管理

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“秒” “时” “分” “星期” “上下午” “日” “月” “年”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0.1s、0.2s、0.3s、0.4s分别对应四进制0、1、2、3。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	日	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	月	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、地、PON和NTCO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和图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和‘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。