自制VFD電波鍾(A Brief Introduction Of Radio Controlled Clock AND Its Appliciations)

本文轉載自查看原文 2020-10-12 20:25 2265 BPC/ DIY/ VFD/ 項目/ 電波鍾/ IV3A/ 自制

文檔標識符：Radio_Controlled_Clock_T-D-P11

作者：DLHC

最后修改日期：2021.10.2

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

前言

如何獲取准確的時間？古人通過觀察太陽在天空的方位獲取當前的時間，這種方法所獲取的時間很粗略，但是它仍然被許多求生者使用。現代社會對時間的准確性、同步性要求很高。比如說你9月10日去坐火車，但是由於你手機的時間慢了20分鍾，你成功地錯過了火車(但現在這很少發生)。有沒有一種方法可以使"時間"以光速傳播？

無線電在20世紀初開始得到應用，最初用於軍事、船舶導航和通信，那么無線電與時間有什么關系？我們知道無線電可以傳播信息，如果有一些機構擁有准確的時間，那么他們就可以將編碼了時間的信息調制到一定頻率的無線電波上，並且發射出去，使一定區域內的用戶可以捕獲此信號並解碼出當前准確的時間，這一過程的誤差為發射到解碼的時間差。目前所廣泛使用的授時方法有：衛星授時、網絡授時、無線電廣播授時和電波鍾。本文所討論的就是一種基於無線電低頻時碼授時的方法----電波鍾(Radio Controlled Clock或簡稱RCC)。

在我國，電波鍾的知名度似乎不太高(火腿除外)，但是它的應用卻非常廣泛：BPC掛鍾、手表自動更新時間等。中國在河南商丘修建了100kW中國商丘低頻時碼信號發播台(以下簡稱BPC)[1]，發射頻率為68.5KHz[1]，發播時間：9：00—17：00，21：00—5：00[1]，其覆蓋范圍見圖0.0，中國大部分地區以及周邊鄰國可以接收到該信號。為什么要使用68.5KHz的頻率？68.5KHz位於長波[2]波段，長波可以通過天波----即電離層[3]反射的方式傳播，其傳播范圍很廣。

除中國外(中國不是第一個應用此項技術的國家)，也有其他國家使用電波鍾授時，包括：德國、英國、日本和美國，詳細見表0.0。

圖0.0-中國商丘低頻時碼信號發射台覆蓋范圍示意圖

國家/地區	坐標	發射站名稱	發射頻率(KHz)	發射功率(KW)	發射時間
中國/商丘	33° 43'N, 114° 49'E	BPC	68.5K	100KW	09-17&21-05
德國/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
英國/Rugby	52° 22'N, 01° 11'W	MSF[9]	60K	50KW	全天(部分時間有短暫中斷)
美國/Fort Collins/Colorado	40° 40'N, 105° 03' W	WWVB	60K	50KW	全天
日本/福島縣	37° 22'N, 140° 51'E	JJY40	40K	50KW	全天
日本/福崗, 佐賀縣	33° 28'N, 130° 11'E	JJY60	60K	50KW	全天

表0.0-世界各國電波鍾一覽[4]

三個接收並解碼BPC的方法

方法一：通過SDR和調諧到68.5KHz的天線即可完成接收和解碼，最簡單。

方法二：DIY接收部分的電路和天線以及單片機解碼系統，最復雜，可以參考這里。

方法三：使用集成電路模塊(CME6005)和調諧到68.5KHz的天線(仔細看，此天線由電容和電感以及插入在電感中間的磁棒構成)以及單片機解碼，比方法二簡單，並且可以探索BPC編碼方式，本文將采用此方法。

圖1.0-CME6005模塊(正)

圖1.1-CME6005模塊(反)(反面的絲印竟然也是反的？！)

BPC編碼機制

BPC的編碼方法相當簡單：每1分鍾發送3幀數據，每1幀數據由20個片段組成（只有19個片段包涵了有效信息），每1個片段由長為1s的脈沖構成[6]。

每一幀數據包含了“秒” “時” “分” “星期” “上下午” “日” “月” “年”以及“校驗位”，相鄰的幀之間使用1個空白的片段間隔[6]，理論上1分鍾可以解碼出3次時間。

信息編碼在這些1s的脈沖中，脈寬0.1s、0.2s、0.3s、0.4s分別對應四進制0、1、2、3。采用四進制編碼可以很方便地將信息進行拓展為二進制，這種方法叫做碼位復用，詳見表1.0[6]。注意不同的位有不同的權值，見圖2.0。

