VYSOKÁ ŠKOLA POLYTECHNICKÁ JIHLAVA

Transkript

1 VYSOKÁ ŠKOLA POLYTECHNICKÁ JIHLAVA Katedra elektrotechniky a informatiky Zálohovaný zdroj času bakalářská práce Autor: Tomáš Jiřík Vedoucí práce: Ing. David Matoušek Místo: Jihlava Rok: 2011

2

3

4

5 Anotace Práce se zabývá realizací hw a sw hodin se zálohovaným časem a obvodem reálného času. Výsledkem práce je přijímač signálu DCF a modul s displejem zobrazujícím čas a datum. Pro realizaci je použit procesor firmy Freescale. Práce prověřuje možnost nezávislého napájení pro případ výpadku a použití režimů snížené spotřeby. Synchronizace času je zajištěna pomocí radiového signálu. Práce je zaměřena na možnost nasazení zdroje přesného času do ostrého provozu včetně překlenutí výpadku napájení. Výsledky jsou porovnány s komerčními zdroji přesného času. Klíčová slova Freescale, zdroj přesného času, DCF77, NTP server, synchronizace času

6 Annotation The thesis deals with implementation of hardware and software time clock backup and real time circuit. DCF signal receiver and module with time and date display are the outcomes of this thesis. Freescale processor is used for implementation. The thesis examines the possibility of independent power supply in case of power cut and usage of power saving modes. Time synchronization is provided by radio signal. The thesis is focused on the possibility of deploying exact time resources in full operation including coping with power failure. The results are compared to commercial sources of accurate time. Key Words Freescale, Real-time Clock, DCF77, NTP server, time synchronization

7 Na tomto místě bych chtěl poděkovat vedoucímu bakalářské práce Ing.Bc. Davidu Matouškovi, za odborné vedení práce a za podporu při jejím vytváření. Děkuji také Ing. Matěji Páchovi, PhD. za poskytnutí vývojového kitu a cenné rady při realizaci práce. Rád bych také poděkoval své rodině a všem blízkým, kteří mě podporovali při tvorbě této práce.

8 Prohlašuji, že předložená bakalářská práce je původní a zpracoval jsem ji samostatně. Prohlašuji, že citace použitých pramenů je úplná, že jsem v práci neporušil autorská práva (ve smyslu zákona č. 121/200 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů, v platném znění, dále též "AZ"). Souhlasím s umístěním bakalářské práce v knihovně VŠPJ a s jejím užitím k výuce, nebo k vlastní vnitřní potřebě VŠPJ. Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje AZ, zejména 60 (školní dílo). Beru na vědomí, že VŠPJ má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé bakalářské práce a prohlašuji, že souhlasím s případným užitím mé bakalářské práce (prodej, zapůjčení apod.). Jsem si vědom toho, že užít své bakalářské práce mohu jen se souhlasem VŠPJ, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených vysokou školou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše), z výdělku dosaženého v souvislosti s užitím díla či poskytnutím licence. V Jihlavě dne... Podpis

9 Obsah 1 Úvod a cíl práce Historie, zadání, požadavky Dostupné systémy přesného času Analýza a návrh implementace Popis aplikace Výsledky testování Porovnání s komerčními aplikacemi Závěr, zhodnocení Seznam použité literatury Seznam použitých zkratek Přílohy

10 1 Úvod a cíl práce V úvodní kapitole se krátce zmiňuji o okolnostech, které vedly ke vzniku této práce a popisuji hlavní cíle, které by měla práce splňovat. 1.1 Úvod Již několik let zvažuji různé možnosti, jak firmě zajistit spolehlivý zdroj přesného času. Nejjednodušší varianta je nákup zařízení některé z renomovaných firem, ale během studia jsem dospěl k závěru, že nejlepší by bylo nejdříve zjistit, jak takové zařízení pracuje uvnitř. Od tohoto zjištění byl už jen krůček k zadání této bakalářské práce. 1.2 Cíl práce Práce si klade za cíl praktické užití poznatků získaných studiem a následné porovnání výsledku s komerčními aplikacemi dostupnými na trhu. Důraz bude kladen na dosažení cíle zadání s přihlédnutím k možnostem využití výsledné aplikace v praxi. Cílem tedy není vyvinout zcela nové a unikátní zařízení, ale provést návrh vlastního zařízení dle představ autora a navržený koncept realizovat na úrovni umožňující použití v ostrém provozu. 10

