CN104932248A - 一种指针式cdma石英钟控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种指针式CDMA石英钟控制方法属于时钟生产加工技术领域，尤其是涉及一种指针式CDMA石英钟控制方法。本发明一种指针式CDMA石英钟控制方法主要是利用CDMA电路模块，利用其信号覆盖面宽、信号强度大的CDMA手机网络信号提供的精确卫星时间作为标准时间，对指针式石英钟进行校时，该方法对产品安放的地理位置不需要像电波钟那样苛刻，安放位置很随意，即使在建筑物内，CDMA信号也很强，大大避免了电波钟信号很弱因而接收不到或解码错误的缺点，并且像手机一样内置接收天线，非常容易安装，适合居家民用、办公等各类场合；CDMA电路模块提供精确的卫星时间，其提供的时间理论误差几乎为0，实际误差不超过5毫秒。

Description

一种指针式CDMA石英钟控制方法

技术领域

    本发明一种指针式CDMA石英钟控制方法属于时钟生产加工技术领域，尤其是涉及一种指针式CDMA石英钟控制方法。

背景技术

市场上出现的能够自动校时的免维护类的指针式石英钟，主要有区域网络授时类石英钟、GPS石英钟或电波石英钟。

区域网络钟的技术缺点是，需要通过485网络或以太网局域网络，或者CAN网络等接收各类网络中的母钟服务器发送的时间或者NTP服务器等的标准时间实现自动校时，且误差较大，一般在1秒以内，需要在用户入住建筑物的前期装修期间就铺设通信接口和电缆，大多应用于办公楼、医院、铁路、广场等公共场合，不适合民用，且功耗大、价格昂贵，需要实时在线供电。同时区域网络钟也存在有如下的技术缺陷， 其一是所有的区域时钟共用一根连接线串联而成， 串联 ASCII码机芯信号反馈周期长， 信号传输延时明显 ； 其二是串联机芯信号相互干扰， 功耗大 ； 因此如何克服现有技术的不足， 而提供一种每个机芯都能高效快速的传递信息、 节省时间、 降低功耗的区域时钟的设计方法， 这对于本技术领域的技术人员来讲仍然是一个亟待解决的课题。

GPS石英钟技术，直接或间接接收GPS时间信息，其缺点是：要架设较长的室外天线，且在居家及办公建筑室内一般接收不到GPS信息，不利于安装和施工，不适合室内独立应用场合；如果间接通过网络有线或无线接收GPS时间，则还要有通信接口、网络接口或其他设备等，成本较高，也需要实时在线供电。

电波石英钟技术，是通过接收中国国家授时中心电波塔(河南商丘)发射的北京标准时间无线电信号BPC(频率68.5KHz)，利用时钟内置微处理器转换，控制时钟的走动，使时钟显示时间与北京标准时间保持准确一致。其靠普通电池供电，内置天线接收长波授时电台信号，在建筑物内对长波电台授时信号解码从而得到标准时间信息。该技术有以下缺点：（1）虽然解决了室外天线问题，但是在我国，局限性很大，因为只有一个无线长波授时电台，该电台覆盖的范围很不健全，即便是能覆盖的地区，其落在建筑物内的信号也十分微弱，常常导致很多时候不能接收到有效的电波钟标准时间，其对所处的地址位置有严格要求，在室内安装时，要考虑建筑物对电波的屏蔽性，一般需要人工手持石英钟在室内移动踩点后安装，而且解码电路复杂，解码时间很长，效率低下。（2）不同国家的电波频率不一样，解码电路不一样，覆盖范围不一样，造成了在我国使用的电波钟，不能出口到国外使用。（3）电波钟信号微弱，解码电路复杂，一般内嵌在机芯中，使得机芯的结构非常复杂。（4）为了使用电波钟，必须购买出口目标国的的垄断的专用加密电波钟解码芯片和电路。成本昂贵，过程复杂，十分不利于钟表行业的发展。

