Zegar ClockRDS

W praktyce każdego elektronika amatora i profesjonalisty są takie projekty, których samodzielne wykonanie to tak zwane „must have”. Jednym z takich przykładów jest projekt zegara cyfrowego, który w takiej czy innej formie przewijał się również pośród moich projektów, jednak głównie jako dodatkowa funkcjonalność urządzenia docelowego. Tym razem postanowiłem zaprojektować i wykonać urządzenie dedykowane, którego jedyną funkcjonalnością będzie precyzyjne odmierzanie czasu. Nie chciałem jednak, by był to projekt trywialny, w związku z czym postanowiłem, że zegar ten, oprócz typowej funkcjonalności, będzie dysponował możliwością automatycznej synchronizacji czasu z jakimś bardzo dokładnym wzorcem czasu. Co więcej, założyłem, że projektowane urządzenie wyposażone będzie w nowoczesny i efektowny, graficzny wyświetlacz OLED.

Zgodnie z powyższymi założeniami rozpocząłem prace projektowe, których pierwszym krokiem było określenie medium transmisyjnego, przy udziale którego zegar ten będzie miał możliwość automatycznej synchronizacji czasu. Na pierwszy ogień poszedł bardzo popularny wzorzec czasu oznaczany skrótem DCF-77, który jest niczym innym, jak specjalnym sygnałem czasu nadawanym na falach długich na częstotliwości 77,5 kHz. Zaopatrzony w gotowy moduł DCF-77 wyposażony w antenę ferrytową, jak i megaoptymizm, rozpocząłem testy praktyczne. Niestety dość szybko okazało się, że złapanie niezakłóconego sygnału wzorca czasu nie jest w praktyce takie łatwe, gdyż zależy w dużym stopniu od warunków środowiskowych, pory dnia, czy ustawienia anteny modułu, co znalazło potwierdzenie na różnych forach poświęconych elektronice. Niestety, w moim wypadku było jeszcze gorzej, gdyż w zasadzie ani razu nie udało mi się odebrać kompletnej ramki danych, co spowodowało, że porzuciłem pierwotny pomysł wykorzystania sygnału DCF-77 jako wzorca czasu.

W tym momencie nie pozostało nic innego, jak wznowić poszukiwania. Szybko okazało się, że w praktyce wykorzystuje się dwa inne media transmisyjne dysponujące dokładnym wzorcem czasu. Mam tu na myśli moduł GSM, czy moduł nawigacyjny GPS. Rozwiązania te nie są niestety pozbawione wad, które dyskwalifikują je w tak prostym zastosowaniu, jak synchronizacja czasu. Pierwszy z nich, czyli moduł GSM, jest rozwiązaniem o całkiem sporym zapotrzebowaniu na energię a poza tym wymaga zastosowania aktywnej karty SIM.

Drugi, czyli moduł nawigacyjny GPS, wymaga dość dobrej widoczności satelitów, przez co może być bezużyteczny wewnątrz budynków. Już zupełnie inną sprawą jest fakt, że stosowanie tego typu zaawansowanych rozwiązań w postaci wspomnianych modułów wyłącznie do synchronizacji czasu wydaje się przysłowiowym strzelaniem do muchy z armaty. Nie bez znaczenia jest też koszt implementacji tychże rozwiązań.

