LED背光液晶電波鐘的技術(shù)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

漳州理工職業(yè)學(xué)院 張曉芳

富順光電科技股份有限公司 陳宇博

LED背光液晶電波鐘的技術(shù)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

漳州理工職業(yè)學(xué)院 張曉芳

富順光電科技股份有限公司 陳宇博

電波鐘具有自動(dòng)接收標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)信號(hào)，自動(dòng)校正時(shí)間偏差等功能，與機(jī)械結(jié)構(gòu)和時(shí)鐘芯片的計(jì)時(shí)裝置相比，其時(shí)間精確性顯著提高，開拓了時(shí)間計(jì)量的新里程，被稱為第五代計(jì)時(shí)器，也是目前最精確的計(jì)時(shí)工具。

電波鐘；雙頻接收；LCD驅(qū)動(dòng)；LED背光

1　前言

時(shí)間控制器作為一種計(jì)時(shí)工具，在不同的領(lǐng)域有著不一樣的計(jì)時(shí)方式。民用領(lǐng)域主要采用機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)時(shí)，工業(yè)領(lǐng)域主要采用時(shí)鐘芯片進(jìn)行計(jì)時(shí)，但此兩種計(jì)時(shí)方式均容易積累時(shí)間誤差，在時(shí)間精度控制方面并不理想。電波鐘具有自動(dòng)接收標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)信號(hào)，自動(dòng)校正時(shí)間偏差等功能，與機(jī)械結(jié)構(gòu)和時(shí)鐘芯片的計(jì)時(shí)裝置相比，其時(shí)間精確性顯著提高，開拓了時(shí)間計(jì)量的新里程，被稱為第五代計(jì)時(shí)器，也是目前最精確的計(jì)時(shí)工具。

在國(guó)外，電波鐘使用非常廣泛，特別是RCC技術(shù)的普及，對(duì)具有自動(dòng)接收時(shí)間功能的電波鐘產(chǎn)生了很高的需求。我國(guó)于2007年建成電波發(fā)射塔，電波鐘作為革命性的計(jì)時(shí)產(chǎn)品在我國(guó)還處于發(fā)展階段。各國(guó)的電波鐘技術(shù)原理相同，但標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)的碼制和發(fā)射頻率卻不同，對(duì)于長(zhǎng)波授時(shí)編碼標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)為WWVB；英國(guó)為MSF；德國(guó)為DCF；日本為JJY；中國(guó)為BPC。

2　工作原理

電波鐘是在電子鐘內(nèi)部增加無(wú)線電長(zhǎng)波信號(hào)接收裝置，數(shù)據(jù)處理模塊和自動(dòng)校正功能模塊。其工作原理為：由授時(shí)中心將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行編碼，利用低頻（20kHz-80kHz）載波方式將時(shí)間信號(hào)以無(wú)線電長(zhǎng)波發(fā)射出去。電波鐘通過內(nèi)置微型無(wú)線電長(zhǎng)波信號(hào)接收裝置接收該低頻無(wú)線電時(shí)碼信號(hào)，經(jīng)專用集成芯片的數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)時(shí)碼信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解碼，再由計(jì)時(shí)裝置內(nèi)設(shè)的控制機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)電波鐘的計(jì)時(shí)。通過此技術(shù)過程，使電波鐘的走時(shí)都受統(tǒng)一精確的時(shí)碼控制，并自動(dòng)校正走時(shí)誤差，從而實(shí)現(xiàn)電波鐘高精度的計(jì)量時(shí)間和顯示時(shí)間的一致性。工作原理示意圖如圖2-1。

3　功能模塊

3.1天線

微型磁棒天線作為信號(hào)接收的重要部件，采用中性磁棒和漆包線繞制而成，用于接收微弱的長(zhǎng)波信號(hào)。線圈匝數(shù)可根據(jù)LC并聯(lián)諧振時(shí)相位角相等的原理進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果輸出波形滯后輸入波形則減少線圈匝數(shù)，反之則增大線圈匝數(shù)。微型磁棒天線如圖3-1。

圖2-1　電波鐘工作原理示意圖

圖3-1　微型磁棒天線

3.2接收模塊

電波接收模塊實(shí)際就是一臺(tái)長(zhǎng)波定頻收音機(jī)，接收信號(hào)放大檢波濾波后輸出音頻中的包絡(luò)信號(hào)即編碼的時(shí)間信息。因選用日本JJY碼制，其包含40KHz和60KHz兩種發(fā)射頻率，故采用雙頻接收模塊，模塊型號(hào)為RCC-JJY01。接收模塊如圖3-2所示。

圖3-2　接收模塊

3.3微處理器CPU

數(shù)據(jù)處理模塊為電波鐘進(jìn)行信號(hào)處理和時(shí)鐘控制的核心模塊，本項(xiàng)目選用恒輝達(dá)公司生產(chǎn)的HW5817微處理器CPU。芯片專為電波鐘設(shè)計(jì)，采用1.5V電池供電，靜態(tài)電流小于30uA，支持6個(gè)功能按鍵，輸出設(shè)備為L(zhǎng)ED燈和鬧鈴，顯示內(nèi)容包含年，月，日，時(shí)，分，秒，星期，月相，溫度，鬧鐘，RCC等。芯片的操作設(shè)置亦可靠方便，可進(jìn)行普通模式設(shè)置，時(shí)間模式設(shè)置，響鬧報(bào)警設(shè)置，開機(jī)和復(fù)位設(shè)置，上電默認(rèn)設(shè)置，RCC接收設(shè)置，溫度檢測(cè)設(shè)置，語(yǔ)言顯示設(shè)置等。