发明内容

本发明为解决现有的区域时钟校时追时反应慢，误差大的问题，设计了一种可以快速准确的为时钟校时追时的控制方法，尤其是对指针式石英钟的校时追时。其具体的技术方案为：一种指针式CDMA石英钟控制方法，它是由一次性高能锂亚电池模块输出电压3.6V，为机芯驱动电路模块供电，机芯驱动电路模块经过低功耗LDO芯片变成1.5V电压为扫秒机芯和跳秒机芯供电，驱动时钟指针运行，其特征在于所述的机芯驱动电路模块还与一个CDMA授时模块连接，CDMA授时模块将接收到的时间通过单片机控制扫秒机芯和跳秒机芯，用于控制机芯的归零和追时校，机芯的归零和追时校时：先秒针归零，启动秒光耦和秒马达，秒针以16HZ脉冲驱动快走，在检测到有效秒光耦脉冲后，立刻关闭秒光耦，在计步M步后，秒归零结束；然后启动分光和分马达，指针以最大16HZ脉冲驱动快走，在检测到有效分光耦脉冲后，继续走N步，关光耦，归零结束。归零时，还要考虑到接收到无效光耦脉冲情况：秒针在55秒前启动秒归零，在1秒内接收到光反馈，即认为是无效反馈；分归零时，在4秒内接收到光反馈，即认为时无效反馈；同时，分归零检测到光反馈信号要保持一定时间，才能计步继续走N步，然后归零结束；归零结束后，读取单片机自身实时时间，然后进入追时阶段，秒针的追时实际是等待单片机自身时间与秒针所指示时间相等时，启动秒驱动脉冲；分针的追时，最大以16HZ的分脉冲驱动；当单片机时间与指针指示时间不等，就要进入追时，追时时，指针所指示时间大于实际时间，且在5分钟内，则采取等待模式，等时间到达后，再发出分脉冲，否则直接追时。

为了能够更好的实现本发明的技术目的，可以对技术方案进一步具体的细化：

进一步在于所述的CDMA授时模块，在需要启动时，利用单片机控制MOS管为CDMA授时模块供电；机芯驱动电路模块直接控制备用时钟模块、段式LCD模块和CDMA模块，工作时， MOS管导通，CDMA模块加电，然后通过控制CDMARST，CDMAPower对CDMA授时模块进行复位等操作，利用AT指令集取得CDMA信号的状态和当前时间等，CDMA授时模块通信时以115200bps的高速波特率通信，发出AT指令后，CDMA模块给出精确到毫秒的卫星时间信息。

进一步在于所述的单片机上电后，单片机首先启动CDMA模块，获取时间后修改单片机自身实时时钟时间，然后系统以单片机自身时间作为基准时间运行，其后的时间精度完全由单片机系统自身决定。

进一步在于所述的CDMA模块每天只启动一次，读取正确时间后或读取错误次数超出规定时，关闭CDMA模块，等待下一次启动。

进一步在于所述的备用时钟模块，通过I2C总线与单片机通信，可提供年月日时分秒等备用信息，在石英钟初始上电冷启动时，如果不能正确读取CDMA时间，则读取备用时钟模块的备用时间作为石英钟指针时间；每次在CDMA读取正确时间后，以新时间在整数秒的时刻对备用时钟模块的备用时间进行校准。

进一步在于所述的段式LCD，该系统同时支持具有4个公共端的96段的低功耗段式LCD，用于同时数字输出时间和年月日星期等时间信息，并用于在调试时与PC电脑进行交互通信显示有关参数设置。

本发明的优点在于（1）电波钟安装时需要选择合适的有强信号的位置，一般有死角。而CDMA石英钟接收的CDMA信号强大，安装没有死角，很随意。（2）一次性高能电池供电3-5年不需要更换，更适合工程应用。（3）如果需要的话，安装SIM卡， CDMA石英钟就可以把本地信息如温度、湿度和PM25等信息通过CDMA信号发到远程，可以实现远程监控，这是电波钟所无法实现的。（4）可以出口到有CDMA手机网路的国家。

附图说明

图1为本发明一种指针式CDMA石英钟控制方法控制框图。

具体实施方式

    为了能够更好的说明本发明一种指针式CDMA石英钟控制方法的实现方，将其具体的实现方法进行如下的描述（参见图1）：

一种指针式CDMA石英钟控制方法整机系统包括机芯驱动电路模块4、一次性高能锂亚电池模块1、CDMA授时模块2、备用时钟模块3、跳秒齿轮箱5、扫秒齿轮箱6、段式LCD模块7。