Cóż więc począć w tak patowej sytuacji? Tutaj z pomocą przychodzi mi doświadczenie zdobyte w implementacji kilku innych rozwiązań, które w swojej budowie wykorzystywały dość rewolucyjny układ scalony odbiornika FM pod postacią elementu o nazwie Si4703 produkowanego przez firmę Silicon Labs, specjalistę w dziedzinie tego typu rozwiązań. Ale zaraz, zaraz. Co wspólnego ma odbiornik FM z możliwością synchronizacji wzorca czasu? Otóż układ, o którym mowa, dysponuje możliwością odbierania komunikatów systemu RDS, wśród których znajduje się komunikat odpowiedzialny za wzorzec czasu, więc idealnie wpasowuje się w założenia projektowe. Co nie bez znaczenia, aplikacja tegoż peryferium ogranicza się do zaledwie kilku elementów zewnętrznych. Wynika to z faktu, że w budowie układu Si4703 wykorzystano zaawansowany, cyfrowy tor przetwarzania sygnału przy użyciu wbudowanych przetworników ADC oraz DAC oraz procesora DSP zajmującego się dekodowaniem i obróbką sygnałów w.cz. jak i audio. Zresztą wystarczy wspomnieć, że element Si4703 jest przykładem jednego z wielu produktów rodziny Si47xx tejże firmy (dostępnych jest ponad 25 rodzajów układów), w zakresie której mieszczą się zarówno odbiorniki, jak i nadajniki we wszystkich dostępnych pasmach radiowych zróżnicowane pod względem zintegrowanej funkcjonalności.

Muszę jednak zaznaczyć, że nie będę w tym miejscu przytaczał szczegółowych informacji dotyczących implementacji tego arcyciekawego peryferium, gdyż po pierwsze, dostarczana dokumentacja producenta jest bardzo dobrze napisana, po drugie zaś, wszelkie szczegóły konfiguracji i obsługi układu zostały bardzo dokładnie opisane w ramach mojego projektu o nazwie „pocketRadio”, który został opublikowany na łamach naszego miesięcznika w numerach 06.2013 i 07.2013. W dalszym opisie przedstawię jedynie nowe, jeszcze nieopisywane funkcjonalności.

Budowa

Schemat naszego urządzenia pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat ideowy urządzenia ClockRDS

Jak widać, zaprojektowano dość prosty system mikroprocesorowy zbudowany z wykorzystaniem popularnego mikrokontrolera firmy Atmel typu ATmega88 taktowanego wewnętrznym, wysokostabilnym oscylatorem o częstotliwości 1 MHz, którego zadaniem jest obsługa układu Si4703 za pomocą wbudowanego w mikrokontroler interfejsu TWI oraz, jak już wspomniano wcześniej, obsługa i dekodowanie wiadomości systemu RDS z wykorzystaniem przerwania zewnętrznego Pin Change Interrupt 0 (pin PCINT1 mikrokontrolera).

Dodatkowo, w ramach programu obsługi urządzenia, zaimplementowano software’owy zegar czasu rzeczywistego RTC wykorzystujący do swojego działania układ czasowo-licznikowy Timer2 wbudowany w mikrokontroler pracujący w trybie asynchronicznym i taktowany przy udziale zewnętrznego rezonatora kwarcowego o częstotliwości 32768 Hz. Co więcej, mikrokontroler realizuję również obsługę interfejsu użytkownika złożonego z jednego klawisza funkcyjnego „SET” umożliwiającego manualne ustawienie zegara i obsługę doskonałej jakości graficznego wyświetlacza OLED o przekątnej 2,7”, grubości zaledwie 2 mm (!) i organizacji 128×64 piksele wyposażonego w sterownik ekranu SSD1309. Jako że element ten potrzebuje do swojego działania napięcia 12 V, w tym celu zastosowano nowoczesną przetwornicę typu step-up o oznaczeniu TPS61085 produkcji firmy Texas Instruments w swej podstawowej aplikacji pracy. Przetwornica ta odznacza się doskonałymi parametrami elektrycznymi, z których najważniejsze to wysoka sprawność dochodząca do 93%, szeroki zakres napięcia wejściowego (2,3 do 6 V), opcja miękkiego startu, szereg wbudowanych zabezpieczeń (termiczne, od niskiego napięcia wejściowego) oraz duża częstotliwość przełączania 1,2 MHz, dzięki czemu można stosować elementy o mniejszych wymiarach (mniejsza indukcyjność i pojemność). Dodatkowo, układ TPS61085 wyposażono w wejście EN (Enable), za pomocą którego możemy wyłączyć przetwornicę, jeśli zajdzie taka potrzeba (np. wygaszenie wyświetlacza) i tym samym ograniczyć pobór prądu ze źródła napięcia zasilającego. Warto również podkreślić, że nie bez powodu wybrano ten rodzaj wyświetlacza, wszak jego właściwości użytkowe w porównaniu z typowym elementem LCD są nie do przecenienia. Co więcej, cena tego modułu zbliżona jest do ceny analogicznego elementu wykonanego w technologii LCD, co nie pozostawia nam właściwie wyboru. W związku z tym, że wyświetlacz z tego rodzaju sterownikiem znalazł zastosowanie w moim wcześniejszym projekcie o nazwie „Bezprzewodowy system pomiaru temperatury Tmaster/Tslave”, opublikowanym na łamach naszego miesięcznika w numerach 08.2018 i 09.2018, z góry uprzedzam, że nie będę powielał w tym miejscu szczegółów implementacyjnych związanych z obsługą tegoż peryferium.

