自制VFD电波钟(A Brief Introduction Of Radio Controlled Clock AND Its Appliciations)

文档标识符:Radio_Controlled_Clock_T-D-P11

作者:DLHC

最后修改日期:2021.10.2

本文链接:https://www.cnblogs.com/DLHC-TECH/p/Radio_Controlled_Clock_T-D-P11.html

 

前言

     如何获取准确的时间?古人通过观察太阳在天空的方位获取当前的时间,这种方法所获取的时间很粗略,但是它仍然被许多求生者使用。现代社会对时间的准确性、同步性要求很高。比如说你9月10日去坐火车,但是由于你手机的时间慢了20分钟,你成功地错过了火车(但现在这很少发生)。有没有一种方法可以使"时间"以光速传播?

     无线电在20世纪初开始得到应用,最初用于军事、船舶导航和通信,那么无线电与时间有什么关系?我们知道无线电可以传播信息,如果有一些机构拥有准确的时间,那么他们就可以将编码了时间的信息调制到一定频率的无线电波上,并且发射出去,使一定区域内的用户可以捕获此信号并解码出当前准确的时间,这一过程的误差为发射到解码的时间差。目前所广泛使用的授时方法有:卫星授时、网络授时、无线电广播授时和电波钟。本文所讨论的就是一种基于无线电低频时码授时的方法----电波钟(Radio Controlled Clock或简称RCC)。

     在我国,电波钟的知名度似乎不太高(火腿除外),但是它的应用却非常广泛:BPC挂钟、手表自动更新时间等。中国在河南商丘修建了100kW中国商丘低频时码信号发播台(以下简称BPC)[1],发射频率为68.5KHz[1],发播时间:9:00—17:00,21:00—5:00[1],其覆盖范围见图0.0,中国大部分地区以及周边邻国可以接收到该信号。为什么要使用68.5KHz的频率?68.5KHz位于长波[2]波段,长波可以通过天波----即电离层[3]反射的方式传播,其传播范围很广。

     除中国外(中国不是第一个应用此项技术的国家),也有其他国家使用电波钟授时,包括:德国、英国、日本和美国,详细见表0.0

图0.0-中国商丘低频时码信号发射台覆盖范围示意图

国家/地区 坐标 发射站名称 发射频率(KHz) 发射功率(KW) 发射时间
中国/商丘 33° 43'N, 114° 49'E BPC 68.5K 100KW 09-17&21-05
德国/Mainflingen 50° 01'N, 09° 00'E DCF 77 77.5K 50KW 全天
瑞士/Prangins 46° 24'N, 06° 15'E HBG 75K 20KW 全天
英国/Rugby 52° 22'N, 01° 11'W MSF[9] 60K 50KW 全天(部分时间有短暂中断)
美国/Fort Collins/Colorado 40° 40'N, 105° 03' W WWVB 60K 50KW 全天
日本/福岛县 37° 22'N, 140° 51'E JJY40 40K 50KW 全天
日本/福岗, 佐贺县 33° 28'N, 130° 11'E JJY60 60K 50KW 全天

表0.0-世界各国电波钟一览[4]

 

三个接收并解码BPC的方法

     方法一:通过SDR和调谐到68.5KHz的天线即可完成接收和解码,最简单。

     方法二:DIY接收部分的电路和天线以及单片机解码系统,最复杂,可以参考这里

     方法三:使用集成电路模块(CME6005)和调谐到68.5KHz的天线(仔细看,此天线由电容和电感以及插入在电感中间的磁棒构成)以及单片机解码,比方法二简单,并且可以探索BPC编码方式,本文将采用此方法

图1.0-CME6005模块(正)

图1.1-CME6005模块(反)(反面的丝印竟然也是反的?!)

