電波校時(shí)鐘

ID:238754 · 發(fā)表于 2017-10-12 01:49

本內(nèi)容出自：智慧帽diy（cleverhat）
簡(jiǎn)介: 手頭有一個(gè)項(xiàng)目，需要一個(gè)“精確”的頻率計(jì)，作為DIY一族，準(zhǔn)備動(dòng)手制作一個(gè)。在制作頻率計(jì)之前，需要一個(gè)能精確測(cè)量晶振頻率的東西。之前嘗試過NTP對(duì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)精度太差，不好使。所以準(zhǔn)備改用電波對(duì)時(shí)。百度搜了一下，動(dòng)手做電波表的朋友還真不少，但講得不夠詳細(xì)，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(duì)時(shí)需要一個(gè)接收頭，接收授時(shí)中心發(fā)出的電波信號(hào)。我們國(guó)家的授時(shí)信號(hào)頻率為68.5Khz,發(fā)射臺(tái)在商丘。       接收頭實(shí)際上是一個(gè)窄帶信號(hào)接收器，其帶寬只有幾個(gè)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(shè)計(jì)的，有一定無線電基礎(chǔ)的都可以做出來。
   這里我們直接從某寶上買來一個(gè)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(shí)信號(hào)輸出
EN :模塊使能(低電平使能，高電平關(guān)閉模塊)

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

P0設(shè)在每分鐘0，20， 40秒，以缺少秒脈沖使幀與幀隔開，同時(shí)作為幀起始預(yù)告。
P1為幀標(biāo)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(biāo)志是必需的，它用來確定整分的起始。例如：當(dāng)接收完一組包含著“10時(shí)38分”的時(shí)間編碼時(shí)，如果幀標(biāo)志標(biāo)明該幀為第二幀，就可以把下一幀的P1位置標(biāo)定為10時(shí)38分41秒，再過20秒便是10時(shí)39分的起始。
P2為預(yù)留位。用于需要擴(kuò)充信息。
時(shí)&分表示了時(shí)間
其他各位數(shù)據(jù)在本案中沒有用到，不做詳細(xì)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(yīng)用。本例中， MCU大部分時(shí)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(jì)數(shù)器由32768Hz的晶振提供時(shí)鐘，從0~0xFFFF循環(huán)計(jì)數(shù)。每2秒循環(huán)一周。BPC信號(hào)接在MCU的中斷請(qǐng)求上，在上下跳變沿均產(chǎn)生中斷，中斷服務(wù)程序中讀取TimerA計(jì)數(shù)器。根據(jù)脈沖寬度解碼BPC編碼的信號(hào)。由于BPC信號(hào)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(hào)。

if (MCU_INT_GET(BPC_SIGNAL_PORT, BPC_SIGNAL_PIN)) {
static uint16 wPrevToggle = 0; //前一次跳變時(shí)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(fù)脈沖)
static uint8 ucBpcBitPos = 0xFF; //BPC解碼位置，0xFF表示解碼狀態(tài)機(jī)復(fù)位
static uint8 ucBpc[2]; //BPC碼數(shù)據(jù),只取包含"時(shí):分:秒"信息的前面2字節(jié)。
uint16 wCurToggle; //本次跳變時(shí)刻
uint16 wCurPulseWidth; //本次脈沖寬度
uint16 wBpcSecond; //BPC解碼得到的時(shí)間秒數(shù)
uint8 bCurPulsePolarity; //本次脈沖極性(1:正脈沖，0：負(fù)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(fù)脈沖(結(jié)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(dāng)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(shù)據(jù)有效，可以處理了。
if (!bLastPulsePolarity && (wLastPulseWidth > PULSE_10ms * 100)) {
//每幀數(shù)據(jù)頭部有1秒時(shí)間的空檔期，表示幀起始
ucBpcBitPos = 14; //只用到前14bit數(shù)據(jù)
ucBpc[0] = ucBpc[1] = 0;
} else if (ucBpcBitPos != 0xFF) {
if (!bLastPulsePolarity) {
//負(fù)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(tài)機(jī)復(fù)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(tài)機(jī)復(fù)位
ucBpcBitPos = 0xFF;
}
else {
//保存合法數(shù)據(jù)
ucBpcBitPos -= 2;
ucBpc[ucBpcBitPos >> 3] |= ucTmp << (ucBpcBitPos & 0x07);
if (ucBpcBitPos == 0) { //一幀數(shù)據(jù)接收完成
ucBpcBitPos = 0xFF; //解碼狀態(tài)機(jī)復(fù)位，等待下次數(shù)據(jù)
wBpcSecond = ((ucBpc[1] << 2) | (ucBpc[0] >> 6)) & 0x0F; //小時(shí)
wBpcSecond *= 3600;
wBpcSecond += ((uint16)(ucBpc[0] & 0x3F)) * 60; //分鐘
wBpcSecond += ((ucBpc[1] >> 4) & 0x03) * 20 + 21; //秒數(shù)
//如果相臨近的兩次BPC校時(shí)都是準(zhǔn)確的(沒有誤碼)，守時(shí)中斷應(yīng)該在BPC
//信號(hào)的邊界前后，因此，秒數(shù)只可能差0或1秒。據(jù)此判斷校時(shí)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(fù)制代碼

