BPC中国电波表时钟校准毕业设计.pdf

目 录 摘 要 2 ABSTRACT 2 第一章 引言 2 1 1 国际 国内背景及发展状况 1 2 发展趋势和意义 1 3 理论基础 第二章 硬件单元设计 3 2 1 总体设计方案构想 2 2 硬件单元设计方案及论证 2 2 1 信号接收模块方案 2 2 2 BPC 的基本参数 时码格式以及干扰问题 2 2 3 电波信号接收模块 2 2 4 单片机处理模块及数码显示模块 第三章 软件设计 3 1 主程序流程图 3 2 设计程序 第四章 设计总结 第五章致谢 第六章 参考文献 1 摘 要 本设计通过接收中国码 BPC 电波钟信号对时钟进行校时从而实现时间的精 确控制 采用 WH001 系列接收模块接收电波钟信号通过单片机串口输入到单片机 从而进行校时功能 并在数码管进行显示时钟 关键词 中国码 自动校时 单片机 ABSTRACT The design receive the signal of BPC to adjust the clock automatically and realize the accurate control of time It uses the module of WH001 to receive the BPC signal and input the signal to the single chip through serial port to adjust the clock automatically and make it display in the Nixie tube Keywords BPC atomic time synchronizer single chip microcomputer 第一章 引言 1 1 国际 国内背景及发展状况 自从20世纪50年代德国建立世界上第一台长波授时电台之后 电波钟的发展已 经历有五十多年的时间 随着社会科技的逐步发展 在生活 工作等各个行业方 面对时间的准确性要求越来越高 一些发达国家如美国 英国 法国 瑞士和日 本等已先后建立了自己的发射台 而美国和日本最近更将发射台的发射功率提高 了几倍 泰国 马来西亚也在酝酿建设长波信号发播台 现有时间编码包括 DCF 德 国 MDF 英 国 WWVB 美国 JJY JG2AS 日本 等 2007年7月 在中国河南商 丘建成的电波塔开始发送电波 发播呼号为 BPC 频率为68 5KHZ 发射功率为 2 100KW 覆盖半径 天波3000公里 地波1000公里 调制方式 由编码调制单元提 供已调波的脉冲负极性键控 发播时间 全天24小时连续播发 至此全球只有五 个国家有发射电波对时信号基地台 美国于1965年发射 英国于1974年发射 德 国于1973年发射 日本于1999年发射 中国于2007年对时讯号正式发射成功 1 2 发展趋势和意义 在这个生活节奏逐渐加快的时代 时间观念对于每个人来说都是至关重 要的 而且随着科技发展 社会进步 人们的生活工作 工厂的操作控制以及 一些时间精度要求极高的场合 人们对时间精确度的要求也越来越高 中华上 下五千年计时领域发生了重大的变革 从沙漏 日晷 机械钟表 石英钟表再 到现在的电波表 对时间精度的不断革新 深刻体现出文明的发展和时代特征 1986 年 德国就已经诞生了第一只作为商业用途的电波钟表 至此在电波领 域开拓的脚步就从来没有停止过 电波钟在英文通称为 Radio Controlled Clock 是透过铯 Cesium 原子的震荡来计时 是一种高精度的计时方式 每十万年误差 1 秒钟 所以能几乎永久都保持在标准时刻 也曾被成为原子钟 电波钟的出现更是对传统石英钟的一个冲击 石英钟是否能经得起这股电波风 潮 电波钟是否会成为石英钟的终结者 我们将拭目以待 基于无线长波授时技术的电波钟 不仅可应用于日常生活 更可以推广 应用到网络通讯 交通运输 自动控制 国防军事等诸多领域 更可能会以全 新的观念来改变人们的传统思维方式和生活习惯 