11 2. Historie, zadání, požadavky Na úvod popíšu historický vývoj sledování času a definuji pojem zdroj přesného času. Krátce se též zmíním o různých typech hodin a zařízení pro přesný čas. 2.1 Historie Touha po zdroji přesného času je stará jako lidstvo samo. Od určování denní doby podle slunce se vývoj ubíral k mechanickým hodinám (13. a 14. století), které se skládaly z mechanického oscilátoru, neboli lihýře, zdroje energie závaží a ukazovacího zařízení. Později se již objevily mechanické stroje vybavené kyvadlem a kolem 18. století se zpřesnilo měření času natolik, že již bylo možné měřit nerovnoměrnosti v pohybu země. Od 20. století se v hodinách používá piezoelektrický oscilátor, nebo krystal křemíku. Přesnost původních mechanických hodin, respektive jejich odchylka se ze stovek sekund za den snížila až na sekundu za rok. Běžně používané hodiny dnes nejčastěji používají jako rezonátor křemíkový krystal. Tyto krystaly ale nedosahují dostatečných přesností, takže je nutné hodiny seřizovat. Pro tuto časovou synchronizaci bylo vytvořeno několik přesných centrálních zdrojů času, které používají velmi přesné rezonátory. Nejpřesnějším používaným zdrojem času jsou atomové hodiny, jejichž přesnost je o několik řádů vyšší než přesnost křemíkových hodin. Poprvé byly zprovozněny v roce Používají jako rezonátor izotop cesia 133. Atomy tohoto prvku rezonují na frekvenci Hz. Frekvence je neměnná bez ohledu na teplotu a okolní tlak a díky tomu lze dosáhnout odchylky 1 s za několik set tisíc let. Používají se zejména jako zdroj přesného času do GPS družic. V domácnostech se většinou používají hodiny se synchronizací pomocí systému DCF 77 pracujícím na frekvenci 77,5 khz. Signál přesného času je vysílaný z Frankfurtu a je využitelný do vzdálenosti 1800 km. K příjmu tohoto signálu je třeba speciální přijímač. Střední hodnota kmitočtu 77,5 khz má odchylku od jmenovité hodnoty nižší než za týden. 11

12 Pro zdroje přesného času se často používá označení "Hodiny reálného času" z anglického Real-time clock (zkratka RTC). Hodiny reálného času tvoří většinou integrovaný obvod, který udržuje údaj o aktuálním čase. Hodiny reálného času se používají nejenom v počítačích a serverech, ale také v elektronických zařízeních, která potřebují přesný čas. RTC bývá napájen lithiovou baterií (bateriemi) a svojí nízkou spotřebou může doplnit elektronický systém údajem přesného času pro porovnání času s externím zdrojem (družice, GPS), případně systém od počítání času zcela osvobodit. Ve většině případů se používá krystalový oscilátor s frekvencí 32,765 khz, jedná se tedy o stejné zařízení, jako v běžných náramkových hodinkách s označením "quartz". Quartz anglicky křemen, se používá jako obchodní označení pro hodinky používající křemenný oscilátor (využívá piezoelektrický jev). Původně rozměrné laboratorní hodiny vyráběné ve Švýcarsku se postupně vyvíjely až po náramkové hodinky, které svou přesností i cenou začaly na trhu nahrazovat mechanické strojky. Frekvence 32,765 khz se v hodinkách elektronicky dělí až na frekvenci 1 Hz a převádí se na indikační zařízení. Bez přesného času nelze dnes uvažovat systém provádějící transakce v reálném čase. Počítačové systémy často jako zdroj přesného času využívají NTP protokol pro synchronizaci času s NTP serverem po internetu. NTP (Network Time Protocol) je protokol pro synchronizaci vnitřních hodin počítače. Pomocí tohoto protokolu mohou mít všechny počítače v síti stejný (přesný) čas. Pomocí algoritmu zjišťování odchylky času z různých NTP serverů lze dosahovat přesnosti v řádu milisekund. NTP servery používají hierarchický systém, díky kterému lze z jednoho zdroje přesného času (např. atomové hodiny) postupně distribuovat přesný čas k deseti-tisícům počítačů na celém světě. Detaily NTP provozu jsou popsány v RFC 778, 891, 956, 958 a Další podrobnosti lze dohledat na [2]. 12