具體編碼機制：以幀為單位進行分析，同時分析1分鍾內3幀的差別，詳見表1.1與圖1.0。理論上，1分鍾內的3幀只有“幀號”和“校驗位”不同，其他位均相同。

四進制	二進制
0	00
1	01
2	10
3	11

表1.0-四進制與二進制的轉換關系

序號	名稱	四進制位數	等效二進制位數	表示范圍(DEC)	說明	備注
1	幀號	1	2	無意義	0表示第1秒，1表示第21秒，2表示第41秒	通過這一位可以判斷當前時間的秒位
2	保留	1	2	無意義	未使用位，暫無意義(目前恆為四進制"0")	為未來升級BPC編碼預留
3	小時	2	4	0~11	轉換為十進制表示當前時間的小時位	有效數據
4	分鍾	3	6	0~59	轉換為十進制表示當前時間的分鍾位	有效數據
5	星期	2	4	1~7	轉換為十進制表示當前時間的星期位	有效數據
6	午別&校驗	1	2	無意義	將此位四進制數轉換為兩位二進制數，高位表示上下午，0表示上午，1表示下午；低位為幀的第0位至第8位的校驗(幀的第一位記為0)----將其轉換為二進制后，有奇數個1為1，有偶數個1為0	指示上下午，並對此幀前半部分的數據進行校驗
7	日	3	6	1~31	轉換為十進制表示當前時間的日期位	有效數據
8	月	2	4	1~12	轉換為十進制表示當前時間的月份位	有效數據
9	年(低6位(Bin))	3	6	0~63	加上年的最高位(此時表示范圍拓寬到0~127)並轉換為十進制后加上2000即表示當前時間的年份位，按照這樣編碼，BPC最久可以用到2127年末	有效數據
10	保留&校驗	1	2	無意義	將此位四進制數轉換為兩位二進制數，高位表示年的最高位(目前恆為四進制"0")；低位為幀的第10位至第17位的校驗(幀的第一位記為0)--有奇數個1為1，有偶數個1為0	拓寬年份的表示范圍，並對此幀后半部分的數據進行校驗
11	幀起始預告位	1	2	無意義	未使用位(缺少脈沖,NTCO引腳輸出1s的低電平)	分隔相鄰的幀

表1.1-BPC幀格式[6][7][8]

圖2.0-BPC幀格式圖解[8]

圖2.1-一個BPC編解碼實例[7]

實際上應該如何解碼BPC

最簡單的解碼方法莫過於使用微控制器，通過對微控制器進行編程，使其檢測BPC發送信號的脈寬(實際上，CME6005模塊從天線接收BPC信號，並將解調后的信號交給微控制器解碼)，從而識別出每段片段對應的碼值。接收完一幀數據后，就可以解碼出相應的時間。

但是，實際情況並沒有這么簡單。無線電在傳播過程中會有一定程度的衰減，加上環境中的電磁干擾，以及地理位置和天線等諸多因素，你所接收到的BPC信號可能會存在一定的誤差，這時候我們就需要使用校驗位對數據幀進行校驗。

綜上，對解碼提出以下要求：

1.實現對時、分、年、月、日、星期的解碼。

2.實現秒指示。

3.實現數據糾錯。

聽一聽電波鍾的聲音

將CME6005模塊反相輸出的解調后的BPC信號經過音頻功率放大，驅動無源蜂鳴器發聲。

CME6005模塊包含了CME6005電波鍾集成電路、調諧到68.5KHz的磁棒天線以及外圍分立元件。模塊引出了電源、地、PON和NTCO四個引腳。PON為工作模式選擇引腳，NTCO為解調后的信號的反向輸出引腳，CME6005框圖如圖3.0所示。模塊工作電壓1.2v~~5.5v，休眠電流0.03uA，最大工作電流120uA[4]。

以下是原文對CME6005集成電路的描述：CME6005 是一款高度集成的 BI-CMOS 低頻接收解碼芯片。這一款高靈敏度，低功耗的芯片能解調多國電波信號包括美國 (WWVB)、德國(DCF77)、日本(JJY40 和 JJY60)、英國(MSF)和瑞士(HBG)。 CME6005 內含了一個獨特的雙頻晶體補償功能、單/雙頻電波接收功能、 AGC鎖定功能、使 CME6005 成為一個極理想的無線電波方案。[4]

功放采用TBA820M，乙類功放，供電電壓3v~~16v，最大輸出功率為2w。引腳定義和典型電路如圖3.1和圖3.2所示。

實際測試中，會出現兩種情況。第一種，蜂鳴器持續發出噼~噼~啪~啪的聲音，並且時而密集，時而稀疏，可以想象成一大串鞭炮爆炸的場景。這種情況是無效的，沒有有效的電波鍾數據輸出。第二種，蜂鳴器發出的聲音呈現特定規律，例如：噼~噼~噼~安靜| 噼~噼~安靜| 噼~噼~噼~噼~安靜，並且周期為1s。此時接收到的是有效的電波鍾原始數據，解碼該數據就可以獲得當前時間。

實際測試中，戶外可以接收到有效數據，室內偶爾也可以接收到有效數據，但是接收到無效數據(上述第一種情況)的幾率似乎更大(測試地點：四川)

圖3.0-CME6005框圖[4]

圖3.1-TBA820M引腳定義[10]

圖3.2-TBA820M典型電路[10]

圖3.3-實驗電路(正)

圖3.4-實驗電路(反)