电波钟表在传统钟表计时技 术中融合应用了现代无线通讯技术 计算机技术和微电子技术 能够与标准时 间自动建立联系 自动获得标准时间 体现了人类在传统计时领域中不断进步 的精神 通过其新的理念 运用现代技术来追求时间精确 表达人们不断挑 战创新和精益求精的新精神和生活方式 电波钟的出现更是开拓了时间计量的 新里程 从而将对世界经济的发展产生重大的影响 电波表的发展趋势已经在 全球逐步蔓延开来 据知 德国已经全面进入电波钟表的时代 英国 美国 日本以及欧洲的一些国家也都已经将消费的热点转移到了电波表 同时电波表 也在这些国家的钟表领域占有了不同程度的市场份额 世界各国也都纷纷在电 波表领域的开拓有了更多的重视 以便尽早的将电波表投入使用 于是一些手 3 表厂牌 都将发展方向转向了中国 这股电波的发展趋势也慢慢在中国形成气 候 1 3 理论基础 无线授时技术是一个大家族 其成员之一是无线长波授时 无线长波授 时技术是目前最简单 最廉价地获取标准时间的方法 其他无线授时技术还包 括短波授时和微波授时等 无线长波授时是一种满足人们对标准时间渴望的较廉价的解决方案 尤其适用于民用方面 中国国家授时中心将经过编码 BPC 码 与调制的标准 北京时间信息以低频 68 5KHZ 载波方式通过发射台发射出去 标准时间精 度来源于铯原子钟并与世界协调时同步 通过这样一个技术过程 使得所有接 收该标准时间信号的电波钟表 或其他计时装置 都与标准时间授时中心的标 准时间保持高度同步 进而全部电波钟表显示严格一致的时间 第二章 硬件单元方案设计 2 1 总体设计方案构想 本方案的总体构想是通过 BPC 信号接收模块接收 BPC 时间信号 然后把 BPC 时间信号送到单片机进行解码处理然后再把解码后的信号通过数码管显示出来 当没有 BPC 时间信号输入时 单片机也可以通过内部的时钟自动进行计时走时 显示时钟进而实现一些控制 本构想方框原理图如下 数码显示模块 单片机解码处 理模块 信号接收模块 信号接收磁棒 4 2 2 硬件单元设计方案及论证 2 2 1 信号接收模块方案 方案一 接收广播电台整点的报时信号实现自动校准 方案 广播电台每到整点就会播放 滴 滴 滴 嘟 的对时信号 其中 前面 3 个音频率较低 最后一个音频率较高 用一个收音机模块接收电台信号 音频信号输入单片机的 AD 脚采样 单片机软件检测 滴 滴 滴 嘟 的对时 信号音 并以最后的音符作为整点对时的基准 优点 结构简单 成本低 只需要一个简单收音机模块就可以完成工作 而且适 用性广 在任何地方都可以工作 缺点 现在有些电台的对时信号变成了语音报时 进而就得不到有效的时间编码 信号不能使用解码技术进行时间信号的解码 方案二 电波钟 方案 接收电波钟发射站的发射信号 中国河南商丘电波塔的 BPC 信号和日本 的 JJY 信号 通过单片机进行信号的解码 优点 简单 用磁棒绕一个线圈即可接收电波站的信号 也可以到网上购买现成 的模块 缺点 由于专利保护和商业操作等原因 我国的 BPC 电波钟信号编码至今未公布 可供研究的资料很少 只能借助网上的研究资料进行研究 然而日本的 JJY 信号 只能在中国东部沿海部分城市才能接收到 方案三 GPS 时钟校准 方案 GPS 模块本身可以返回标准时间 单片机用串口读出即可 然后送到 数码管进行显示 优点 用串口连一个 GPS 模块即可 不需要滤波解码 电路结构简单 缺点 GPS 模块成本较高 GPS 在室内接收信号不好 可能需要外置天线 方案四 电脑上的标准时间发送给电子钟 方案 电脑的时间是可以通过 Internet 连接时间服务器进行自动校准的 我 5 们可以在电脑上运行一个小软件 将标准时间通过串口发送给电子钟 当然电脑 和电子钟之间不需要用串口线直接连接 电脑侧用一个廉价的 315M 或者 433M 无 线发射模块 电子钟侧用一个接收模块 利用低速的串口信号发送 优点 工作稳定 不用依赖外部的无线信号 所有步骤都是可控的 缺点 结构复杂 需要依赖电脑配合 