Rozwiązania programowe

Przejdźmy zatem do tych rozwiązań programowych, które nie znalazły zastosowania w poprzednich moich projektach, o których wspomniałem powyżej. Zgodnie z tym, co napisałem wcześniej, układ Si4703 dostarcza kompletne informacje systemu RDS, w ramach których przesyłany jest również wzorzec czasu (jeśli dana rozgłośnia radiowa nadaje taki komunikat). Warto przypomnieć, że dane w systemie RDS zorganizowane są w grupy składające się z czterech bloków danych (każdy po 26 bitów informacji). Każdy blok zawiera 16-bitowe słowo przenoszące właściwą informację oraz 10 bitów danych korekcyjnych przeznaczonych zarówno do sprzętowej korekcji błędów, jak i synchronizacji bloków oraz grup danych. Dwa pierwsze bloki (Blok1…Blok2) zawierają podstawowe struktury danych charakterystyczne dla konkretnej stacji radiowej oraz bieżącej informacji, która jest przez nią transmitowana, i identyfikator grupy danych (bity A3…A0 oraz B0), który determinuje zawartość pozostałych bloków danych (Blok3…Blok4). Wspomniany identyfikator przewiduje 32 typy grup wiadomości (a dokładnie 16 typów, każdy w wersji A oraz B), które determinują znaczenie informacji zawartej w blokach danych Blok2 (ostatnie 5 bitów bloku) oraz Blok3…Blok4. My zajmiemy się tutaj wyłącznie typem danych oznaczanym symbolem 4A, czyli wzorcem czasu, którego strukturę pokazano na rysunku 2 (zaznaczono odpowiednie rejestry układu Si4703 tj. RDSA…RDSD).

Rysunek 2. Struktura danych dla grup wiadomości typu 4A

Przeznaczeniem tego typu grupy danych jest przesyłanie informacji o czasie, która może być wykorzystana przez radioodbiornik do synchronizacji wbudowanego zegara czasu rzeczywistego, co wykorzystywane jest w niniejszym projekcie. Struktura tego typu danych zawiera następujące elementy:

• MJD jest 17-bitowym słowem reprezentującym datę zapisaną w konwencji MJD (Modified Julian Date),
• H jest wartością godzin czasu UTC w zapisie 24-godzinnym,
• M jest wartością minut czasu UTC,
• OFF jest offsetem godzin czasu lokalnego w stosunku do wysłanego znacznika czasu podanym jako wielokrotność 30 minut. Znacznik ± określa znak offsetu (0 oznacza offset dodatni a 1 oznacza offset ujemny).

Nie będę w tym miejscu wdawał się w szczegóły implementacyjne systemu RDS, gdyż, jak napisałem, zostały poruszone w ramach innych projektów, lecz przedstawię funkcję obsługi przerwania Pin Change Interrupt 0 odpowiedzialną za odebranie i rozkodowanie wiadomości przenoszącej wartość wzorca czasu. Ciało tejże funkcji (wraz z deklaracją nowych typów danych) pokazano na listingu 1.

