簡介：

手頭有一個項目，需要一個“精確”的頻率計，作為DIY一族，準備動手制作一個。在制作頻率計之前，需要一個 能精確測量晶振頻率的東西。之前嘗試過NTP對時，發(fā)現(xiàn)精度太差，不好使。所以準備改用電波對時。百度搜了一下，動手做電波表的朋友還真不少， 但講得不夠詳細，解碼部分還是“保密”的。只好嘗試自立更生了。

BPC電波鐘模塊

電波對時需要一個接收頭，接收授時中心發(fā)出的電波信號。我們國家的授時信號頻率為68.5Khz，發(fā)射臺在商丘。 接收頭實際上是一個窄帶信號接收器，其帶寬只有幾個赫茲，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 容易設計的，有一定無線電基礎的都可以做出來。

這里我們直接從某寶上買來一個完整的電波鐘模塊。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授時信號輸出

EN ：模塊使能（低電平使能，高電平關閉模塊）

BPC解碼和校時

電波鐘模塊輸出的BPC信號如下圖，1分鐘包含3個幀，一個BPC幀的周期為20秒，除了第“0”秒外，其余19秒每秒一個 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)，分別表示四進制的0， 1， 2， 3，現(xiàn)有的時間編碼都以二進制表示時間信息， 是為了采用微處理器解碼方便。但四進制只是數(shù)值的一種表示方式，并不影響微處理器把它作為二進制處理，或者采取簡單的變換就可將1位 四進制數(shù)變成2位二進制數(shù)。

P0設在每分鐘0，20， 40秒，以缺少秒脈沖使幀與幀隔開，同時作為幀起始預告。

P1為幀標志，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。幀標志是必需的，它用來確定整分的起始。 例如：當接收完一組包含著“10時38分”的時間編碼時，如果幀標志標明該幀為第二幀，就可以把下一幀的P1位置標定為10時38分41秒， 再過20秒便是10時39分的起始。

P2為預留位。用于需要擴充信息。

時&分表示了時間

其他各位數(shù)據(jù)在本案中沒有用到，不做詳細說明

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用。本例中， MCU大部分時間工作在約20uA的低功耗模式下。

BPC解碼軟件使用了MSP430G2211的TimeA，TimeA的計數(shù)器由32768Hz的晶振提供時鐘，從0~0xFFFF循環(huán)計數(shù)。每2秒 循環(huán)一周。BPC信號接在MCU的中斷請求上，在上下跳變沿均產(chǎn)生中斷，中斷服務程序中讀取TimerA計數(shù)器。根據(jù)脈沖寬度解碼BPC編碼的信號。 由于BPC信號的最小脈寬為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。

if （MCU_INT_GET（BPC_SIGNAL_PORT， BPC_SIGNAL_PIN）） { static uint16 wPrevToggle = 0; //前一次跳變時刻 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：負脈沖） static uint8 ucBpcBitPos = 0xFF; //BPC解碼位置，0xFF表示解碼狀態(tài)機復位 static uint8 ucBpc［2］; //BPC碼數(shù)據(jù)，只取包含“時：分：秒”信息的前面2字節(jié)。 uint16 wCurToggle; //本次跳變時刻 uint16 wCurPulseWidth; //本次脈沖寬度 uint16 wBpcSecond; //BPC解碼得到的時間秒數(shù) uint8 bCurPulsePolarity; //本次脈沖極性（1：正脈沖，0：負脈沖） uint8 ucTmp; MCU_INT_XOR_EDGE（BPC_SIGNAL_PORT， BPC_SIGNAL_PIN）; MCU_INT_CLEAR（BPC_SIGNAL_PORT， BPC_SIGNAL_PIN）; //正跳變，表示的是負脈沖（結束） 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)機復位 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)機復位 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)機復位，等待下次數(shù)據(jù) wBpcSecond = （（ucBpc［1］ 《《 2） | （ucBpc［0］ 》》 6）） & 0x0F; //小時 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校時都是準確的（沒有誤碼），守時中斷應該在BPC //信號的邊界前后，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; } }

守時信號輸出

TimerA的通道0工作在比較器模式，用作守時和UART波特率發(fā)生器。時間以12小時內(nèi)的秒數(shù)表示，從00:00:00或12:00:00 開始計數(shù)，在每秒開始時將時間讀數(shù)從UART口發(fā)出去。MSP430G2211沒有專用的UART，需要軟件實現(xiàn)。UART數(shù)據(jù)格式為8位、無校驗、1200波特率。總共 16bit數(shù)據(jù)，需要用2個字節(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實時時間通過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） { //實時時間發(fā)送完畢，準備在下一秒再次發(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（）; }

守時時鐘校準

本系統(tǒng)需要依靠標稱頻率為32768Hz晶振提供時間基準來守時，晶振負載電容對頻率有微調(diào)作用。為了測定晶振實際工作 頻率，可測量一段時間內(nèi)的積累誤差。例如在10:00:00時進行第一次BPC校時，6個小時后在16:00:00進行第二次BPC校時，用串口工具接收并打印出 第二次BPC校時前后從UART口輸出的守時信號

