基于瑞萨R7F0C002单片机的JJY数字电波钟设计
发布时间：2015-10-30 15:33
发布者：designapp
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1 引言 随着时代的发展，人类对于精确的时间越来越重视，像国防、卫星、天气监控等系统，需要精确的时间来做资料的备份以及同步的处理。传统的计时方式难以满足日益精确的时间要求，融合了微电子技术、计算机技术、通讯技术与现代时频技术的电波钟正是成为合适的选择。它接收授时中心以无线电长波传送的标准时间信号，并通过内置微处理器解码处理，从而实现时间自动校准，使电波钟表显示的时间与国家的标准时间保持高度同步。 鉴于目前我国 BPC 低频时码格式尚未公开，我们只能制作接收日本 JJY60 信号的电波钟表。日本是全世界对电波计时倡导最积极的国家之一，在狭长的地理范围里，就搭建了两台电波发射站，由福岛(40kHz)和九州(60kHz)两处发射。其覆盖范围如图 1 所示。  JJY 编码格式以 1 分钟为 1 帧，每秒接收 1 位时码信息。这些信息以 BCD 码格式表示，有不同的权重值。时码信息为脉冲信号，每秒的开始对应于 1 位脉冲信号的上升沿，这样可以与标准时间精确同步。不同的脉冲宽度表示不同的时码，高电平宽度为0.2s 表示定位码 P 码， 0.8s 表示逻辑 0， 0.5s 表示逻辑 1 。时间信息为各位数值乘以权重值的求和。在第 59 秒和第 0 秒连续两个定位码表示一个新帧的起始。时码信息中不包含月和日信息，而是包含 1 年从 1 月 1 日开始的天数。各信息位的含义见图 2。  2 系统构建 基于日本低频时码授时信号 JJY 的数字电波钟设计，以瑞萨 16 位单片机R7F0C002 为处理核心，以 CME6005 专用 IC 为主要接收芯片，通过软件算法，实现授时信号远距离的接收，时间精度达到秒同步。 R7F0C002 内部集成了 RTC 功能，这样即使在不接收授时信号的情况下，电波钟也可以正常工作并保证时间准确。此外， MCU 内部还集成了 LCD 驱动器/控制器，可以直接控制 LCD 面板，实时显示时、分、秒、年、月、日、星期等时间信息。 此电波钟具有 5 个独立的按键，分别完成接收授时电波并更新当前时间任务，时间设置任务以及闹钟设置任务。 LED 电路可对接收电波成功与否进行实时指示。整个方案原理框图如图 3 所示。  2.1 MCU 介绍 R7F0C002 微控制器采用了 RL78 内核，同时实现了高速处理性能与较低的功耗。MCU 内部集成了高精度( ±1%)片上振荡器， CPU 运行频率最高可达到 24MHz。 此外，还集成了多达 22SEG× 8COM 的 LCD 控制器/驱动器、上电复位(POR)电路、电压检测电路(LVD)、看门狗定时器、时钟输出/蜂鸣器输出控制电路以及实时时钟( RTC)电路，有助于系统的低成本设计。其紧凑的尺寸和低功耗性能，使得此产品更适用于家用电器、移动设备等应用。R7F0C002 MCU 的 ROM 空间为 32KB， RAM 空间为 1.5KB，数据闪存为 2KB。 2.2 JJY 双频电波接收模块 本系统采用深圳科业电子有限公司生产的 JJY 双频接收模块获取低频电波授时信号。该模块灵敏度高，电源可控，功耗小，工作电压范围为 1.5 到 3.5V，工作电流 70uA-100uA，静态电流 0.2uA-2uA。模块采用高度集成的 BI-CMOS 低频接收解码芯片CME6005。该高灵敏度、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，且所需外围元器件少，使 CME6005 成为一个极理想的无线电波表方案。 模块天线尺寸为 9*10*60 mm， PCB 尺寸为 1.0*13.5*22 mm，引脚定义如下： 1. V-接电源 VCC ( 1.5 ~ 3.5V)。 2. G-接地 GND。 3. TN( T) -时间信号反向输出。 4. TP(无丝印) -时间信号正向输出，与 MCU 输入引脚相连。 