一种指针式CDMA石英钟控制方法，它是由输出电压3.6V的一次性高能锂亚电池模块，为机芯驱动电路模块供电，机芯驱动电路模块经过低功耗LDO芯片变成1.5V电压为扫秒机芯和跳秒机芯供电，驱动石英钟指针运行，其特征在于所述的机芯驱动电路模块还与一个CDMA授时模块连接，CDMA授时模块将接收到的时间通过单片机控制扫秒机芯和跳秒机芯，来控制机芯的归零和追时校，机芯的归零和追时校时：先秒针归零，启动秒光耦和秒马达，秒针以16HZ脉冲驱动快走，在检测到有效秒光耦脉冲后，立刻关闭秒光耦，在计步M步后，秒归零结束；然后启动分光和分马达，指针以最大16HZ脉冲驱动快走，在检测到有效分光耦脉冲后，继续走N步，关光耦，归零结束，归零时；根据接收到无效光耦脉冲情况：秒针在55秒前启动秒归零，在1秒内接收到光反馈，即认为是无效反馈；分归零时，在4秒内接收到光反馈，即认为时无效反馈；同时，分归零检测到光反馈信号要保持一定时间，才能计步继续走N步，然后归零结束；归零结束后，读取单片机自身实时时间，然后进入追时阶段，秒针的追时实际是等待单片机自身时间与秒针所指示时间相等时，启动秒驱动脉冲；分针的追时，最大以16HZ的分脉冲驱动；当单片机时间与指针指示时间不等，就要进入追时，追时时，指针所指示时间大于实际时间，且在5分钟内，则采取等待模式，等时间到达后，再发出分脉冲，否则直接追时；所述的CDMA授时模块，在需要启动时，利用单片机控制MOS管为CDMA授时模块供电；机芯驱动电路模块直接控制备用时钟模块、段式LCD模块和CDMA模块，工作时， MOS管导通，CDMA模块加电，然后通过控制CDMARST，CDMAPower对CDMA授时模块进行复位等操作，利用AT指令集取得CDMA信号的状态和当前时间等，CDMA授时模块通信时以115200bps的高速波特率通信，发出AT指令后，CDMA模块给出精确到毫秒的卫星时间信息；所述的单片机上电后，单片机首先启动CDMA模块，获取时间后修改单片机自身实时时钟时间，然后系统以单片机自身时间作为基准时间运行，其后的时间精度完全由单片机系统自身决定。

原理说明：

Ⅰ、一次性高能利亚电池模块1：

输出电压3.6V，直接为机芯驱动电路模块4供电，供电电流瞬间可达到1A以上。

Ⅱ、机芯驱动电路模块4：

功能如下：

一、该模块以MSP430F4152单片机为核心，单片机自身工作电压可在1.8~3.6V之间；机芯驱动电路模块4经过低功耗LDO芯片变成1.5V电压为跳秒齿轮箱5和扫秒齿轮箱6供电；机芯驱动电路模块4在需要启动CDMA时，利用单片机控制MOS管为CDMA授时模块2供电；机芯驱动电路模块4直接控制备用时钟模块3和段式LCD模块7。

二、机芯驱动电路模块4单片机控制是整个系统的控制核心，单片机平时主要处于睡眠模式，每隔15.625毫秒唤醒一次，唤醒后检查当前的工作状态，根据工作状态决定是否需要输出脉冲驱动齿轮机芯的时分马达、秒马达等操作，同时检查是否有按键按下、电池电压是否满足要求等，随后进入睡眠，这个检查和驱动的过程在0.7毫秒左右，单片机系统大部分时间睡眠，睡眠时系统的整机耗电全部用于机芯的马达驱动。

三、单片机睡眠时，32768Hz晶振依然计数，定期唤醒后，以32768Hz的32倍频即1.048576MHz的低频工作，这样既可以降低功耗，又可以快速执行唤醒后的秒针走时和分针走时的各项操作。

四、晶振稳频和定时补偿的软硬件实现，用市场上最普通且较稳定的直插式12.5PF无源晶振，通过MSP430F4152单片机内部集成电容和外部12PF可调电容，通过软件设定单片机内部电容范围，并通过硬件调节外部可调电容的方式，先使得32768HZ的频率误差在0.001HZ以内。然后在系统运行时，每隔1小时对由于晶振引起的估计误差进行软件补偿。

五、驱动齿轮机芯的实现，齿轮箱机芯的驱动采用标准工作电压1.5V的绑定工艺的石英钟马达驱动芯片，该芯片驱动脉宽0.98~31.25毫秒之间，CMOS 工艺，工作电压最小1.2V，最大1.7V，标准值1.5V，起振电压1.1V，驱动能力在5MA至20MA之间，静态电流0.1UA。该芯片有多路输出，可以驱动最多3路石英钟马达。单片机平时工作在2.8~3.6V之间，由电池的电压决定，单片机IO电压较高，但可通过2个100K欧姆大电阻降压形式驱动该绑定模块，这样可以尽量降低电阻电流消耗。