 

 BPC编码机制

     BPC的编码方法相当简单:每1分钟发送3帧数据,每1帧数据由20个片段组成(只有19个片段包涵了有效信息),每1个片段由长为1s的脉冲构成[6]。

                                  每一帧数据包含了“” “” “” “星期” “上下午” “” “” “”以及“校验位”,相邻的帧之间使用1个空白的片段间隔[6],理论上1分钟可以解码出3次时间。

                                  信息编码在这些1s的脉冲中,脉宽0.1s0.2s0.3s0.4s分别对应四进制0123。采用四进制编码可以很方便地将信息进行拓展为二进制,这种方法叫做码位复用,详见表1.0[6]。注意不同的位有不同的权值,见图2.0

     具体编码机制:以帧为单位进行分析,同时分析1分钟内3帧的差别,详见表1.1与图1.0。理论上,1分钟内的3帧只有“帧号”和“校验位”不同,其他位均相同。

四进制 二进制
0 00
1 01
2 10
3                                                                                                    11                                                                                                 

 表1.0-四进制与二进制的转换关系 

序号 名称 四进制位数 等效二进制位数 表示范围(DEC) 说明 备注
1 帧号 1 2 无意义

 0表示第1秒,1表示第21秒,2表示第41秒

 通过这一位可以判断当前时间的秒位
2 保留 1 2 无意义  未使用位,暂无意义(目前恒为四进制"0") 为未来升级BPC编码预留
3 小时 2 4 0~11  转换为十进制表示当前时间的小时位  有效数据
4 分钟 3 6 0~59  转换为十进制表示当前时间的分钟位  有效数据
5 星期 2 4 1~7  转换为十进制表示当前时间的星期位  有效数据
6 午别&校验 1 2 无意义  将此位四进制数转换为两位二进制数,高位表示上下午,0表示上午,1表示下午;低位为帧的第0位至第8位的校验(帧的第一位记为0)----将其转换为二进制后,有奇数个1为1,有偶数个1为0  指示上下午,并对此帧前半部分的数据进行校验
7 3 6 1~31  转换为十进制表示当前时间的日期位  有效数据
8 2 4 1~12  转换为十进制表示当前时间的月份位  有效数据
9 年(低6位(Bin)) 3 6 0~63  加上年的最高位(此时表示范围拓宽到0~127)并转换为十进制后加上2000即表示当前时间的年份位,按照这样编码,BPC最久可以用到2127年末  有效数据
10 保留&校验 1 2 无意义  将此位四进制数转换为两位二进制数,高位表示年的最高位(目前恒为四进制"0");低位为帧的第10位至第17位的校验(帧的第一位记为0)--有奇数个1为1,有偶数个1为0  拓宽年份的表示范围,并对此帧后半部分的数据进行校验
11 帧起始预告位 1 2 无意义  未使用位(缺少脉冲,NTCO引脚输出1s的低电平)  分隔相邻的帧

表1.1-BPC帧格式[6][7][8]

图2.0-BPC帧格式图解[8]

图2.1-一个BPC编解码实例[7]

 

实际上应该如何解码BPC

     最简单的解码方法莫过于使用微控制器,通过对微控制器进行编程,使其检测BPC发送信号的脉宽(实际上,CME6005模块从天线接收BPC信号,并将解调后的信号交给微控制器解码),从而识别出每段片段对应的码值。接收完一帧数据后,就可以解码出相应的时间。

     但是,实际情况并没有这么简单。无线电在传播过程中会有一定程度的衰减,加上环境中的电磁干扰,以及地理位置和天线等诸多因素,你所接收到的BPC信号可能会存在一定的误差,这时候我们就需要使用校验位对数据帧进行校验。

     综上,对解码提出以下要求:

1.实现对时、分、年、月、日、星期的解码。

2.实现秒指示。

3.实现数据纠错。

 

听一听电波钟的声音

     将CME6005模块反相输出的解调后的BPC信号经过音频功率放大,驱动无源蜂鸣器发声。

     CME6005模块包含了CME6005电波钟集成电路、调谐到68.5KHz的磁棒天线以及外围分立元件。模块引出了电源PONNTCO四个引脚。PON为工作模式选择引脚,NTCO为解调后的信号的反向输出引脚,CME6005框图如图3.0所示。模块工作电压1.2v~~5.5v,休眠电流0.03uA,最大工作电流120uA[4]。

