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協議尋呼解碼器和144段LCD驅動器，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，如果用來設計中文尋呼信息機，也能獲得很高的性能價格比。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際經驗。
關鍵詞：無線尋呼； Motorla單片機； POCSAG編碼； MC68HC05 PD6?
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??? 隨著公眾尋呼網的飛速發展，尋呼接收機的設計制造技術日臻完善，特別是集成電路技術的進步，使尋呼機不斷朝著多功能、高性能和低成本等方向發展。以基帶信號處理的控制部分為例，過去，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)驅動芯片，即“3片機”方案；現在許多MCU能夠把LCD驅動器集成進去。如MC68HC05L16、KS88C2148等可構成“2片機”方案。而Motorola公司在MC68HC05PD6(以下簡稱PD6)內部集成了POCSAG協議尋呼解碼器(P－Decoder)和144段LCD驅動器，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單的解決方案。

1. 基本特點

　　PD6內含工業標準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。程序運行時可選擇4MHz振蕩源以獲得1MHz高速內部操作時鐘，而在休眠狀態時，關閉4MHz振蕩器，停止MCU內部進程(包括定時器)以降低電耗。76.8kHz振蕩器永不停止，它給解碼器提供工作時鐘，使解碼器在MCU休眠時仍能工作。PD6運行時供電電流為2.5mA，休眠時僅250μA。
　　片內帶有可供使用的16kByte用戶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，即使存儲多首音樂數據也不會捉襟見肘。可提供OTP(One－Time Programmable，可一次編程)、EPROM、掩膜等多種ROM的版本。便于開發和批量生產。
　　片內有512Byte可用RAM(其中64Byte用于堆棧)，在滿足用戶程序運行之余，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線使用。例如：PD～PH等5個8位I/O口既可設置成LCD驅動器輸出以滿足數字顯示型尋呼機的需要；也能設置成24根雙向I/O線加上16根單向輸出線使用，以便于設計漢字顯示型尋呼機。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內部有1個14位加法計數/分頻器、1個具有輸入捕捉和輸出比較功能的16位定時器、1個8位外部事件計數/定時器，以及用“看門狗”定時器和14位加法計數/分頻器構成時基電路，它們由振蕩源128分頻后驅動，可提供LCD時鐘、上電復位時鐘和“看門狗”時鐘。“看門狗”定時器用于監視CPU運行是否正常，程序跑飛或鎖死時能自動復位MCU。外，MCU在RESET引腳輸入低電平時，在初始化上電、發生非法地址訪問等情況下也能可靠復位。
　　具有獨立的24小時制實時時鐘，由76.8kHz振蕩器分頻后計數。休眠狀態實時時鐘不停止，因而能方便地實現24/12小時制時間顯示。
　　芯片具有獨立的144段LCD驅動器，支持(3或4線背板電極)×(1～36線前板電極)。除了能滿足12個8段數字顯示外，剩余48段還可驅動多個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，具有自動掃描輸出，無需復雜時序操作。LCD時鐘由時基電路產生，如果時基電路的時鐘來自76.8kHz低頻振蕩器，在休眠狀態也能正常顯示。復位時LCD驅動器各引腳輸出高電平，令LCD無顯示，避免開機時屏幕雜亂無章。
　　內含獨立的尋呼解碼器。完全兼容CCIR第1號尋呼協議(POCSAG協議)。該解碼器與CPU接口通過功能寄存器實現，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個用戶地址；有自動節電控制和運行功能，支持寬帶鎖相環控制；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、定時器中斷、串行通信口中斷和實時時鐘中斷等。復位、解碼器中斷、外部中斷、按鍵喚醒中斷和實時時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包括DIN、BS1～BS3等4根。它們連通著U2內部解碼器，控制時序由解碼器自動產生，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關、射頻電路電容放電、鎖相環電路開關等控制。設計掃頻式尋呼接收機時，寬帶電路應有鎖相控制。也就是說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取出時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，BL輸出一低電平，使得連接于U2的45腳IRQ2產生外部中斷，及時通知MCU。若前端輸出的BL信號為高電平有效時(譬如TA31142寬帶接收器等)，則應將該信號反相。在用戶更換尋呼機電池時，MCU應關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。若尋呼用戶取出電池時，C1中儲能很快消耗掉，使得D2的陽極電壓為零，這樣，U2的46腳被R4拉至低電平，令IRQ1引腳產生MCU外部中斷而達到通知MCU的目的。當電池裝上時，U1正常工作，并在2腳產生約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，任務是將此高電壓脈沖調整到3V，經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產生中斷后，程序應關閉這一中斷源，以免它重新喚醒MCU的休眠。
　　EVO是PD6的8位定時/計數器(定時器2)的輸出端，它將系統時鐘分頻后在44腳輸出，改變定時器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集電極產生一很高的負電壓尖峰，圖中并聯在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通電時間延長，若要使B1得到對稱波形的電流，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時測量)，要使它驅動三極管T1～T3工作于開關狀態，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T1～T3可靠驅動80mA負載，若某些負載元件(譬如B1)的瞬態電流超過這一數值，建議再加一級電流放大。圖2給出改進后的蜂鳴器驅動電路。
　　D1、D2和D3均建議使用肖特基二極管，因為這種類型的二極管的導通壓降較低，如果用IN4148之類的PN結開關二極管雖能正常工作，但會帶來更大的損耗，特別是D1。
　　U3用來記錄尋呼機用戶的標識碼(包括6個地址)。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具體情況來考慮。其它的文獻介紹得較多，這里不再贅述。
　　PD6的LCD驅動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，能產生6V的交變輸出，應據此來選擇合適的LCD。第10腳外接一個約100kΩ的電阻到地可以調整LCD的對比度。具體參數應通過實驗來確定。
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，對字庫的點陣數據的讀取要通過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個漢字為例，需要驅動14×16×16=3584點象素，除專用于LCD驅動的MCU外，大多數MCU都具備這樣的驅動能力。因此，目前生產的中文機無一例外地采用專門的圖形LCD模塊。
　　PD6雖是針對數字尋呼機而設計的，然而用來設計中文尋呼機也能獲得良好的性能價格比。用于中文機時，PD6內部LCD驅動器發揮不了作用。這樣PD6的PD～PH等5個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、擴充RAM等的地址線和數據線分別連在一起，通過片選信號選擇不同的數據傳送對象，這樣可以大大減少I/O操作線的數目。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內部集成了解碼器，價格與其它的不含該單元的MCU差不多，故而性能價格比很高。另外，PD～PH口驅動能力為5.0mA，比其它的I/O口(0.8mA)大得多，T1～T3改用這些I/O線驅動時，驅動能力更強。這樣就用不著類似圖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個鍵，KWI口還有5根輸入線空閑，能輕松擴充多個按鍵輸入。
　　解碼器可支持6個用戶地址，每個地址信息有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個消息箱。并且最少可提供20個公用消息信箱，大大增強了尋呼機的信息功能。解碼器與CPU接口非常簡單，這是一個得天獨厚的條件，可以利用這些功能位擴充用戶地址，使POCSAG協議尋呼系統的用戶地址數達到800萬，便于構成全國網。