守時(shí)信號(hào)輸出 TimerA的通道0工作在比較器模式，用作守時(shí)和UART波特率發(fā)生器.時(shí)間以12小時(shí)內(nèi)的秒數(shù)表示，從00:00:00或12:00:00 開始計(jì)數(shù)，在每秒開始時(shí)將時(shí)間讀數(shù)從UART口發(fā)出去。MSP430G2211沒有專用的UART,需要軟件實(shí)現(xiàn)。UART數(shù)據(jù)格式為8位、無校驗(yàn)、1200波特率.總共 16bit數(shù)據(jù)，需要用2個(gè)字節(jié)表示，加上每字節(jié)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(shí)時(shí)時(shí)間通過UART發(fā)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(fā)送數(shù)據(jù)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(shí)時(shí)時(shí)間發(fā)送完畢，準(zhǔn)備在下一秒再次發(fā)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(fù)制代碼

守時(shí)時(shí)鐘校準(zhǔn) 本系統(tǒng)需要依靠標(biāo)稱頻率為32768Hz晶振提供時(shí)間基準(zhǔn)來守時(shí)，晶振負(fù)載電容對(duì)頻率有微調(diào)作用.為了測(cè)定晶振實(shí)際工作頻率，可測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)的積累誤差。例如在10:00:00時(shí)進(jìn)行第一次BPC校時(shí)，6個(gè)小時(shí)后在16:00:00進(jìn)行第二次BPC校時(shí)，用串口工具接收并打印出第二次BPC校時(shí)前后從UART口輸出的守時(shí)信號(hào)

校時(shí)之前

【2017-10-11 15:58:47:850】CB 0D

【2017-10-11 15:58:48:850】CC 0D

校時(shí)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(shù)據(jù)可以看出，在校時(shí)前后兩點(diǎn)(0x0E08-0x0DCC = 60秒)，對(duì)應(yīng)PC機(jī)系統(tǒng)時(shí)間為59:48:827-58:48:850                = 59.977秒，也就是說6小時(shí)內(nèi)積累的誤差為-0.023秒，可以忽略不計(jì)。否則可能需要調(diào)整負(fù)載電容來對(duì)頻率進(jìn)行微調(diào)，或者也可以調(diào)整代碼中的             COUNT_1S的宏定義值來重新標(biāo)定“1秒”。

機(jī)芯驅(qū)動(dòng)    本設(shè)計(jì)初衷是要制作一個(gè)能夠準(zhǔn)確計(jì)時(shí)(無累積誤差)的東西.因此完成守時(shí)信號(hào)輸出就OK了，但既然動(dòng)了手，就準(zhǔn)備弄個(gè)       完整的電波鐘玩玩。拆解了一個(gè)多時(shí)不用的石英鐘，只將機(jī)芯步進(jìn)馬達(dá)的線圈引出，其他電路統(tǒng)統(tǒng)拆掉。這里我范了一個(gè)錯(cuò)誤，本以為馬達(dá)是1秒       走一步或二步，按此設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)代碼，結(jié)果馬達(dá)跑得非常別扭，走走退退，不知怎回事，弄了半天才發(fā)現(xiàn)問題所在，實(shí)際上這個(gè)機(jī)芯步進(jìn)馬達(dá)是每秒16步       的，差得也太遠(yuǎn)了。因此，建議朋友在拆機(jī)前先測(cè)一下原機(jī)的驅(qū)動(dòng)波形。
這種步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為正負(fù)交替的脈沖信號(hào)。脈沖寬度需要有個(gè)合理的范圍，拆機(jī)時(shí)沒有先用示波器測(cè)一下，只好自己       湊了。不過，就算測(cè)了也只能供參考，因?yàn)樵瓩C(jī)是1.5V供電的，現(xiàn)在改成3V，脈寬肯定需要調(diào)窄，理論上升到2倍電壓后脈寬應(yīng)是原來的1/4.我的這個(gè)馬達(dá)       用12ms脈寬驅(qū)動(dòng)，工作得很Happy.朋友自己制作時(shí)可以自行調(diào)整MOTOR_PULSE_DUTY。