电脑要长期开机并连接 Internet 综上所述 鉴于电波钟的本身所有的优点及其在生活 工作 国防等各个方面的 良好应用 本设计采用方案二电波钟 该方案不仅成本低 而且 BPC 的编码科学 和校时的高精度 BPC 的迅速发展必将促进社会科学的进步为人们的生活工作提供 巨大的便利 改变人们的传统观念习惯 2 2 2 BPC 的基本参数 时码格式以及干扰问题 2 2 2 1 基本参数及时码格式 我国国家授时中心和有关企业合作推动电波钟的发展 于 2007 年 8 月 29 日 位于河南商丘的电波发射站正式投入使用 而中国也成为了世界上第五个拥有电 波钟技术的国家 BPC 的基本技术参数 1 台址 河南商丘 2 发射时间 全天连续 24 小时 3 授时精度 0 1ms 4 频率 国家无线电管理委员批准的 68 5KHZ 5 发射功率 100KW 全固态发射机 伞状单塔发射天线 6 编码格式 国家授时中心未公开编码 网上查阅总结编码格式如下 信号以 20s 为周期发送由四进制数组成的携带有时间信息的数据帧 每秒发送一位 脉宽为 100ms 代表 0 脉宽为 200ms 代表 1 脉宽为 300ms 代表 2 脉宽为 400ms 代表 3 用 1 秒的空白作为相邻两帧的间隔 BPC 电波授时编码 其特征在于 帧周期为 20 秒 每分钟包含三帧 以秒脉冲宽度表示四进制数的 0 1 2 3 以四进制数表示相应的 分 时 日 月 年 星期 等时间信息 以帧标志表示帧所在的时间段 以缺少秒脉冲作为帧间隔和帧预告标志 6 采用码位复用技术 本发明克服 了现有的时间编码帧周期过长的缺陷 接收一帧时间信息所用的 最少时间由 1 分钟减少到 20 秒 提高了接收机效率 降低了对抗干扰的要求 图 1 BPC 编码规则 图 2 各位权值及功能 2 2 2 2 干扰噪声来源问题 无线长波授时技术一种无线通信授时技术 在传送过程不可避免的会受到各种 干扰出现错码 漏码等现象 BPC 电波的信号接收会受到以下因素的影响 A 电器的电磁辐射 在手机 电脑 电视附近 荧光灯正下方 可能受到外来信 号干扰 接收信号时尽量远离电脑 电视显示器 避免电器的电磁干扰 B 受大气噪声的影响 发射台和接收地区的天气环境恶劣时 雷电 暴雨 大风 等 会影响信号的发送和接收 尤其是打雷时会产生严重的电磁干扰 尽量在选 择晴朗的天气进行信号接收 C 接近日出日落的时间 电波信号有可能混乱 请避开这段时间接收信号 D 在电车上 飞机场或钢筋水泥建筑物密集地区 不易收到信号 故接收信号时 尽量靠近窗户或者到室外进行信号的接收 7 2 2 3 电波信号接收模块 电波信号接收模块采用淘宝网购买的 WH001 系列接收模块 KT 100 x10 68 5 其 具体参数技术指标如下 1 WH001系列接收模块 通过铁氧体天线接收信號 再通过解调芯片解出时间信号 时间信号由 LP4 输出 2 模块输出管脚如下图 图 2 WH001 系列接收模块 3 技术参数 参 数 测试条件 符 号 最 小 典 型 最 大 单 位 操作温 度 Vcc 3V T 10 60 供电电 压 Vcc 3 5 V 电流损Vcc 3V Icc 120 A 8 表 1 4 用 途 及 用 法 本模块用于接收中国码 BPC 信号 用于电波钟或工业用时计的接收及解调时间信 号 5 波形测试 以下波形图为 2011 年 5 月 12 日周四 15 点 41 分于信息学院办公楼接收到的正极性 波形 本图截取部分编码为 1 0 03 221 10 1 030 11 023 1 帧号 3 时 41 分 周四 偶校验 12 日 5 月 2011 年 保留校验 耗 Vpon 0V 灵敏度 Vcc 3V Vpon 0V S 60 120 V m 输出电 流 Vcc 3V Vpon 0V Iout 2 mAJ 输出脉 冲 Vcc 3V Vpon 0V P 正脉冲 输出电 压 Vcc 3V Vpon 0V Vout 2 8V V 9 2 2 4 单片机处理模块及数码显示模块 