Wiemy już, jak zdekodować dane dotyczące wzorca czasu przenoszone w ramach wiadomości systemu RDS, jednak nasz zegar działa niezależnie od tego mechanizmu, gdyż korzysta z implementacji zegara czasu rzeczywistego zrealizowanego z wykorzystaniem układu czasowo-licznikowego Timer2 wbudowanego w mikrokontroler a „zasilanego” sygnałem oscylatora 32768 Hz. Pora na przedstawienie kilku kluczowych funkcji obsługujących tenże mechanizm. Pierwsza z nich, pokazana na listingu 2, to funkcja odpowiedzialna za inicjalizację Timera2.

Kolejna z funkcji, niezbędna przy realizacji zaawansowanego zegara RTC, to funkcja, która na podstawie argumentów wywołania (rok i miesiąc) ustala liczbę dni miesiąca, uwzględniając fakt, czy dany rok jest rokiem przestępnym, czy też nie. Ciało tejże funkcji pokazano na listingu 3.

Funkcja getMonthDaysLimit() korzysta ze zmiennej monthsDays[] umieszczonej w pamięci programu, której definicja przedstawia się następująco:

I na koniec funkcja przerwania od przepełnienia zawartości licznika Timer2, która wywoływana co 1 s realizuje całą, założoną funkcjonalność programowego zegara RTC. Ciało tejże funkcji pokazano na listingu 4.

Schemat działania

Pora przyjrzeć się schematowi działania zegara, a jest on dość prosty. Tuż po włączeniu zasilania i inicjalizacji wszystkich peryferiów uruchamiany jest zegar RTC odmierzający czas. Następnie przeszukiwane jest pasmo radiowe w poszukiwaniu aktywnej stacji FM.

Niepowodzenie tego procesu skutkuje zawieszeniem dalszego przeszukiwania pasma radiowego na czas 1 minuty. Powodzenie powoduje z kolei oczekiwanie urządzenia przez czas 30 sekund na dane systemu RDS grupy 4A (Clock & Time). Jeśli w odmierzanych 30 sekundach zostaną odebrane ważne dane RDS grupy 4A zegar nasz synchronizowany jest wzorcem czasu systemu RDS po czym przechodzi w tryb odmierzania czasu 1 godziny, podczas którego musi nastąpić kolejne odebranie danych wzorca czasu. Jeśli wspomniany czas 30 sekund upłynie i nie zostaną odebrane ważne dane RDS grupy 4A algorytm przechodzi w tryb wyszukiwania nowej stacji radiowej. Tak samo stanie się w przypadku, gdy od ostatniego odbioru danych wzorca czasu upłynie więcej niż 1 godzina. Szczegółowy diagram obrazujący algorytm wyszukiwania danych wzorca czasu naszego zegara pokazano na rysunku 3.

Rysunek 3. Szczegółowy diagram obrazujący algorytm wyszukiwania danych wzorca czasu

Obsługa urządzenia

Kilka słów uwagi należy się również manualnej obsłudze zegara za pomocą opcjonalnego przycisku SET (normalnie niemontowany na obwodzie drukowanym). Długie przyciśnięcie tegoż przycisku powoduje wejście w tryb edycji czasu i daty, co sygnalizowane jest podświetleniem wybranego pola poddawanego właśnie edycji. Dalej, w trybie edycji, każdorazowe długie przyciśnięcie przycisku powoduje przejście do kolejnej pozycji, zaś krótkie przyciśnięcie regulację wybranej wartości (w górę, aż do przepełnienia). Co ważne, w czasie manualnej edycji czasu wstrzymane jest odbieranie danych RDS by nie zakłócać bieżącego procesu edycji. Na fotografii 1 pokazano graficzny interfejs użytkownika urządzenia ClockRDS. Jak widać, oprócz standardowych danych dotyczących kompletnej daty i godziny pokazywana jest również siła sygnału odbieranej stacji FM (w formie bargrafu) oraz wskaźnik odebrania wiadomości RDS zawierającej wzorzec czasu (ikonka zegarka pokazywana przez 15 s po każdym poprawnym odbiorze wiadomości RDS zawierającej wzorzec czasu).

