電波校時鐘

ID:238754 · 發表于 2017-10-12 01:49

本內容出自：智慧帽diy（cleverhat）
簡介: 手頭有一個項目，需要一個“精確”的頻率計，作為DIY一族，準備動手制作一個。在制作頻率計之前，需要一個能精確測量晶振頻率的東西。之前嘗試過NTP對時，發現精度太差，不好使。所以準備改用電波對時。百度搜了一下，動手做電波表的朋友還真不少，但講得不夠詳細，解碼部分還是“保密”的。只好嘗試自立更生了。

  BPC電波鐘模塊    電波對時需要一個接收頭，接收授時中心發出的電波信號。我們國家的授時信號頻率為68.5Khz,發射臺在商丘。       接收頭實際上是一個窄帶信號接收器，其帶寬只有幾個赫茲，通常采用晶體濾波器來限制接收帶寬。由于工作頻率比較低，放大部分是比較       容易設計的，有一定無線電基礎的都可以做出來。
   這里我們直接從某寶上買來一個完整的電波鐘模塊。花了15大洋，省了很多事。

VCC :電源，1.5~3.5V
GND :地
SIG :BPC授時信號輸出
EN :模塊使能(低電平使能，高電平關閉模塊)

BPC解碼和校時 電波鐘模塊輸出的BPC信號如下圖，1分鐘包含3個幀，一個BPC幀的周期為20秒，除了第"0"秒外，其余19秒每秒一個脈沖。方波秒脈沖有0.1S，0.2S，0.3S，0.4S四種脈沖寬度狀態，分別表示四進制的0, 1, 2, 3，現有的時間編碼都以二進制表示時間信息，是為了采用微處理器解碼方便。但四進制只是數值的一種表示方式，并不影響微處理器把它作為二進制處理，或者采取簡單的變換就可將1位四進制數變成2位二進制數。

P0設在每分鐘0，20， 40秒，以缺少秒脈沖使幀與幀隔開，同時作為幀起始預告。
P1為幀標志，P1＝0表示幀起于第1秒，P1＝1表示幀起始于21秒，P1＝2表示幀起始于41秒。幀標志是必需的，它用來確定整分的起始。例如：當接收完一組包含著“10時38分”的時間編碼時，如果幀標志標明該幀為第二幀，就可以把下一幀的P1位置標定為10時38分41秒，再過20秒便是10時39分的起始。
P2為預留位。用于需要擴充信息。
時&分表示了時間
其他各位數據在本案中沒有用到，不做詳細說明

解碼MCU采用了TI公司的MSP430G2211IPW14,MSP系列的MCU以低功耗著稱，非常適合于電池供電的應用。本例中， MCU大部分時間工作在約20uA的低功耗模式下。
BPC解碼軟件使用了MSP430G2211的TimeA，TimeA的計數器由32768Hz的晶振提供時鐘，從0~0xFFFF循環計數。每2秒循環一周。BPC信號接在MCU的中斷請求上，在上下跳變沿均產生中斷，中斷服務程序中讀取TimerA計數器。根據脈沖寬度解碼BPC編碼的信號。由于BPC信號的最小脈寬為0.1秒，軟件中還加入了濾波處理，可以濾除脈寬較窄的干擾信號。