六、每天晚上2点至2点30分之间，通过MOS管为CDMA授时模块2供电，通过115200波特率的高速通用异步串口读取标准时间，然后校准系统指针时间（该时间由单片机自身晶振提供时钟）和备用时钟模块时间。

七、机芯的归零和追时校时

先秒针归零，启动秒光耦和秒马达，秒针以16HZ脉冲驱动快走，在检测到有效秒光耦脉冲后，立刻关闭秒光耦，在计步M步后，秒归零结束；然后启动分光和分马达，指针以最大16HZ脉冲驱动快走，在检测到有效分光耦脉冲后，继续走N步，关光耦，归零结束。归零时，还要考虑到接收到无效光耦脉冲情况：秒针在55秒前启动秒归零，在1秒内接收到光反馈，即认为是无效反馈。分归零时，在4秒内接收到光反馈，即认为时无效反馈。同时，分归零检测到光反馈信号要保持一定时间，才能计步继续走N步，然后归零结束。

归零结束后，读取单片机自身实时时间，然后进入追时阶段，秒针的追时实际是等待单片机自身时间与秒针所指示时间相等时，启动秒驱动脉冲。分针的追时，最大以16HZ的分脉冲驱动。只要单片机时间与指针指示时间不等，就要进入追时，追时时，如果指针所指示时间大于实际时间，且在5分钟内，则采取等待模式，等时间到达后，再发出分脉冲，否则直接追时。

八、按键的检测

按键每隔93.74毫秒左右检测一次。

九、电池电压和电流检测

每隔3秒检测一次，如果电池电流太小导致启动CDMA时系统复位，则关闭CDMA，不再启动，此时每隔1分钟红灯闪一下，表示已经不能通过CDMA校时。  另外，半分钟内如果系统重新启动的次数大于3次，就认为电池电流太小不能正常启动CDMA，但此时还可以驱动马达正常运行。当电池小于2.5V时，下下限报警，每隔1分钟红灯快闪3下，提示用户更换电池。

十、Flash参数保存

矫正的参数等直接保存在单片机自身flash中，不需要外扩存储电路，。

十一、状态指示

红灯指示：（1）红灯1分钟闪烁一下，表示电池电流小，不能启动CDMA

（2）红灯1分钟快闪二下，表示电池电压严重不足。

（3）每次启动CDMA，获取时间失败后，红灯闪三下。

绿灯指示：（1）每次启动CDMA，获取时间成功后，绿灯闪三下。

十二、SIM卡接口：安装上SIM卡，就可以打电话或上网等发送信息或短信，便于实现远程实时监控。

Ⅲ、备用时钟模块3

备用时钟模块3通过I2C总线与单片机通信，可提供年月日时分秒等备用信息，在石英钟初始上电冷启动时，如果不能正确读取CDMA时间，则读取PCF8563的备用时间作为石英钟指针时间。

每次在CDMA读取正确时间后，以新时间在整数秒的时刻对PCF8563的备用时间进行校准。

Ⅳ、CDMA模块2的校时和通信

CDMA模块2，通过MOS管IRF7834上电控制，工作时，IRF7834 MOS管导通，CDMA模块加电。然后通过控制CDMARST，CDMAPower等对CDMA硬件进行复位等操作。利用AT指令集取得CDMA信号的状态和当前时间等。专门定制的CDMA芯片，通信时以115200bps的高速波特率通信，发出AT指令后，CDMA模块给出精确到毫秒的卫星时间信息。通过软件补偿等措施，理论上时间误差几乎为0，实际误差最多10毫秒。

单片机上电后，MSP430单片机首先启动CDMA，获取时间后修改单片机自身实时时钟时间，然后系统以单片机自身时间作为基准时间运行，其后的时间精度完全由单片机系统自身决定。

该模块为了节省电量，每天只启动一次，在夜间2点至2点30分之间启动，读取正确时间后或读取错误次数超出规定时，关闭CDMA模块，等待下一次启动。

Ⅴ、跳秒齿轮箱机芯5和扫秒齿轮箱机芯6 二者机构相同。

跳秒和扫秒齿轮箱各有2个马达，分别驱动秒针和时分针，S2作为秒针的归零反馈光耦，S1作为时分针的归零反馈光耦。S2和S1不能同时工作，当秒针归零时S2工作，分针归零时S1工作。VIN引脚为光耦LED电流，接电阻R8用来限制光耦发光管电流小于4毫安，VOUT引脚为光耦光敏三极管输出电流信号，接电阻R9用来在指针达到归零点时，将输出的脉冲电流，转换为大于2.5V的脉冲电压。机芯归零时，光耦以16HZ的方波脉冲形式工作，先秒针归零，然后分针归零。秒针在55秒左右，光耦S2通过Vout输出光脉冲电压信号。分针归零时，在51.5分左右，光耦S1通过Vout输出光脉冲电压信号。