     以下是原文对CME6005集成电路的描述:CME6005 是一款高度集成的 BI-CMOS 低频接收解码芯片。 这一款高灵敏度,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 内含了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、使 CME6005 成为一个极理想的无线电波方案。[4]

     功放采用TBA820M,乙类功放,供电电压3v~~16v,最大输出功率为2w。引脚定义和典型电路如图3.1图3.2所示。

     实际测试中,会出现两种情况。第一种,蜂鸣器持续发出噼~噼~啪~啪的声音,并且时而密集,时而稀疏,可以想象成一大串鞭炮爆炸的场景。这种情况是无效的,没有有效的电波钟数据输出。第二种,蜂鸣器发出的声音呈现特定规律,例如:噼~噼~噼~安静| 噼~噼~安静| 噼~噼~噼~噼~安静,并且周期为1s。此时接收到的是有效的电波钟原始数据,解码该数据就可以获得当前时间。

     实际测试中,户外可以接收到有效数据,室内偶尔也可以接收到有效数据,但是接收到无效数据(上述第一种情况)的几率似乎更大(测试地点:四川)

图3.0-CME6005框图[4]

图3.1-TBA820M引脚定义[10]

图3.2-TBA820M典型电路[10]

 图3.3-实验电路(正)

图3.4-实验电路(反) 

 

简单地看一下电波钟的波形

     如果没有逻辑分析仪,可以使用单片机读取NTCO引脚电平状态并通过串口发回。如果每20ms采样一次,通信的波特率为500bps(8位数据位-1位起始位-1位停止位),使用51单片机就可以实现。如果20ms采样一次,每秒可以采样50次,NTCO的最短高电平时间为100ms,理论上可以实现波形的复现而不失真。下图即为一次调试过程中获得的波形数据。

图4.0-串口发回的时长为20s的波形(看不出规律是正常的)

 

获取BPC有效数据并解码

     单片机每10ms对NTCO引脚采样一次,为了获取一帧有效数据,需要完成以下步骤:

  1.检测帧起始标志位,即:长达1s的低电平(实际上NTCO引脚存在由外界干扰所产生的噪声,所以应该设立一个阈值,超过该阈值则判定其为帧起始标志位)。

  2.检测到帧起始标志位后,通过定时采样NTCO引脚以获取有效数据(为了消除噪声带来的影响,应该设立一个阈值,以判断有效数据的四进制状态)。

  3.校验获取的数据,并将其按照一定格式转换为时间。

     以图5.0最后一组数据为例,详细介绍如何将获取到的有效数据转换为时间。

     最后一组数据为“0 0 1 3 1 1 1 1 0 3 0 2 0 2 2 1 1 0 1”,下面演示如何解码原始数据。

     0:第1秒

     0:保留位,恒为0

   13:时,4+3+12=19

 111:分,16+4+1=21

   10:星期,4+0=4

     3:高位为1,表示下午;低位为1,表示奇检验。

020:日,0+8+0=8

  22:月,8+2=10

110:年,16+4+0+2000=2020

     1:高位为0,即年的最高位为0;低位为1,表示奇校验。

     具体的程序见github。

图5.0-实际获取的有效数据

图5.1-解码出的时间(图中所示的“第一段校验错误”有Bug,已经得到修复)

 

 一些测试数据

     下面是一组测试数据(目前为止表现最好的一组):

/****************************************(引用请注明出处)

测试地点:室内

测试条件:图3.3所示电路,下述github中的解码算法
开始时间:XXXX.X.XX.22.43
结束时间:XXXX.X.XX.23.19
时长:36mins

接收到的帧数:   90
通过校验的帧数:66
解码成功的帧数:39

解码率:           83.33%
解码成功率:   43.33%
总解码成功率:36.11%

****************************************/(引用请注明出处)

     以上数据表明在夜晚(记住,在夜晚)(且周围电磁环境较好时),每接收到300帧数据,可以成功解码108帧数据(听起来不错);或者每过100分钟,就可以成功解码108帧数据,平均每分钟可以成功校准一次时间(听起来很不错)。