13 2.2 Zadání Zadáním bakalářské práce je navrhnout a realizovat HW a SW hodin se zálohovaným časem a obvodem reálného času. Displej bude zobrazovat čas a datum. Pro realizaci použijeme procesor firmy Freescale. Prověříme možnost nezávislého napájení a použití režimů snížené spotřeby. Zajistíme synchronizaci času pomocí rádiového signálu. Ověříme možnost nasazení zdroje přesného času do ostrého provozu včetně překlenutí výpadku napájení. Výsledky porovnáme s komerčními zdroji přesného času. 13

14 2.3 Požadavky Výsledná aplikace by měla udržovat svůj vlastní čas a umožňovat jeho synchronizaci pomocí radiového signálu. Navržený systém by měl být odolný proti výpadku napájení. 14

15 3. Dostupné systémy přesného času Na trhu je nepřeberné množství komerčních zdrojů přesného času pro nejrůznější použití. Pro účely porovnání parametrů s naším zdrojem přesného času využijeme informací ze stránek jednoho z předních výrobců komerčních zdrojů přesného času firmy MEINBERG Meinberg vyrábí kromě NTP serverů založených na průmyslovém PC i jednoduché přijímače DCF signálu s rozhraním RS-232. Z širokého portfolia výrobků si budeme všímat především zdrojů přesného času určených pro příjem signálu DCF77 a zároveň fungující jako časový server (řada LanTime), jakým je například LANTIME M300/PZF. Základem NTP serveru je jednodeskový průmyslový počítač s upravenou distribucí Linuxu a vlastní varianta NTPD protokolu. Upravený software umožňuje optimální využití hardwaru a tím i maximální přesnost zařízení. Model M300/PZF má vstup DCF77, dvě rozhraní Ethernet a skříň 19 /1U [5]. LANTIME M300/PZF je zdroj přesného času použitelný na území celé Evropy pro počítačové sítě všech velikostí. Pro synchronizaci je použitelný pro všechny systémy kompatibilní s NTP a SNTP. Má vestavěný modul DCF77 a vlastní zdroj referenčního času (přesný oscilátor). Celý systém je provozován na Linuxové platformě, díky které podporuje celou řadu síťových protokolů [5]. 15

16 4. Analýza a návrh implementace V této kapitole se kromě obecného pojednání o vysílání časového signálu zabývám jeho rozborem a popisem. Po zmínce o klíčování pseudonáhodným šumem se dostanu k samotnému návrhu zařízení. 4.1 Synchronizace času pomocí radiového signálu Obecně První vysílání časových signálů začalo již roku Nejdříve v USA a s pětiletým zpožděním i v Evropě, konkrétně v Německu a Francii. Záhy se projevily problémy s koordinací vysílání ve světě a tak byla kvůli koordinaci roku 1912 v Paříži pořádána mezinárodní konference věnovaná úpravě vysílání radiotelegrafických časových signálů. V České Republice začalo vysílání signálu přesného kmitočtu na frekvenci 3,5 MHz v roce 1955, pokračovalo na frekvencích 2,5 MHz a 3,170 MHz, až v roce 1957 přešlo na dlouhé vlny 48,6 khz a o rok později na rovných 50 khz. Jednalo se o první signál přesného času na dlouhých vlnách ve světě. Poměrně vyspělý signál vysílače OMA 50 odvozovaný z atomových hodin byl od roku 1969 koordinovaný s UTC a přestože byl ve své době na vyšší technické úrovni než signál z vysílače DCF77, zájem o jeho vysílání postupně slábl až do jeho vypnutí v roce Měření času pokračuje dodnes, i když už se signál nevysílá. Pro potřeby systémů s přesným časem se v současné době používá družicový systém GPS a také vysílač DCF77. DCF77 je vysílací stanice alokovaná v Německu, nedaleko Frankfurtu nad Mohanem. Z vysílače umístěného jihozápadně od Mainflingen (50 01 severní šířky, východní délky) vysílá na dlouhých vlnách s kmitočtem 77,5 khz signál odvozený od atomových hodin. Vysílač je v provozu od roku 1970, má výkon 50 kw (odhad vyzářeného výkonu 30 kw) s dosahem 2000 km. Provozní doba je nepřetržitá 24 hodin, v případě výpadku či údržby se přepíná vysílání na záložní vysílač. Volací značka pro 16