3.4顯示模塊

根據(jù)技術(shù)開發(fā)要求，電波鐘必需具備以下顯示功能：

①精確顯示時(shí)間與日期，并可12/24小時(shí)制切換；

②具有接收電波和校準(zhǔn)功能；

③具有RCC功能；

④可顯示此時(shí)的電波信號(hào)強(qiáng)度；

⑤可顯示此時(shí)當(dāng)?shù)氐臏囟龋?/p>

⑥可顯示萬(wàn)年歷。

綜合顯示所有內(nèi)容，宜采用分區(qū)域顯示更為合理，故電波鐘的顯示模塊采用液晶顯示屏。液晶顯示屏規(guī)格選用5COM*28SEG。液晶顯示與傳統(tǒng)顯示相比，具有顯示質(zhì)量高、無(wú)電磁輻射、可視面積大、應(yīng)用范圍廣等眾多優(yōu)點(diǎn)。

3.5背光選擇

由于液晶顯示屏屬于被動(dòng)發(fā)光型顯示器，液晶必須在外界光源的作用下才會(huì)顯示，因此必須考慮其背光問題。按照液晶的分類，可分為透射式、反射式、半反半透式這三類。其中，透射式必須加上背景光，反射式需要較強(qiáng)的環(huán)境光線，半反半透式要求環(huán)境光線較強(qiáng)或加背光。根據(jù)電波鐘實(shí)際使用的環(huán)境，決定選用透射式液晶，并基于節(jié)約電能考慮，本項(xiàng)目采用LED作為背光源。

3.6LCD驅(qū)動(dòng)

液晶顯示屏（LCD）根據(jù)電壓的有無(wú)，控制液晶分子排列方向，使面板達(dá)到顯示效果。通常情況下，都是設(shè)置為加電時(shí)液晶不透光，因?yàn)檎顟B(tài)下液晶顯示器都是亮著的，設(shè)置加電不透光更節(jié)約能源。LCD按照顯示方式分為段式、點(diǎn)字符式、點(diǎn)陣式。LCD驅(qū)動(dòng)時(shí)，需在公共電極和段電極上施加交流電壓。若只在電極上施加直流電壓時(shí)，液晶本身發(fā)生劣化。LCD液晶驅(qū)動(dòng)方式包括兩種，一種為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)，另一種為動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。

（1）靜態(tài)驅(qū)動(dòng)

所有的段都有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路，表示公共電極與段電極之間連續(xù)施加電壓。這種方式適用于簡(jiǎn)單控制的LCD。

（2）動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)

公共電極與段電極共同構(gòu)成矩陣電極，公共端數(shù)為N，按照1/ N的時(shí)序分別依次驅(qū)動(dòng)公共端，與該驅(qū)動(dòng)時(shí)序相對(duì)應(yīng)，對(duì)所有的段信號(hào)電極作選擇性驅(qū)動(dòng)。這種方式適用于復(fù)雜控制的LCD。

在動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)方式中，像素可分為選通像素、半選通像素和非選通像素。為了提高顯示的對(duì)比度和降低串?dāng)_，應(yīng)合理選擇占空比（duty）和偏壓（bias）。占空比（duty）：高出點(diǎn)亮的閥值電壓的部分在一個(gè)周期中所占的比率，通常占空比D等于公共端數(shù)N的倒數(shù)，即D=1/N。偏壓（bias）：用于控制液晶偏轉(zhuǎn)角度的電壓，通常Bias=1/a=1/（+1），其中a=+1為偏壓比。因電波鐘顯示內(nèi)容的復(fù)雜性，本項(xiàng)目的驅(qū)動(dòng)方式采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。LCD相關(guān)參數(shù)為：1/3Bias，1/5Duty，4.5V，5COM*28SEG。

［1］王正謀，朱力恒.Protel 99se電路設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)［M］.福建科學(xué)技術(shù)出版社，2006，1.

［2］高鵬，安濤，寇懷成.電路設(shè)計(jì)與制版 protel 99se 入門與提高［M］.人民郵電出版社，2001，7.

［3］邱關(guān)源.電路［M］.高等教育出版社，1999，6（第四版）.

［4］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）［M］.高等教育出版社，2000，6（第四版）.

［5］HW5817芯片規(guī)格書［S］.深圳市恒輝達(dá)電子有限公司，Jun 10 2010.

［6］http：//www.cnblogs.com/aceheart/articles/2834480.html.

［7］http：//www.doc88.com/p-099909517264.html.

附圖：原理圖

項(xiàng)目來源：2015年福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：JA15915）；項(xiàng)目名稱：LED背光液晶電波鐘的技術(shù)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)；項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：張曉芳。