電波校時(shí)鐘的制作

簡介：

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。

BPC模塊上用到的引腳有4條。

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; } }

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?？偣?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（）; }

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。為了測定晶振實(shí)際工作 頻率，可測量一段時(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)沒有先用示波器測一下，只好自己 湊了。不過，就算測了也只能供參考，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（石英鐘機(jī)芯馬達(dá)不分極性直接連在這兩個(gè)端口上就行了），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（）; }

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

責(zé)任編輯：wv