     但是,实际上解码成功率取决于很多因素,诸如:电磁环境天线无线电解调模块解码算法等等等......所以,以上数据仅供参考。

     此算法只是实现了解码,但实际工作过程中并不太鲁棒

 

 IV-3A荧光管电波钟

     IV-3A是前苏联生产的荧光管,全称真空荧光显示(VFD)。它和LED数码管有很大的区别。首先,LED数码管由半导体材料制成(一种特殊的二极管,二极管是PN结),而VFD是一种真空管(古老但结实的技术)。其次,LED数码管工作电压较低,而使用VFD则需要提供两组较高的电压(+1V的灯丝加热电压 和 +20V的电网电压以及阳极段电压)。最后,LED数码管很便宜,但是VFD要贵一些(大概10元一只,因为这种VFD已经比较少了)。关于IV-3A的更多信息,请参考这篇文章

     你可能已经知道了我的想法,利用电波钟模块做一个漂亮的VFD电波钟。没错,下面讨论一下具体的实现方法

         1.使用4个IV-3A荧光管显示当前的小时和分钟,STM32通过4个74HC573(8位锁存器)锁存各VFD管的段数据,74HC573通过MOSFET(1N50C)驱动VFD(74HC573使用3.3v数字逻辑电压通过N沟道MOSFET控制+20V高压)。本方法的缺点是需要4片74HC573和32个MOS管,占用STM32 12个IO口。

         2.使用2片MAX6921串行接口的VFD管驱动器IC驱动VFD管。本方法的缺点是一片MAX6921要30元,优点是只需两片6921,占用STM32 4个IO口。(这个芯片可在淘宝上买到,但封装对DIY玩家不太友好(不好焊接))

     考虑到成本和开发难度,我决定采用方法一。同时,硬件上设计一个‘校准开关’和一个‘VFP显示开关’,并设计一个‘秒指示’LED‘校准状态’LED以指示系统的运行状态。硬件上,系统由+9v直流电源供电,板载的稳压模块和稳压芯片将+9v电压转换为+0.8v(使用降压模块)、+3.3v(使用稳压芯片ASM1117 3.3)、+5v(使用稳压芯片7805)和+20v(使用升压模块)电压提供给系统上的数字部分和模拟部分电路,主控制器使用STM32F103C8T6最小系统模块。

图6.0-IV-3A图片(正)

图6.1-IV-3A图片(反)

图6.2-IV-3A点亮后

图6.2-IV-3A数据手册(一)(翻译后)

图6.3-IV-3A数据手册(二)(翻译后)

图6.4-方法一的评估电路图

 图6.5-完成后的电波钟

图6.6-白天点亮的效果

图6.7-夜间点亮的效果

 

 github

     程序和部分参考资料见github:https://github.com/HaochuanDeng/Radio-Controlled-Clock_BPC-China

 

Acknowledgment

[1]XNY Electronic(淘宝店铺,老板热心地提供了模块资料)

 

References

[1]电波钟;https://baike.baidu.com/item/%E7%94%B5%E6%B3%A2%E9%92%9F/1809735?fr=aladdin

[2]长波;https://baike.baidu.com/item/%E9%95%BF%E6%B3%A2

[3]电离层;https://baike.baidu.com/item/%E7%94%B5%E7%A6%BB%E5%B1%82#10

[4]世界各国电波钟详情;CME6005-A11_datasheet

[5]BPC;https://baike.baidu.com/item/bpc

[6]BPC授时编码专利;

[7]BPC电波授时编码详细格式;

[8]电波钟;周胜锋

[9]Time from NPL (MSF);https://en.wikipedia.org/wiki/Time_from_NPL_(MSF)

[10]TBA820M_datasheet;SGS-THOMSON

[11]Playing around with a IV-3A VFD tube;https://zw-ix.nl/blog/tag/iv3-a-datasheet/

 

声明

     本文未经DLHC允许,禁止转载。DLHC保留所有权利。

posted @ 2020-10-12 20:25  DLHC  阅读(3095)  评论(18编辑  收藏  举报