簡單地看一下電波鍾的波形

如果沒有邏輯分析儀，可以使用單片機讀取NTCO引腳電平狀態並通過串口發回。如果每20ms采樣一次，通信的波特率為500bps(8位數據位-1位起始位-1位停止位)，使用51單片機就可以實現。如果20ms采樣一次，每秒可以采樣50次，NTCO的最短高電平時間為100ms，理論上可以實現波形的復現而不失真。下圖即為一次調試過程中獲得的波形數據。

圖4.0-串口發回的時長為20s的波形(看不出規律是正常的)

獲取BPC有效數據並解碼

單片機每10ms對NTCO引腳采樣一次，為了獲取一幀有效數據，需要完成以下步驟：

1.檢測幀起始標志位，即：長達1s的低電平(實際上NTCO引腳存在由外界干擾所產生的噪聲，所以應該設立一個閾值，超過該閾值則判定其為幀起始標志位)。

2.檢測到幀起始標志位后，通過定時采樣NTCO引腳以獲取有效數據(為了消除噪聲帶來的影響，應該設立一個閾值，以判斷有效數據的四進制狀態)。

3.校驗獲取的數據，並將其按照一定格式轉換為時間。

以圖5.0最后一組數據為例，詳細介紹如何將獲取到的有效數據轉換為時間。

最后一組數據為“0 0 1 3 1 1 1 1 0 3 0 2 0 2 2 1 1 0 1”，下面演示如何解碼原始數據。

0：第1秒

0：保留位，恆為0

13：時，4+3+12=19

111：分，16+4+1=21

10：星期，4+0=4

3：高位為1，表示下午；低位為1，表示奇檢驗。

020：日，0+8+0=8

22：月，8+2=10

110：年，16+4+0+2000=2020

1：高位為0，即年的最高位為0；低位為1，表示奇校驗。

具體的程序見github。

圖5.0-實際獲取的有效數據

圖5.1-解碼出的時間(圖中所示的“第一段校驗錯誤”有Bug，已經得到修復)

一些測試數據

下面是一組測試數據(目前為止表現最好的一組)：

/****************************************(引用請注明出處)

測試地點：室內

測試條件：圖3.3所示電路，下述github中的解碼算法
開始時間：XXXX.X.XX.22.43
結束時間：XXXX.X.XX.23.19
時長：36mins

接收到的幀數： 90
通過校驗的幀數：66
解碼成功的幀數：39

解碼率： 83.33%
解碼成功率： 43.33%
總解碼成功率：36.11%

****************************************/(引用請注明出處)

以上數據表明在夜晚(記住，在夜晚)(且周圍電磁環境較好時)，每接收到300幀數據，可以成功解碼108幀數據(聽起來不錯)；或者每過100分鍾，就可以成功解碼108幀數據，平均每分鍾可以成功校准一次時間(聽起來很不錯)。

但是，實際上解碼成功率取決於很多因素，諸如：電磁環境、天線、無線電解調模塊、解碼算法等等等......所以，以上數據僅供參考。

此算法只是實現了解碼，但實際工作過程中並不太魯棒。

IV-3A熒光管電波鍾

IV-3A是前蘇聯生產的熒光管，全稱真空熒光顯示(VFD)。它和LED數碼管有很大的區別。首先，LED數碼管由半導體材料制成(一種特殊的二極管，二極管是PN結)，而VFD是一種真空管(古老但結實的技術)。其次，LED數碼管工作電壓較低，而使用VFD則需要提供兩組較高的電壓(+1V的燈絲加熱電壓和 +20V的電網電壓以及陽極段電壓)。最后，LED數碼管很便宜，但是VFD要貴一些(大概10元一只，因為這種VFD已經比較少了)。關於IV-3A的更多信息，請參考這篇文章。

你可能已經知道了我的想法，利用電波鍾模塊做一個漂亮的VFD電波鍾。沒錯，下面討論一下具體的實現方法。

1.使用4個IV-3A熒光管顯示當前的小時和分鍾，STM32通過4個74HC573(8位鎖存器)鎖存各VFD管的段數據，74HC573通過MOSFET(1N50C)驅動VFD(74HC573使用3.3v數字邏輯電壓通過N溝道MOSFET控制+20V高壓)。本方法的缺點是需要4片74HC573和32個MOS管，占用STM32 12個IO口。

2.使用2片MAX6921串行接口的VFD管驅動器IC驅動VFD管。本方法的缺點是一片MAX6921要30元，優點是只需兩片6921，占用STM32 4個IO口。(這個芯片可在淘寶上買到，但封裝對DIY玩家不太友好(不好焊接))

考慮到成本和開發難度，我決定采用方法一。同時，硬件上設計一個‘校准開關’和一個‘VFP顯示開關’，並設計一個‘秒指示’LED和‘校准狀態’LED以指示系統的運行狀態。硬件上，系統由+9v直流電源供電，板載的穩壓模塊和穩壓芯片將+9v電壓轉換為+0.8v(使用降壓模塊)、+3.3v(使用穩壓芯片ASM1117 3.3)、+5v(使用穩壓芯片7805)和+20v(使用升壓模塊)電壓提供給系統上的數字部分和模擬部分電路，主控制器使用STM32F103C8T6最小系統模塊。