基于瑞萨R7F0C002单片机的JJY数字电波钟设计

　　1 引言
　　随着时代的发展，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，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成为合适的选择。它接收授时中心以无线电长波传送的标准时间信号，并通过内置微处理器解码处理，从而实现时间自动校准，使电波钟表显示的时间与国家的标准时间保持高度同步。
　　鉴于目前我国 BPC 低频时码格式尚未公开，我们只能制作接收日本 JJY60 信号的电波钟表。日本是全世界对电波计时倡导最积极的国家之一，在狭长的地理范围里，就搭建了两台电波发射站，由福岛(40kHz)和九州(60kHz)两处发射。其覆盖范围如图 1 所示。


　　JJY 编码格式以 1 分钟为 1 帧，每秒接收 1 位时码信息。这些信息以 BCD 码格式表示，有不同的权重值。时码信息为脉冲信号，每秒的开始对应于 1 位脉冲信号的上升沿，这样可以与标准时间精确同步。不同的脉冲宽度表示不同的时码，高电平宽度为0.2s 表示定位码 P 码， 0.8s 表示逻辑 0， 0.5s 表示逻辑 1 。时间信息为各位数值乘以权重值的求和。在第 59 秒和第 0 秒连续两个定位码表示一个新帧的起始。时码信息中不包含月和日信息，而是包含 1 年从 1 月 1 日开始的天数。各信息位的含义见图 2。


　　2 系统构建
　　基于日本低频时码授时信号 JJY 的数字电波钟设计，以瑞萨 16 位单片机R7F0C002 为处理核心，以 CME6005 专用 IC 为主要接收芯片，通过软件算法，实现授时信号远距离的接收，时间精度达到秒同步。
　　R7F0C002 内部集成了 RTC 功能，这样即使在不接收授时信号的情况下，电波钟也可以正常工作并保证时间准确。此外， MCU 内部还集成了 LCD 驱动器/控制器，可以直接控制 LCD 面板，实时显示时、分、秒、年、月、日、星期等时间信息。
　　此电波钟具有 5 个独立的按键，分别完成接收授时电波并更新当前时间任务，时间设置任务以及闹钟设置任务。 LED 电路可对接收电波成功与否进行实时指示。整个方案原理框图如图 3 所示。


                                
                　　2.1 MCU 介绍
　　R7F0C002 微控制器采用了 RL78 内核，同时实现了高速处理性能与较低的功耗。MCU 内部集成了高精度( ±1%)片上振荡器， CPU 运行频率最高可达到 24MHz。
　　此外，还集成了多达 22SEG× 8COM 的 LCD 控制器/驱动器、上电复位(POR)电路、电压检测电路(LVD)、看门狗定时器、时钟输出/蜂鸣器输出控制电路以及实时时钟( RTC)电路，有助于系统的低成本设计。其紧凑的尺寸和低功耗性能，使得此产品更适用于家用电器、移动设备等应用。R7F0C002 MCU 的 ROM 空间为 32KB， RAM 空间为 1.5KB，数据闪存为 2KB。
　　2.2 JJY 双频电波接收模块
　　本系统采用深圳科业电子有限公司生产的 JJY 双频接收模块获取低频电波授时信号。该模块灵敏度高，电源可控，功耗小，工作电压范围为 1.5 到 3.5V，工作电流 70uA-100uA，静态电流 0.2uA-2uA。模块采用高度集成的 BI-CMOS 低频接收解码芯片CME6005。该高灵敏度、低功耗的芯片能解调多国电波信号，包括美国 (WWVB)、德国(DCF77)、日本(JJY40 和 JJY60)、英国(MSF) 和瑞士(HBG)。 CME6005 内含一个独特的双频晶体补偿功能、单/双频电波接收功能、 AGC 锁定功能，且所需外围元器件少，使 CME6005 成为一个极理想的无线电波表方案。
　　模块天线尺寸为 9*10*60 mm， PCB 尺寸为 1.0*13.5*22 mm，引脚定义如下：
　　1. V-接电源 VCC ( 1.5 ~ 3.5V)。
　　2. G-接地 GND。
　　3. TN( T) -时间信号反向输出。
　　4. TP(无丝印) -时间信号正向输出，与 MCU 输入引脚相连。
　　5. P-电源控制脚，与 MCU 输出引脚相连。需要模块工作时，该管脚设置为低电平，反之设置为高电平。
　　6. H-自动增益控制接高电平，该模块内部已连接好高电平。
　　7. F-频率选择控制脚，与 MCU 输出引脚相连。高电平时，选择的时码接收频率为 60kHz;低电平时，选择的时码接收频率为 40kHz。系统调试过程中可使用 JJY_Simulator 软件，通过电脑耳机模拟 40kHz 的电波钟信号发射。自制发射耳机如图4所示。


　　耳机模拟发射的 JJY 电波信号及电波接收模块的输出信号如图5所示，接收的数据为2014 年 9 月 7 日 9 点 47 分的时间信息。