5. P-电源控制脚，与 MCU 输出引脚相连。需要模块工作时，该管脚设置为低电平，反之设置为高电平。 6. H-自动增益控制接高电平，该模块内部已连接好高电平。 7. F-频率选择控制脚，与 MCU 输出引脚相连。高电平时，选择的时码接收频率为 60kHz;低电平时，选择的时码接收频率为 40kHz。系统调试过程中可使用 JJY_Simulator 软件，通过电脑耳机模拟 40kHz 的电波钟信号发射。自制发射耳机如图4所示。  耳机模拟发射的 JJY 电波信号及电波接收模块的输出信号如图5所示，接收的数据为2014 年 9 月 7 日 9 点 47 分的时间信息。 3 硬件设计 JJY 数字电波钟具有显示单元，按键输入单元、闹钟响铃输出单元、时间电波接收单元以及 LED 状态指示单元，其硬件原理如图6所示。(未完待续)  4 软件流程 JJY 数字电波钟可以自动或手动接收时码，并在 LCD 面板上实时显示年、月、日、时、分、秒等时间信息，也可以手动设置当前时间，同时还具有闹钟设置和响铃功能。 主程序的设计思想为在实现时钟的时间设置、时间显示等基本功能的基础上，融合加入JJY 解码程序，并将解码后的标准时间信息更新到实时时钟，然后继续走时显示，以达到与标准时间的高度同步。程序主要分为时间显示子程序、时间设置子程序、闹钟设置子程序、闹钟响铃子程序以及手动(自动)接收电波子程序。 时钟电波接收子程序是整个程序的关键和核心，它是接收系统的授时技术思想的体现，其设计水平直接关系到接收准确度和时间同步精度。接收时码子程序需要对受干扰信号的正确性进行判别，并通过一定算法保证与授时中心的标准时间同步，即较好地实现秒同步和分钟同步(位同步和帧同步)。同步的基本思想是：首先利用每一位零时刻来找到秒同步，再找到连续的两个 P 码，确定分钟同步，最后便可得到一帧的时间信息数据，实现与标准时间的同步。若在此过程中出现差错，则返回重新开始。 算法实现采用“采样法”，其基本思想是：时间电波接收任务开启后，每隔 10ms 对信号电平采样一次，当有电平变化时，在接下来的连续 5 次采样中，至少有 3 次为已变化电平，则判断此电平变化为有效变化，这样可以最大限度滤掉干扰。然后通过累计高电平的采样次数，就可以判断时码的状态为 1 、 0 或 P。JJY 接收程序流程如图6所示。 实际接收的时码信息由于受到各种因素的影响，脉宽不能正好等于 0.2s、 0.5s、0.8s。为此允许脉宽± 100ms 的误差，即 200ms± 100ms、 500ms± 100ms、 800ms± 100ms 均认为是正常编码，超出此范围即认定为错误码。 连续收到 2 个 P 码定为 1 帧的开始，此后连续接收 59 个正确的时码，则表明完整的一帧时间数据接收完毕。由于 JJY60 传输的日期为一年从 1 月 1 日到现在的天数，所以最终还要变换成月日，转换时，注意闰年的时间处理。 由于东京时间早北京时间 1 小时， 所以如果在中国使用， 需要将转换时间减一小时。 此外， 由于接收完一帧数据需要一分钟时间， 所以当前接收到的时间为上一分钟的时间，需要对接收的时间增加一分钟。程序除了进行小时、分钟奇偶校验外，对收到的时间信息还要校验其符合性。例如日不能大于 366;小时不能大于 23 等，不然可能会显示一些混乱的时间。 此外，接收模块的天线要远离电路板、电池组和液晶屏，否则收不到信号。另外系统也要远离变压器、电脑等干扰源。测试时调整天线的位置，直到看到绿色 LED 有规律的闪烁表示接收正常。在北京，测试表明，白天在空旷地可以接收，夜晚在室内可以接收。 5 结论 本文设计的系统以瑞萨 16 位单片机为核心控制部件， 通过软件编程实现电波钟表的基本功能。它通过接收日本标准授时中心的时码信号，经滤波与解码后对时钟进行自动校时，以消除时钟的累积误差，从而实现全自动同步准确计时。较好地弥补了普通时钟走时不准、需人工校准等缺点，极大地提高了计时精度，有很大的发展潜力和市场前景。 |
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