為了實(shí)現(xiàn)正負(fù)極性的交替，使用了2個(gè)IO端口，輸出兩路移相的方波信號(hào).兩路方波信號(hào)之間的相差即為脈沖寬度。當(dāng)鐘面顯示的時(shí)間同實(shí)際時(shí)間有偏差時(shí)，需要改變脈沖周期以調(diào)整電機(jī)速度，使兩者趨于一致。機(jī)芯驅(qū)動(dòng)使用了TimeA的通道1，在其中斷服務(wù)中實(shí)現(xiàn)

#pragma vector=TIMER0_A1_VECTOR
__interrupt void Motor_drv_ISR(void)
{
if (TACCTL1 & CCIFG) {
// 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，一個(gè)周期分4個(gè)Stage，電機(jī)走2步。
// S1，S3提供動(dòng)力輸出。
// ------
// | S1 |
// | |
// --------------| |--------------| |
// S0 S2 | |
// | |
// ------
// S3
static uint8 ucStage = 0; //步進(jìn)電機(jī)每走一步分2個(gè)stage。
uint16 wS0S2; //S0,S2時(shí)間長(zhǎng)度
TACCTL1 &= ~CCIFG; //清中斷
if (ucStage == 2 * STEP_1S - 1) {
//每秒末進(jìn)入此處
ucStage = 0;
s_wDisplaySecond++;
if (s_wDisplaySecond >= ((uint16)12 * 3600))
s_wDisplaySecond = 0;
}
else
ucStage++;
//先假定鐘面時(shí)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(shí))
wS0S2 = ((uint16)12 * 3600) - (s_wRealSecond - s_wDisplaySecond);
//如果算下來"快"了9小時(shí)以內(nèi)，認(rèn)為其確實(shí)"快"了，否則認(rèn)為實(shí)際是"慢"了3小時(shí)不到。
//之所以不以6小時(shí)分界，是因?yàn)椴竭M(jìn)馬達(dá)可以無限放慢，有限地加快。
if (wS0S2 < 2) //偏快不多，正常運(yùn)行
wS0S2 = MOTOR_PERIOD - MOTOR_PULSE_DUTY; //正常運(yùn)行
else if (wS0S2 < ((uint16)9 * 3600)) //偏快，降速運(yùn)行
wS0S2 = MOTOR_PERIOD_SLOW - MOTOR_PULSE_DUTY;
else //偏慢，加速運(yùn)行
wS0S2 = MOTOR_PERIOD_FAST - MOTOR_PULSE_DUTY;
//步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)4個(gè)stage一個(gè)循環(huán)，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(fù)制代碼