校時之前

【2017-10-11 15:58:47:850】CB 0D

【2017-10-11 15:58:48:850】CC 0D

校時之后

【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，在校時前后兩點（0x0E08-0x0DCC = 60秒），對應PC機系統(tǒng)時間為59:48:827-58:48:850 = 59.977秒，也就是說6小時內(nèi)積累的誤差為-0.023秒，可以忽略不計。否則可能需要調(diào)整負載電容來對頻率進行微調(diào)，或者也可以調(diào)整代碼中的 COUNT_1S的宏定義值來重新標定“1秒”。

機芯驅動

本設計初衷是要制作一個能夠準確計時（無累積誤差）的東西。因此完成守時信號輸出就OK了，但既然動了手，就準備弄個 完整的電波鐘玩玩。拆解了一個多時不用的石英鐘，只將機芯步進馬達的線圈引出，其他電路統(tǒng)統(tǒng)拆掉。這里我范了一個錯誤，本以為馬達是1秒 走一步或二步，按此設計了驅動代碼，結果馬達跑得非常別扭，走走退退，不知怎回事，弄了半天才發(fā)現(xiàn)問題所在，實際上這個機芯步進馬達是每秒16步 的，差得也太遠了。因此，建議朋友在拆機前先測一下原機的驅動波形。

這種步進電機的驅動信號為正負交替的脈沖信號。脈沖寬度需要有個合理的范圍，拆機時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，因為原機是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倍電壓后脈寬應是原來的1/4.我的這個馬達 用12ms脈寬驅動，工作得很Happy.朋友自己制作時可以自行調(diào)整MOTOR_PULSE_DUTY。

為了實現(xiàn)正負極性的交替，使用了2個IO端口（石英鐘機芯馬達不分極性直接連在這兩個端口上就行了），輸出兩路移相的方波信號。兩路方波信號之間的相差即為脈沖寬度。當鐘面顯示 的時間同實際時間有偏差時，需要改變脈沖周期以調(diào)整電機速度，使兩者趨于一致。機芯驅動使用了TimeA的通道1，在其中斷服務中實現(xiàn)

#pragma vector=TIMER0_A1_VECTOR __interrupt void Motor_drv_ISR（void） { if （TACCTL1 & CCIFG） { // 步進電機驅動信號，一個周期分4個Stage，電機走2步。 // S1，S3提供動力輸出。 // ------ // | S1 | // | | // --------------| |--------------| | // S0 S2 | | // | | // ------ // S3 static uint8 ucStage = 0; //步進電機每走一步分2個stage。 uint16 wS0S2; //S0，S2時間長度 TACCTL1 &= ~CCIFG; //清中斷 if （ucStage == 2 * STEP_1S - 1） { //每秒末進入此處 ucStage = 0; s_wDisplaySecond++; if （s_wDisplaySecond 》= （（uint16）12 * 3600）） s_wDisplaySecond = 0; } else ucStage++; //先假定鐘面時間總是偏“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） wS0S2 = （（uint16）12 * 3600） - （s_wRealSecond - s_wDisplaySecond）; //如果算下來“快”了9小時以內(nèi)，認為其確實“快”了，否則認為實際是“慢”了3小時不到。 //之所以不以6小時分界，是因為步進馬達可以無限放慢，有限地加快。 if （wS0S2 《 2） //偏快不多，正常運行 wS0S2 = MOTOR_PERIOD - MOTOR_PULSE_DUTY; //正常運行 else if （wS0S2 《 （（uint16）9 * 3600）） //偏快，降速運行 wS0S2 = MOTOR_PERIOD_SLOW - MOTOR_PULSE_DUTY; else //偏慢，加速運行 wS0S2 = MOTOR_PERIOD_FAST - MOTOR_PULSE_DUTY; //步進電機驅動信號4個stage一個循環(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間，因此在系統(tǒng)上電啟動時，必須先把鐘面撥到00:00:00的默認位置。上電時，MCU默認為 鐘面顯示時間和系統(tǒng)實際時間為00:00:00.系統(tǒng)在00:00:02啟動BPC對時，對時成功后，“實際時間”就準確了，這時，從UART輸出的守時信號也是準確的了。 但鐘面時間需要一段時間后才能逐步同實際時間一致。以后，系統(tǒng)會在每天的00:00:02和12:00:02各啟動BPC對時一次，如果對時成功或20分鐘內(nèi)不能對時 則自動關閉BPC模塊以節(jié)約電池。對時成功，照明等會點亮2秒。

在每天的17:00-21:00， 05:00-9:00兩個時段內(nèi)是BPC發(fā)射臺是關閉的，在這兩個時段內(nèi)開機是無法對時的。

系統(tǒng)提供了一個按鈕，短按按鈕可以點燈5秒，以便夜間照明。長按2秒以上可以立即打開BPC對時，對時成功或5分鐘內(nèi)不成功 則自動關閉BPC模塊。這些業(yè)務邏輯都在主程序中實現(xiàn)。

實物圖

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

責任編輯：wv