【参赛】BPC长波自动授时LED数码钟制作

bluegrass

一直想做一个分秒不差的时钟放在客厅用，也好让家里众多的时钟有一个可靠的对时参考，于是便有了下面的制作：用CPLD解码BPC长波授时信号，驱动LED数码管进行显示，同时可以在凌晨2：00或4：00自动校准的数码表。
背景篇：
电波授时是将高精度原子钟精确时间信息用时间编码方式，通过无线发射，以低频(20KHz—100KHz)无线电波进行传播，用户端利用无线接收机接收信号并解调以恢复时间编码，再经过微处理器对编码进行解码得到精确时间信息。目前在德、美、英、日等国家，电波授时已广泛应用于电力，通信，民航，铁路等各个领域。
2007年，中国科学院国家授时中心在河南商丘建立了一座大功率、连续发播的低频时码的商丘授时台，构筑了我国新一代BPC低频时码授时系统，授时信号可以有效覆盖京、津和长江三角洲等我国政治文化和经济中心。BPC低频时码授时系统是一个载频为68.5KHz的调幅无线发播系统。调幅脉冲下降沿的起始点，指示着国家授时中心UTC（NTSC）秒信号的发生时刻。调幅脉冲的宽度按指定的传输协议给出日历和时间的数字编码信息。低频时码信号形式都是以1秒为单位变化的，在1秒中包含了信号的秒脉冲信息和时间编码信息。BPC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。



原理篇：
BPC的接收过程类似AM广播接收，使用磁棒线圈和电容谐振于68.5KHz的载波频率，通过晶体滤波器去除干扰，通过AGC控制，最终解调出1PPM的秒脉冲。下图是专用长波授时信号接收芯片以及软封装版本的PCB。


对MAS6180加电后便可以通过示波器观测到如下图所示的1PPM信号，可以看到，波形的上升沿是每秒的起点，脉冲宽度携带着更多信息，需要解码处理才能恢复出具体时间信息。


解码可以通过单片机或FPGA、CPLD等实现，手头刚好有几个CPLD的最小系统板（成本约35元），就决定了用CPLD解码BPC，同时控制LED扫码显示的最终方案。实现本方案所需的主要材料见下图。


为配合调试过程中监测波形时序，同时使用了一个FPGA作为辅助调试手段，主要利用了FPGA的Signal Tab虚拟逻辑分析仪功能，单独CPLD是不具备这个能力的。


实现时间同步的第一步是使本地时钟的秒脉冲与标准BPC秒脉冲同步，下图所示便是检测每一个BPC秒脉冲的上升沿，并在检测到多个稳定的上升沿后复位本地时钟计数器，使本地秒脉冲的上升沿与BPC秒脉冲上升沿同步。


然后通过判断每个BPC脉冲的宽度，恢复出携带的时间信息，逐步凑齐时、分、秒等信息，并进行校验。如果校验结果正确，则将当前的时刻刷新到LED显示部分，并使用本地时钟驱动后续走时，完成了一次BPC授时过程，实现了对本地时钟的修正。
自动授时便是在凌晨2：00自动开始上述过程，如果失败则在4：00再进行一次。之所以选择这两个时刻，是因为此时工业活动相对较少，电磁干扰小，有利于AM信号可靠接收。


制作篇：
已经验证的电路最终装到盒子里就没有太多的悬念了。为了让显示字体大一些，选择了0.8英寸和0.4英寸的白色LED数码管。由于没有买到相同接线方式的LED（共阴或共阳）使得实现起来费了些周折。而且考虑到CPLD的I/O电平只有3.3V，白色LED的压降约3V，直接驱动亮度不足，所以需要增加一级驱动，增加CPLD驱动电平。
为了使时钟在断电下维持走时，找了一个接近废弃的锂离子电池作为后备电源，平时电路通过手机5V充电器供电，遇到断电情况则自动切换到电池。
左边两个按键分别手动调整小时和分钟，单按会使小时或分钟加1，长按会加速自动递增；右边的按键触发手动授时，1分钟内授时不成功则自动退出，不做时间修正。
无论是自动授时或是手动授时，均会在授时过程中关闭LED扫描，避免扫描噪声干扰授时信号接收，实践证明，此举是必要的也是有效的。