使用方法    由于系統(tǒng)無法讀取鐘面顯示的時(shí)間，因此在系統(tǒng)上電啟動(dòng)時(shí)，必須先把鐘面撥到00:00:00的默認(rèn)位置.上電時(shí)，MCU默認(rèn)為       鐘面顯示時(shí)間和系統(tǒng)實(shí)際時(shí)間為00:00:00.系統(tǒng)在00:00:02啟動(dòng)BPC對(duì)時(shí)，對(duì)時(shí)成功后，“實(shí)際時(shí)間”就準(zhǔn)確了，這時(shí)，從UART輸出的守時(shí)信號(hào)也是準(zhǔn)確的了。       但鐘面時(shí)間需要一段時(shí)間后才能逐步同實(shí)際時(shí)間一致。以后，系統(tǒng)會(huì)在每天的00:00:02和12:00:02各啟動(dòng)BPC對(duì)時(shí)一次，如果對(duì)時(shí)成功或20分鐘內(nèi)不能對(duì)時(shí)       則自動(dòng)關(guān)閉BPC模塊以節(jié)約電池。對(duì)時(shí)成功，照明等會(huì)點(diǎn)亮2秒。
在每天的17:00-21:00, 05:00-9:00兩個(gè)時(shí)段內(nèi)是BPC發(fā)射臺(tái)是關(guān)閉的，在這兩個(gè)時(shí)段內(nèi)開機(jī)是無法對(duì)時(shí)的。
系統(tǒng)提供了一個(gè)按鈕，短按按鈕可以點(diǎn)燈5秒，以便夜間照明。長(zhǎng)按2秒以上可以立即打開BPC對(duì)時(shí)，對(duì)時(shí)成功或5分鐘內(nèi)不成功       則自動(dòng)關(guān)閉BPC模塊。這些業(yè)務(wù)邏輯都在主程序中實(shí)現(xiàn)。

  實(shí)物圖

原理圖 JI為下載接口。MSP430G2211晶振匹配電容內(nèi)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(shù): 290)

ID:116826 · 發(fā)表于 2017-10-12 09:52

一直對(duì)電波授時(shí)很感興趣，感謝樓主費(fèi)心分享！

ID:237243 · 發(fā)表于 2017-10-19 00:18

lyxxzrb 發(fā)表于 2017-10-12 09:52
一直對(duì)電波授時(shí)很感興趣，感謝樓主費(fèi)心分享！

很強(qiáng)啊

ID:207388 · 發(fā)表于 2017-10-20 08:44

感謝樓主的分享，這個(gè)很好

ID:107522 · 發(fā)表于 2018-2-16 21:37

bCurPulsePolarity

ID:78901 · 發(fā)表于 2018-3-29 19:24

一直對(duì)電波授時(shí)很感興趣，感謝樓主費(fèi)心分享！

ID:51443 · 發(fā)表于 2018-4-4 18:20

要把普通萬年歷改電波授時(shí)會(huì)有難度

ID:51443 · 發(fā)表于 2018-4-4 18:44

能不能把普通萬年歷改成電波授時(shí)？

ID:51443 · 發(fā)表于 2018-4-4 18:45

能不能把普通萬年歷改成電波授時(shí)？

ID:335118 · 發(fā)表于 2018-5-21 23:09

想做一個(gè)電波鐘有資料了

ID:252798 · 發(fā)表于 2018-5-22 08:47

值得收藏的寶貴資料

ID:293292 · 發(fā)表于 2018-5-22 10:44

很強(qiáng)，收藏一下

ID:78901 · 發(fā)表于 2018-8-6 22:48

能不能把普通萬年歷改成電波授時(shí)？

ID:16255 · 發(fā)表于 2018-8-7 11:20

學(xué)習(xí)一下

ID:426296 · 發(fā)表于 2018-11-16 12:58

感謝樓主的分享，這個(gè)很好

ID:167657 · 發(fā)表于 2019-1-29 11:10

謝謝，正好需要

ID:430492 · 發(fā)表于 2019-2-13 16:43

這么詳細(xì)的資料分享，贊一個(gè)！！

ID:430492 · 發(fā)表于 2019-2-13 16:44

感謝樓主的分享，這個(gè)很好！

ID:12816 · 發(fā)表于 2019-6-12 13:09

我們用不上電波

ID:562484 · 發(fā)表于 2019-6-14 12:24

學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)，謝謝分享

ID:105826 · 發(fā)表于 2019-9-12 11:42

感謝樓主分享，讓大家對(duì)電波對(duì)時(shí)有了更多的認(rèn)識(shí)，樓主動(dòng)手能力不錯(cuò)。

ID:493097 · 發(fā)表于 2020-2-18 15:11

學(xué)習(xí)中，謝謝lz分享

ID:701816 · 發(fā)表于 2020-4-5 17:36

很好的資料，感謝樓主的分享!!!

ID:889283 · 發(fā)表于 2021-3-7 17:43

很好的參考資料

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電波校時(shí)鐘

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