本模块主要实现的功能是将信号接收模块接收的 BPC 信号在单片机内进行解 码处理 再送到数码管进行显示 得到实时时间 单片机采用 AT89S51 单片机 P0 口经 74LS244 做数码段选 P2 口做数码位选 芯片介绍如下 图 3 AT89S51 引脚图 VCC 供电电压 GND 接地 RST 复位输入 XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 10 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 P3 口除了作为普通 I O 口 还有第二功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 单片机及数码显示模块原理图如下 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 PSEN 外部程序存储器的选通信号 EA VPP 外部程序存储器地址允许输入端 编程电压输入端 ALE PROG 地址锁存允许输出 编程脉冲输入信号 11 图四 74LS244 引脚图 GND 地 VCC 供电电压 1A1 1A4 输入端 2A1 2A4 输入端 GG 2 1 三态允许端 低电平有效 1Y1 1Y4 输出端 2Y1 2Y4 输出端 74lS244由2组 每组四路输入 输出构成 每组有一个控制端 G 由控制端的高或 低电平决定该组数据被接通还是断开 单片机解码模块及数码显示模块电路原理图如下图 12 图 5 单片机解码模块及数码显示模块电路原理图 第三章 软件设计 本设计的软件部分采用 C 语言进行编程 实现信号的解码及显示功能 3 1 主程序流程图 13 开始 初始化 判断是否有BPC信 号输入 将信号 送 入 单 片 机 进行解码 将解码后的信号送 入数码管进行显示 调用相应的程序 YES NO 14 第四章 设计总结 在本设计的过程中 我受益匪浅 我深刻的认识到了所学理论与实践相结 合的重要性 学习了很多电子知识和电子应用软件 从开题到现在 一直积极查 阅相关资料 认真研究 发现了很多好书 学到了很多搜索资料文献的方法途径 电子是一门博大精深的课程 需要耐心 恒心 信心来坚持研究学习 在毕业设 计的制作过程我也深深地体会到了电子的深邃博大 让我对电子产生了更浓厚的 兴趣 设计过程中也遇到过一些问题困难 第一 电路的焊接过程 发生焊接短 路现象 幸好有过流保护措施 未对硬件电路造成严重损伤 在排除短路过程 几经周折采用分段断路短路法终于发现了短路所在 原来在电源的焊接处一丝焊 锡造成了短路 而且这一短路是在放大镜下才发现的 这一点使我认识到 良好 的焊接习惯和认真做事的态度对于一个学电子的人来说是多么多么的重要 第二 信号接收模块测试过程中出现未接收到信号和干扰现象 经上网查阅资料 模块 不要在电视 电脑显示器等有电磁辐射的设备电器附近进行测试 因为他们产生 的电磁信号会干扰 BPC 信号的接收 其次 尽量在窗户处或者室外进行测试 这 样接收到得信号会更好些 再次 阴天 雷雨天气也会对信号接收造成影响 甚 至有可能接收不到信号 尽量选择天气晴朗的时候进行模块测试 本次设计过程中 我学到了很多有用的知识 而且大部分的资料网上搜集得 来的 网上的一些电子论坛以及坛友们地无私奉献对我的设计起到了很重要的作 用 就拿 BPC 电波来说 由于国家授时中心未公开时码编码格式 相关的资料是 少之又少 我也是通过论坛上的网友研究的资料总结学习的 而且最后通过分析 信号接收模块接收测试到的波形 也终于搞明白了 BPC 的编码格式 第五章 致谢 大学的四年生活即将结束 在山大的四年里 我深深地感受到了山大的深厚文化底蕴和人 文情怀 它不仅给予我丰富的知识和能力 还锻炼了我的人格品质 在此我要深深地感谢山东 15 大学对我的培养和包容 感谢信息科学与工程学院的栽培 感谢老师们和导员四年里对我无微 不至地关怀和指导 感谢我的同学和舍友