软件篇：
本制作的核心功能是通过VHDL软件实现的，VHDL属硬件描述语言，可以被综合器生成固化在CPLD内部的逻辑。CPLD和FPGA不同于MCU，可以多线程同时运行，在某些对并行运算和信号处理要求高的应用中CPLD和FPGA是其他处理器无法取代的。
下面的代码可以实现按键防抖动，不至于因为按键接触不稳定产生多次触发。


通过对BPC脉冲宽度进行解码分析，生成时间帧。


自动授时部分的代码。


通过Quartus II软件编译，VHDL软件被自动将软件代码转换为硬件逻辑，并下载到CPLD芯片内部。以后每次CPLD加电便具有了特定的功能。下图则是硬件描述语言对应的硬件逻辑的部分区域。


电路篇：
电路部分涉及CPLD最小系统，限于篇幅可参考MAX II EPM1270T144的数据手册，下面仅对主要电路构成作以简要说明。为了使LC谐振在68.5KHz频点上，可一边用示波器监测晶体滤波器输出端的信号幅度，一边增减线圈，使幅度最大。LED数码管采用扫描方式工作，下图仅表示出共阴0.8英寸的白色数码管的接法。


花絮篇
本制作先利用手头的零件作了一次验证，确认工作稳定可靠后才购买了白色数码管完成的。因为刚开始，只找到了单个的LED数码管，所以还得费劲半天用漆包线连成共阴的阵列显示形式。



性能篇：
这个小制作从2015年3月正式投入使用，一直稳定工作到现在。每天都能够正常自动授时，进行时间修正，所以时刻能够与天文台原子钟保持着1ms以内的精确同步。试验发现，如果禁止自动授时功能，则误差可控制在0.5s/周的范围内（20度室温）。气温偏低会使时钟变快一些（反之变慢），如有需要，可通过更换TCXO降低对温度的敏感。下图分别是授时状态和正常走时状态，为了美观，塑料盒内增加了一层淡蓝色磨沙膜，让LED看起来柔和一些。这款时钟还提供了另外一个实用功能：客厅里的小夜灯……




补充内容 (2016-1-19 20:50):
12楼增加了整机原理框图以及BPC服务范围图，谢谢关注。

补充内容 (2016-1-24 17:06):
感谢各位老师的加分鼓励和支持，24楼增加内部图片和待改进之处的说明。

补充内容 (2016-2-5 19:16):
22楼，炫彩老师补充了世界各地授时台资料；32楼增加了NTP网络授时与长波授时的对比和优势分析。

yangjishu

要是做成客厅投射灯就更爽了

bluegrass

yangjishu 发表于 2016-1-18 23:57
要是做成客厅投射灯就更爽了

这个主意不错(⊙o⊙)，可以买个投射表改装。

1940115

这个很专业，有成品可出售吗？

bluegrass

1940115 发表于 2016-1-19 08:57
这个很专业，有成品可出售吗？

这个是东拼西凑出来的，网上有成品卖的，一般是液晶显示或者指针形式的，因为这样干扰小。

bluegrass

刚才不小心发重复了，晚些时候再补充几张内部电路图片和总原理框图。
现在的5v电流约25ma，还是非常省电的。

BG4IFY

河南商丘发射台，看看传播大圆图，覆盖内可以玩玩。

bluegrass

BG4IFY 发表于 2016-1-19 09:47
河南商丘发射台，看看传播大圆图，覆盖内可以玩玩。

没错的，信号覆盖挺广的，感觉用am收音机改装一下也可以接收bpc。

srqsnet

一直以为只有gps 能准确受时呢，受教了。

bluegrass

srqsnet 发表于 2016-1-19 10:33
一直以为只有gps 能准确受时呢，受教了。

客气客气，受教可不敢当，gps，bd之类的卫星授时有一个缺点，天线必须能直视卫星，长波授时可以在任何地方。除此之外还有短波授时，大家可以听听sw10M，15M位置有没有秒脉冲的声音~

益斋

看到了口香糖电池了。

bluegrass

补充整机原理框图


以及中国BPC服务范围图（图片来自网络）

bluegrass

益斋 发表于 2016-1-19 19:52
看到了口香糖电池了。

好眼力，估计您也是也经历了辉煌的磁带随身听年代...

bluegrass

128032949qq 发表于 2016-1-19 23:26
我认为不必每天授时。一周一次也可以达到生活需要的精度

是的，当表用肯定足够足够的了，只是既然有这个功能也是不用白不用。

正在缓冲

不错  这个是接收来的时间。

突然联想到原来短波 5M和10M的标准时间、标准频率发播台。貌似现在已经收不到了。