冊中還沒(méi)有提及解碼器對突發(fā)錯的糾正能力，也沒(méi)有提及倍頻采樣、數字濾波的措施。幸好我國POCSAG尋呼網(wǎng)大多數使用150MHz頻段，對突發(fā)錯不太敏感。我們當然不能要求PD6的解碼器的性能超過(guò)昂貴的專(zhuān)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公司作為當今世界上最大的單片機制造商和尋呼系統制造商之一，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(lèi)似芯片相比，具有靈敏度高、耗電省、性能穩定、編程簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論用于構成數字顯示型還是中文顯示型POCSAG尋呼機均能獲得良好的性能價(jià)格比，其應用前景非常廣闊。件和升壓電感L1、PFC功率開(kāi)關(guān)Q1、升壓二極管D1等組成平均電流型連續傳導模式(CCM)PFC預變換器。R1為電流檢測電阻，UCC38500的18腳用于檢測AC輸入電流，在19腳通過(guò)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VFF。有源PFC升壓變換器DC輸出電壓(385V)被U1的3腳檢測，通過(guò)調節12腳(GT1)輸出驅動(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(guò)檢測PFC變換器DC輸出電壓和第二級輸出驅動(dòng)器電壓來(lái)實(shí)現過(guò)電壓保護功能。U1腳14為PFC峰值電流輸入，用來(lái)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(kāi)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(guò)變壓器T2耦合后用來(lái)驅動(dòng)Q3、Q4開(kāi)關(guān)。PFC變換器跟隨的第二極DC－DC正向變換器通過(guò)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(guò)U2內部的誤差放大器后由腳3輸出驅動(dòng)信號，再經(jīng)U3隔離放大，饋送到U1的腳7。通過(guò)調節U1輸出的PWM占空比，可使SMPS的DC輸出電壓保持穩定。
　　Q4源極串聯(lián)電阻R25為電流檢測元件，U1在接收到R25上的檢測信號后，可實(shí)現第二級DC－DC變換器的峰值電流控制功能。