Montaż

Zaprojektowano bardzo zwarty obwód drukowany (wielkości zastosowanego wyświetlacza OLED) zbudowany wyłącznie z elementów SMD umieszczonych po stronie BOTTOM. Schemat płytki pokazany jest na rysunkach 4 i 5.

Rysunek 4. Schemat obwodu drukowanego, strona top

Rysunek 5. Schemat obwodu drukowanego, strona bottom

Z uwagi na fakt, iż moduł wyświetlacza OLED podłączony jest do płytki naszego urządzenia z użyciem gniazda ZIF o bardzo gęstym rastrze (0,5 mm), montaż rozpoczynamy właśnie od przylutowania tegoż gniazda. Najprostszym sposobem montażu elementów o tak dużym zagęszczeniu wyprowadzeń, niewymagającym jednocześnie posiadania specjalistycznego sprzętu, jest użycie typowej stacji lutowniczej, dobrej jakości cyny z odpowiednią ilością topnika oraz dość cienkiej plecionki rozlutowniczej, która umożliwi usunięcie nadmiaru cyny spomiędzy wyprowadzeń złącza. Należy przy tym uważać, by nie uszkodzić termicznie tegoż elementu. Jakość tak wykonanego połączenia sprawdzamy pod lupą, korzystając z najprostszego miernika pozwalającego sprawdzić ciągłość połączeń.

Wspomniana kontrola będzie znacznie łatwiejsza, jeśli zmontowaną płytkę przemyjemy alkoholem izopropylowym w celu wypłukania nadmiaru kalafonii lutowniczej.

Niestety dalej zaczynają się przysłowiowe schody, gdyż czas przylutować nasze zgrabne radyjko FM pod postacią układu scalonego Si4703. W tym przypadku nie obędziemy się bez stacji lutowniczej na gorące powietrze (tzw. Hot Air), gdyż niewielka obudowa tego układu o wymiarach 3×3 mm integruje w sobie 20 wyprowadzeń umieszczonych pod spodem i na obrysie obudowy. Po wykonaniu tego delikatnego zadania, które skądinąd wymaga sporego doświadczenia, przechodzimy do przylutowania mikrokontrolera i przetwornicy napięcia TPS61085. Następnie lutujemy pozostałe półprzewodniki a na samym końcu elementy bierne.

Jako antenę przylutowujemy kawałek miedzianego przewodu do pola lutowniczego oznaczonego symbolem ANT. Opcjonalny przycisk SET przylutowujemy pomiędzy wyprowadzenia pola lutowniczego MOSI oraz masę zasilania. Na samym końcu podłączamy wyświetlacz OLED do złącza ZIFF po stronie BOTTOM, zaś sam element przyklejamy po stronie TOP (w miejscu wyznaczonym obrysem), korzystając z dwustronnej taśmy klejącej. Źródło napięcia zasilania (o napięciu z zakresu od 4,5 do 6 V) podłączamy kawałkiem przewodu miedzianego korzystając z pól lutowniczych oznaczonych V+ i V–.

Fotografia 2. Zmontowany obwód drukowany, widziany od strony BOTTOM

Poprawnie zmontowany układ powinien działać tuż po włączeniu zasilania. Dla porządku sprawdzić można napięcie przetwornicy step-up (punkt lutowniczy 12 V), które powinno oscylować około wartości 12 V. Warto również zauważyć, iż obwód drukowany naszego urządzenia wyposażony został w dwa duże pola lutownicze umieszczone przy jego dolnej krawędzi i niepokryte maską lutowniczą, do których możemy przylutować niewielki kawałek laminatu pokrytego miedzią (pod kątem około 75 stopni), tworząc w ten sposób podstawę, na której postawić możemy nasze urządzenie. Zmontowany obwód drukowany urządzenia ClockRDS widziany od strony BOTTOM pokazano na fotografii 2.

Robert Wołgajew, EP