扫秒和跳秒机芯的马达驱动：

秒马达驱动秒针步进工作，秒针走一步0.375度。“正常工作”或“追时”时都以16Hz速度工作。秒马达以正负脉冲形式驱动，驱动电流小于150UA，脉冲占空时间31.25毫秒。时分马达驱动时针和分针步进工作，分针走一步1度。“追时”时最快以16Hz速度工作，正常运行时10秒针走一步。分钟马达驱动走360步则时针走1小时。分马达以正负脉冲形式驱动，电流小于310微安，脉冲占空时间46.875毫秒。

Ⅵ、段式LCD7

该系统同时支持具有4个公共端（com0，com1，com2，com3）的96段（S0~S23）的低功耗段式LCD，用于同时数字输出时间和年月日星期等时间信息，并用于在调试时与PC电脑进行交互通信显示有关参数设置等。

Claims (4)

1.一种指针式CDMA石英钟控制方法，它是由输出电压3.6V的一次性高能锂亚电池模块，为机芯驱动电路模块供电，机芯驱动电路模块经过低功耗LDO芯片变成1.5V电压为扫秒机芯和跳秒机芯供电，驱动石英钟指针运行，其特征在于所述的机芯驱动电路模块还与一个CDMA授时模块连接，CDMA授时模块将接收到的时间通过单片机控制扫秒机芯和跳秒机芯，来控制机芯的归零和追时校，机芯的归零和追时校时：先秒针归零，启动秒光耦和秒马达，秒针以16HZ脉冲驱动快走，在检测到有效秒光耦脉冲后，立刻关闭秒光耦，在计步M步后，秒归零结束；然后启动分光和分马达，指针以最大16HZ脉冲驱动快走，在检测到有效分光耦脉冲后，继续走N步，关光耦，归零结束，归零时；根据接收到无效光耦脉冲情况：秒针在55秒前启动秒归零，在1秒内接收到光反馈，即认为是无效反馈；分归零时，在4秒内接收到光反馈，即认为时无效反馈；同时，分归零检测到光反馈信号要保持一定时间，才能计步继续走N步，然后归零结束；归零结束后，读取单片机自身实时时间，然后进入追时阶段，秒针的追时实际是等待单片机自身时间与秒针所指示时间相等时，启动秒驱动脉冲；分针的追时，最大以16HZ的分脉冲驱动；当单片机时间与指针指示时间不等，就要进入追时，追时时，指针所指示时间大于实际时间，且在5分钟内，则采取等待模式，等时间到达后，再发出分脉冲，否则直接追时；所述的CDMA授时模块，在需要启动时，利用单片机控制MOS管为CDMA授时模块供电；机芯驱动电路模块直接控制备用时钟模块、段式LCD模块和CDMA模块，工作时， MOS管导通，CDMA模块加电，然后通过控制CDMARST，CDMAPower对CDMA授时模块进行复位等操作，利用AT指令集取得CDMA信号的状态和当前时间等，CDMA授时模块通信时以115200bps的高速波特率通信，发出AT指令后，CDMA模块给出精确到毫秒的卫星时间信息；所述的单片机上电后，单片机首先启动CDMA模块，获取时间后修改单片机自身实时时钟时间，然后系统以单片机自身时间作为基准时间运行，其后的时间精度完全由单片机系统自身决定。

2.根据权利要求1所述的指针式CDMA石英钟控制方法，其特征在于所述的CDMA模块每天只启动一次，读取正确时间后或读取错误次数超出规定时，关闭CDMA模块，等待下一次启动。

3.根据权利要求2所述的指针式CDMA石英钟控制方法，其特征在于所述的备用时钟模块，通过I2C总线与单片机通信，可提供年月日时分秒等备用信息，在石英钟初始上电冷启动时，如果不能正确读取CDMA时间，则读取备用时钟模块的备用时间作为石英钟指针时间；每次在CDMA读取正确时间后，以新时间在整数秒的时刻对备用时钟模块的备用时间进行校准。

4.根据权利要求2所述的指针式CDMA石英钟控制方法，其特征在于所述的段式LCD，该系统同时支持具有4个公共端的96段的低功耗段式LCD，用于同时数字输出时间和年月日星期等时间信息，并用于在调试时与PC电脑进行交互通信显示有关参数设置。