if (MCU_INT_GET(BPC_SIGNAL_PORT, BPC_SIGNAL_PIN)) {
static uint16 wPrevToggle = 0; //前一次跳變時刻
static uint16 wLastPulseWidth = 0; //前一次脈沖寬度
static uint8 bLastPulsePolarity = 0; //前一次脈沖極性(1:正脈沖，0：負脈沖)
static uint8 ucBpcBitPos = 0xFF; //BPC解碼位置，0xFF表示解碼狀態機復位
static uint8 ucBpc[2]; //BPC碼數據,只取包含"時:分:秒"信息的前面2字節。
uint16 wCurToggle; //本次跳變時刻
uint16 wCurPulseWidth; //本次脈沖寬度
uint16 wBpcSecond; //BPC解碼得到的時間秒數
uint8 bCurPulsePolarity; //本次脈沖極性(1:正脈沖，0：負脈沖)
uint8 ucTmp;
MCU_INT_XOR_EDGE(BPC_SIGNAL_PORT, BPC_SIGNAL_PIN);
MCU_INT_CLEAR(BPC_SIGNAL_PORT, BPC_SIGNAL_PIN);
//正跳變，表示的是負脈沖(結束)
bCurPulsePolarity = MCU_INT_GET_EDGE(BPC_SIGNAL_PORT, BPC_SIGNAL_PIN) ? 0 : 1;
wCurToggle = GetCurTimerA();
wCurPulseWidth = wCurToggle - wPrevToggle;
if ((wCurPulseWidth < PULSE_FILTER_OUT) || (bCurPulsePolarity == bLastPulsePolarity)) {
//本次跳變脈寬過短，將當作干擾毛刺被過濾掉，脈寬同前一次合并
//本次脈寬極性同前一次相同(跟在干擾毛刺后)，脈寬也同前一次合并
wLastPulseWidth += wCurPulseWidth;
} else {
//前一次脈寬數據有效，可以處理了。
if (!bLastPulsePolarity && (wLastPulseWidth > PULSE_10ms * 100)) {
//每幀數據頭部有1秒時間的空檔期，表示幀起始
ucBpcBitPos = 14; //只用到前14bit數據
ucBpc[0] = ucBpc[1] = 0;
} else if (ucBpcBitPos != 0xFF) {
if (!bLastPulsePolarity) {
//負脈沖
if (wLastPulseWidth < PULSE_10ms * 55)
//BPC編碼正脈沖寬度最小600ms,<550ms為非法，解碼狀態機復位
ucBpcBitPos = 0xFF;
}
else {
//正脈沖
ucTmp = 0xFF;
if (wLastPulseWidth < PULSE_10ms * 45) {
if (wLastPulseWidth > PULSE_10ms * 35) //400ms脈寬
ucTmp = 3;
else if (wLastPulseWidth > PULSE_10ms * 25) //300ms脈寬
ucTmp = 2;
else if (wLastPulseWidth > PULSE_10ms * 15) //200ms脈寬
ucTmp = 1;
else if (wLastPulseWidth > PULSE_10ms * 5) //100ms脈寬
ucTmp = 0;
}
if (ucTmp == 0xFF) {
//脈寬非法，解碼狀態機復位
ucBpcBitPos = 0xFF;
}
else {
//保存合法數據
ucBpcBitPos -= 2;
ucBpc[ucBpcBitPos >> 3] |= ucTmp << (ucBpcBitPos & 0x07);
if (ucBpcBitPos == 0) { //一幀數據接收完成
ucBpcBitPos = 0xFF; //解碼狀態機復位，等待下次數據
wBpcSecond = ((ucBpc[1] << 2) | (ucBpc[0] >> 6)) & 0x0F; //小時
wBpcSecond *= 3600;
wBpcSecond += ((uint16)(ucBpc[0] & 0x3F)) * 60; //分鐘
wBpcSecond += ((ucBpc[1] >> 4) & 0x03) * 20 + 21; //秒數
//如果相臨近的兩次BPC校時都是準確的(沒有誤碼)，守時中斷應該在BPC
//信號的邊界前后，因此，秒數只可能差0或1秒。據此判斷校時成功
if ((wBpcSecond - s_wRealSecond) < 2)
s_wEvent |= BPC_FINISHED;
s_wRealSecond = wBpcSecond;
s_wTarSecond = wCurToggle + COUNT_1S;
} //if (ucBpcBitPos == 0
}
}
}
wPrevToggle = wCurToggle;
wLastPulseWidth = wCurPulseWidth;
bLastPulsePolarity = bCurPulsePolarity;
}
}

復制代碼

守時信號輸出 TimerA的通道0工作在比較器模式，用作守時和UART波特率發生器.時間以12小時內的秒數表示，從00:00:00或12:00:00 開始計數，在每秒開始時將時間讀數從UART口發出去。MSP430G2211沒有專用的UART,需要軟件實現。UART數據格式為8位、無校驗、1200波特率.總共 16bit數據，需要用2個字節表示，加上每字節的起始位、停止位，總共20位。

#pragma vector=TIMER0_A0_VECTOR
__interrupt void Uart_ISR(void)
{
static int8 iBits = 0;
static uint16 wMask;
TACCTL0 &= ~TAIFG; //清中斷
//每秒起始位置把16bits實時時間通過UART發送出去
if ((iBits == 0) || (iBits == 10)) {
MCU_IO_CLR(UART_TX_PORT, UART_TX_PIN); //起始位
} else if ((iBits == 9) || (iBits == 19))
MCU_IO_SET(UART_TX_PORT, UART_TX_PIN); //停止位
else {
//發送數據位
if (s_wRealSecond & wMask)
MCU_IO_SET(UART_TX_PORT, UART_TX_PIN);
else
MCU_IO_CLR(UART_TX_PORT, UART_TX_PIN);
wMask <<= 1;
}
iBits++;
if (iBits == 20) {
//實時時間發送完畢，準備在下一秒再次發送
s_wTarSecond += COUNT_1S;
TACCR0 = s_wTarSecond;
s_wRealSecond++;
if (s_wRealSecond >= ((uint16)12*3600))
s_wRealSecond = 0; iBits = 0;
wMask = 1;
s_wEvent |= SECOND_EVENT;
} else
TACCR0 += UART_BIT_WIDTH;
__low_power_mode_off_on_exit();
}

