【应用】内置了LCD驱动器的低功耗MCU助力JJY编码的电波钟

时间： 2018-06-02 来源：Renesas

在社会进步的同时，人类对于精确的时间越来越重视，像国防、卫星、天气监控等系统，非常需要精确的时间来做资料的备份以及同步的处理。传统的计时方式难以满足日益精确的时间要求，融合了微电子技术、计算机技术、通讯技术与现代时频技术的电波钟正是最合适的选择。本应用说明提供了一种基于瑞萨低功耗且内置LCD驱动器的单片机R7F0C002的可以实现JJY解码的带液晶显示功能的电波钟的解决方案。

技术参数：
    • 电源： 3.0 V (2 节 AA 电池)
    • 低功耗电流（MCU）： 0.23 µA (TYP.)
    • 电波接收格式： JJY40 (福岛局)和 JJY60(九州局)自动选择
    • 电波接收灵敏度： 25 µV
    • LCD 工作电压： 5.0 V
    • LCD 驱动电压生成方式：内部升压方式，基准电压为 1.65 V
    • LCD 驱动方式： 1/4 占空比， 1/3 偏压

规格：
    • 低功耗功能：系统在没有任务执行时，工作在低功耗（STOP）模式。
    • 时间显示功能： LCD 面板上实时显示年、月、日、星期、时、分、秒等时间信息。
    • 时间校准功能：

        1. 按下“强制接收”按键后，立即接收 JJY 时间电波，当时间电波接收正确后，自动更新时间信息。
        2. 每天 00:00， 01:00， 02:00， 03:00， 04:00 自动接收 JJY 时间电波，时间电波接收正确后，自动更新时间信息。
    • 时间设置功能：任意时刻，可以通过按键设置当前时间信息。
    • 闹钟功能：可以开启、关闭闹钟功能，并能设置闹钟时间。
    • 低电压警示功能：电池电压低于 2.65 V 时，产生低电压报警。
    • 自检测功能：系统死机或程序跑飞后，程序能够自动恢复。
    • 工作温度： -40℃ ~ 85℃

R7F0C002 微控制器

R7F0C001/002微控制器采用了RL78 内核，在同类产品中实现了以最低功耗实现高处理性能，同时内置了液晶显示屏(LCD)驱动器。

R7F0C001/002不仅拥有RL78/G13系列的高精度(±1%)片上振荡器、24 MHz工作频率的CPU，以及其他标准内置功能，还配备了内置的超低功耗LCD电路(内部升压方式下0.63uA)，与之前产品相比驱动LCD时可以减小 30%的工作电流。RL78/L12微控制器支持多达280 LCD段的多像素屏，有三种LCD驱动电压生成方式 (内部升压/电容分割/外部电阻分割)。除此之外，该产品支持遥控载波输出功能，适合用于带LCD的空调遥控装置。

R7F0C002 广泛应用于带 LCD 的遥控器、智能仪表、便携式家用电器、医疗保健等消费类应用中。

系统框图和功能介绍

系统的框图如下所示：

时间信息显示功能
由于LCD面板可以根据用户需求定制，因此显示的时间信息位置可以根据项目要求而改变。本项目使用的LCD面板分两屏显示时间信息:第一屏显示月份、日期、时、分、秒;第二屏显示年及星期。

正常状态下实时显示第一屏数据，当用户短按“时间设置”按键后，循环显示第一屏和第二屏的数据。当用户选择显示第二屏的数据后，在没有任何操作的情况下，系统延时20秒后，自动跳转显示第一屏数据。

手动设置时间功能
当JJY电波信号较弱，无法完成时间自动校准时，可以手动设置当前时间。

时间电波强制接收功能
任意时刻，按下“强制接收”按键，则立即启动时间电波接收任务。在接收过程中，再次按下此按键后，则停止时间电波接收。

时间电波自动接收功能
在每天的凌晨0:00 } 1:00 } 2:00 } 3 :00 } 4:00自动接收时间电波。每天自动接收只要接收成功一次不再自动接收。接收过程中，可以通过“强制接收”按键停止当前时间电波接收任务。

闹钟功能
系统上电后，闹钟功能默认为关闭状态，闹钟时间默认为12:00 a

低电压报警功能
当电池电压低于2.65 V时，启动低电压报警功能。在此模式下，每隔30秒，蜂鸣器发出“嘟”的报警声，提醒用户更换电池。

硬件设计

主要介绍时间电波控制电路的原理，电路的原理图如下所示：

电波钟授时原理及相关技术
首先，标准时间授时中心需要将标准时间进行编码，然后利用低频(20KHz一80KHz)载波方式将时间信号以无线电长波发播出去。电波表通过内置的无线电波接收系统接收授时中心发送的低频无线电时码信号，然后通过MCU进行时码信号解码，校准当前时间，从而保证钟表时间与授时中心发送的标准时间保持高度同步。

授时信号的发射部分由原子钟、时间信号处理器、调制器、载波振荡器、激励级、强放级和发射天线组成。其中原子钟作为时钟源，产生相对标准和稳定的时频标准，这个频率标准通过系统分频得到实时的标准时间信息。这些时间信息通过时间信息处理器，进行码变换和加密等信号处理，形成标准授时信号。然后再将授时信号送到调制器去调制一个高频载波，调制好的信号通过激励器以一定的激励功率去激励发射机的强放级，由强放级产生数十千瓦的功率向空间发射无线电波。

授时信号的接收器主要由接收天线、前置放大器、调谐放大器、自动增益电路、滤波器等组成。接收天线从空间感应接收由授时中心发射的实时授时信号，由于信号较弱，需要经过前置放大器及协调放大器进行选频放大，然后进行滤波后经波形形成器进行整形，再经过滤波和检波调谐，从载波中提取出时间信号。最后经过MCU解码，得到准确的时间信息。授时系统基本原理见下图。

软件设计

整个系统主要包含以下几个任务：复位/初始化任务、低功耗任务、中断唤醒任务、时间显示任务、强制（自动）接收时间电波任务、时间设置任务、闹钟设置任务、闹钟匹配任务、低电压报警任务。

根据系统的任务框图划分，系统的流程图如下图所示：

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