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聯，因此，這些映射RAM的訪問比較繁瑣，故要謹慎細致。
3.1 時基電路的時鐘源
　　時基電路的輸出提供給LCD和“看門狗”等電路使用，它的時鐘源可選取高頻時鐘，也可選取低頻時鐘。但應注意，高頻振蕩器在MCU休眠狀態時被關閉，選擇這一時鐘源將使LCD在休眠期間無顯示，這不符合數字尋呼機的習慣。如選擇低頻時鐘源，“看門狗”定時器在休眠期間仍然在計數，從而頻繁產生系統中斷復位MCU，這又是我們所不希望的。故而，要使用“看門狗”功能，則應在進入休眠之前用程序控制關閉“看門狗”定時器。
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。換句話說，它只能保存一個碼字的信息。如果接收到解碼器的中斷信號不作及時響應的話，很容易丟失消息。特別是當MCU在休眠狀態時，高頻時鐘振蕩源已關閉，系統時鐘只能用19.2kHz的低頻時鐘，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，再啟動高頻振蕩器。由于高頻振蕩器有一個起振和穩定的過程，通常這一時間約在數毫秒至數十毫秒之間。在它穩定之前，切不可將主時鐘切換到這一時鐘源上，否則可能失步而丟掉尋呼信息。
3.3 群呼消息的靜音
　　通常每個尋呼接收只有1個私人消息地址，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，尋呼機頻繁告警常令用戶頭痛，中文機尤其如此。因此，設計可以考慮提供用戶操作接口，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應注意到這一點。

4. 結束語

　　POCSAG協議碼字采用BCH編碼，這種編碼除能糾正2位隨機錯外，還能糾正4位突發錯。但是，Motorola發布的PD6手冊中還沒有提及解碼器對突發錯的糾正能力，也沒有提及倍頻采樣、數字濾波的措施。幸好我國POCSAG尋呼網大多數使用150MHz頻段，對突發錯不太敏感。我們當然不能要求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的技術。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、性能穩定、編程簡單等諸多優點，無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格比，其應用前景非常廣闊。件和升壓電感L1、PFC功率開關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IAC流入外部的單極點濾波器產生一個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，通過調節12腳(GT1)輸出驅動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PFC變換器DC輸出電壓和第二級輸出驅動器電壓來實現過電壓保護功能。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耦合后用來驅動Q3、Q4開關。PFC變換器跟隨的第二極DC－DC正向變換器通過T1進行隔離。次邊DC輸出電壓經R28、R29和R30分壓采樣后輸入到U2的腳7。經過U2內部的誤差放大器后由腳3輸出驅動信號，再經U3隔離放大，饋送到U1的腳7。通過調節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，可實現第二級DC－DC變換器的峰值電流控制功能。