復制代碼

守時時鐘校準 本系統需要依靠標稱頻率為32768Hz晶振提供時間基準來守時，晶振負載電容對頻率有微調作用.為了測定晶振實際工作頻率，可測量一段時間內的積累誤差。例如在10:00:00時進行第一次BPC校時，6個小時后在16:00:00進行第二次BPC校時，用串口工具接收并打印出第二次BPC校時前后從UART口輸出的守時信號

校時之前

【2017-10-11 15:58:47:850】CB 0D

【2017-10-11 15:58:48:850】CC 0D

校時之后

【2017-10-11 15:59:47:827】07 0E

【2017-10-11 15:59:48:827】08 0E

         從打印出來的數據可以看出，在校時前后兩點(0x0E08-0x0DCC = 60秒)，對應PC機系統時間為59:48:827-58:48:850                = 59.977秒，也就是說6小時內積累的誤差為-0.023秒，可以忽略不計。否則可能需要調整負載電容來對頻率進行微調，或者也可以調整代碼中的             COUNT_1S的宏定義值來重新標定“1秒”。

機芯驅動    本設計初衷是要制作一個能夠準確計時(無累積誤差)的東西.因此完成守時信號輸出就OK了，但既然動了手，就準備弄個       完整的電波鐘玩玩。拆解了一個多時不用的石英鐘，只將機芯步進馬達的線圈引出，其他電路統統拆掉。這里我范了一個錯誤，本以為馬達是1秒       走一步或二步，按此設計了驅動代碼，結果馬達跑得非常別扭，走走退退，不知怎回事，弄了半天才發現問題所在，實際上這個機芯步進馬達是每秒16步       的，差得也太遠了。因此，建議朋友在拆機前先測一下原機的驅動波形。
這種步進電機的驅動信號為正負交替的脈沖信號。脈沖寬度需要有個合理的范圍，拆機時沒有先用示波器測一下，只好自己       湊了。不過，就算測了也只能供參考，因為原機是1.5V供電的，現在改成3V，脈寬肯定需要調窄，理論上升到2倍電壓后脈寬應是原來的1/4.我的這個馬達       用12ms脈寬驅動，工作得很Happy.朋友自己制作時可以自行調整MOTOR_PULSE_DUTY。

為了實現正負極性的交替，使用了2個IO端口，輸出兩路移相的方波信號.兩路方波信號之間的相差即為脈沖寬度。當鐘面顯示的時間同實際時間有偏差時，需要改變脈沖周期以調整電機速度，使兩者趨于一致。機芯驅動使用了TimeA的通道1，在其中斷服務中實現

#pragma vector=TIMER0_A1_VECTOR
__interrupt void Motor_drv_ISR(void)
{
if (TACCTL1 & CCIFG) {
// 步進電機驅動信號，一個周期分4個Stage，電機走2步。
// S1，S3提供動力輸出。
// ------
// | S1 |
// | |
// --------------| |--------------| |
// S0 S2 | |
// | |
// ------
// S3
static uint8 ucStage = 0; //步進電機每走一步分2個stage。
uint16 wS0S2; //S0,S2時間長度
TACCTL1 &= ~CCIFG; //清中斷
if (ucStage == 2 * STEP_1S - 1) {
//每秒末進入此處
ucStage = 0;
s_wDisplaySecond++;
if (s_wDisplaySecond >= ((uint16)12 * 3600))
s_wDisplaySecond = 0;
}
else
ucStage++;
//先假定鐘面時間總是偏"快"的，算一下"快"了多少
if (s_wDisplaySecond > s_wRealSecond)
wS0S2 = s_wDisplaySecond - s_wRealSecond;
else //超了一圈(12小時)
wS0S2 = ((uint16)12 * 3600) - (s_wRealSecond - s_wDisplaySecond);
//如果算下來"快"了9小時以內，認為其確實"快"了，否則認為實際是"慢"了3小時不到。
//之所以不以6小時分界，是因為步進馬達可以無限放慢，有限地加快。
if (wS0S2 < 2) //偏快不多，正常運行
wS0S2 = MOTOR_PERIOD - MOTOR_PULSE_DUTY; //正常運行
else if (wS0S2 < ((uint16)9 * 3600)) //偏快，降速運行
wS0S2 = MOTOR_PERIOD_SLOW - MOTOR_PULSE_DUTY;
else //偏慢，加速運行
wS0S2 = MOTOR_PERIOD_FAST - MOTOR_PULSE_DUTY;
//步進電機驅動信號4個stage一個循環，走2步
switch(ucStage & 0x03) {
case 0:
MCU_IO_CLR(MOTOR_DRVN_PORT, MOTOR_DRVN_PIN);
TACCR1 += wS0S2;
break;
case 1:
MCU_IO_SET(MOTOR_DRVP_PORT, MOTOR_DRVP_PIN);
TACCR1 += MOTOR_PULSE_DUTY;
break;
case 2:
MCU_IO_SET(MOTOR_DRVN_PORT, MOTOR_DRVN_PIN);
TACCR1 += wS0S2;
break;
case 3:
MCU_IO_CLR(MOTOR_DRVP_PORT, MOTOR_DRVP_PIN);
TACCR1 += MOTOR_PULSE_DUTY;
break;
}
}
__low_power_mode_off_on_exit();
}

復制代碼

使用方法    由于系統無法讀取鐘面顯示的時間，因此在系統上電啟動時，必須先把鐘面撥到00:00:00的默認位置.上電時，MCU默認為       鐘面顯示時間和系統實際時間為00:00:00.系統在00:00:02啟動BPC對時，對時成功后，“實際時間”就準確了，這時，從UART輸出的守時信號也是準確的了。       但鐘面時間需要一段時間后才能逐步同實際時間一致。以后，系統會在每天的00:00:02和12:00:02各啟動BPC對時一次，如果對時成功或20分鐘內不能對時       則自動關閉BPC模塊以節約電池。對時成功，照明等會點亮2秒。
在每天的17:00-21:00, 05:00-9:00兩個時段內是BPC發射臺是關閉的，在這兩個時段內開機是無法對時的。
系統提供了一個按鈕，短按按鈕可以點燈5秒，以便夜間照明。長按2秒以上可以立即打開BPC對時，對時成功或5分鐘內不成功       則自動關閉BPC模塊。這些業務邏輯都在主程序中實現。

  實物圖

原理圖 JI為下載接口。MSP430G2211晶振匹配電容內置，可配置，所以不需要外接電容

全部資料下載地址：

clock_src.rar (15.25 KB, 下載次數: 290)

ID:116826 · 發表于 2017-10-12 09:52

一直對電波授時很感興趣，感謝樓主費心分享！

ID:237243 · 發表于 2017-10-19 00:18

lyxxzrb 發表于 2017-10-12 09:52
一直對電波授時很感興趣，感謝樓主費心分享！

很強啊

ID:207388 · 發表于 2017-10-20 08:44

感謝樓主的分享，這個很好

ID:107522 · 發表于 2018-2-16 21:37

bCurPulsePolarity

ID:78901 · 發表于 2018-3-29 19:24

一直對電波授時很感興趣，感謝樓主費心分享！

ID:51443 · 發表于 2018-4-4 18:20

要把普通萬年歷改電波授時會有難度

ID:51443 · 發表于 2018-4-4 18:44

能不能把普通萬年歷改成電波授時？

ID:51443 · 發表于 2018-4-4 18:45

能不能把普通萬年歷改成電波授時？

ID:335118 · 發表于 2018-5-21 23:09

想做一個電波鐘有資料了

ID:252798 · 發表于 2018-5-22 08:47

值得收藏的寶貴資料

ID:293292 · 發表于 2018-5-22 10:44

很強，收藏一下

ID:78901 · 發表于 2018-8-6 22:48

能不能把普通萬年歷改成電波授時？

ID:16255 · 發表于 2018-8-7 11:20

學習一下

ID:426296 · 發表于 2018-11-16 12:58

感謝樓主的分享，這個很好

ID:167657 · 發表于 2019-1-29 11:10

謝謝，正好需要

ID:430492 · 發表于 2019-2-13 16:43

這么詳細的資料分享，贊一個！！

ID:430492 · 發表于 2019-2-13 16:44

感謝樓主的分享，這個很好！

ID:12816 · 發表于 2019-6-12 13:09

我們用不上電波

ID:562484 · 發表于 2019-6-14 12:24

學習學習，謝謝分享

ID:105826 · 發表于 2019-9-12 11:42

感謝樓主分享，讓大家對電波對時有了更多的認識，樓主動手能力不錯。

ID:493097 · 發表于 2020-2-18 15:11

學習中，謝謝lz分享

ID:701816 · 發表于 2020-4-5 17:36

很好的資料，感謝樓主的分享!!!

ID:889283 · 發表于 2021-3-7 17:43

很好的參考資料

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電波校時鐘

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