17 identifikaci vysílače je přenášena třikrát v hodině v 19., 39. a 59. minutě každé hodiny tónovou modulací nosné vlny kmitočtem 250 Hz znaky Morseovy abecedy (D Německo, C dlouhé vlny, F Frankfurt, 77 frekvence 77,5 khz) bez přerušení vysílání časových značek [1][8]. DCF77 signál vysílaný anténou 150 m (záložní 200 m) se šíří jednak jako přízemní vlna podél zemského povrchu, jednak jako odraz od ionosféry. Předpokládaný dosah činí 1900 km až 2100 km (den/noc). Vzdálenější příjem signálu je možný vícenásobným odrazem, což je spojeno se snížením intenzity pole. Obrázek 1 - poloviční dosah vysílače DCF77 (zdroj Na obrázku 1 je graficky znázorněn dosah signálu vysílače. Kolem Mainflingenu je vyznačen okruh 1000 km, což je polovina předpokládané vzdálenosti se spolehlivým příjmem. Pro naše potřeby je pokrytí signálem DCF77 více nežli dostatečné, neboť se nacházíme ve vzdálenosti cca 480 km od vysílače. Pro úplnost uvádím seznam míst, kde byl příjem signálu ověřen. 17

18 Seznam míst, kde je signál DCF77 přijímán [1]: Danzig (Gdansk, Polsko) 800 km Lodz (Lodz, Polsko) 800 km Belgrade (Jugoslávie) 1100 km Stockholm (Švédsko) 1200 km Mallorca (Španělsko) 1200 km Trondheim (Norsko) 1400 km Teneriffa (Španělsko) cca km, ovšem pouze v noci a s velmi dobrým přijímačem Jedda, Riath (Jemen) cca km, pouze v noci, 3 až 4 hodiny s hodinami Junghans Rozbor signálu DCF 77, popis Nosná vlna je modulována amplitudově sekundovými znaky. Na začátku každé sekundy (s výjimkou 59. sekundy každé minuty) je amplituda nosné snížena na dobu 0,1 s nebo 0,2 s na 25 %. Pokles trvající 0,1 s znamená log 0, pokles trvající 0,2 s log 1. Začátek snížení nosné je přesný začátek sekundy (dříve to byl okamžik dosažení 70 % plné amplitudy). Nesnížení amplitudy u 59. sekundy oznamuje následující minutový znak. Sekundové znaky jsou fázově synchronní s nosnou. Přenosem je časová odchylka, se kterou mohou být body sekundových znaků přijímány větší než u řízených atomových hodin. Příčinou toho je nepatrná šířka pásma vysílací antény, vlivy prostorových vln a možné interference. Přesto jsou při příjmu sekundových znaků ve vzdálenosti několika stovek kilometrů od vysílacího místa dosažitelné odchylky nižší než 0,1 ms [1]. 18

19 Obrázek 2 - DCF77 modulace [8] Během každé minuty jsou přenášena bitová čísla minuty, hodiny, dne, dne v týdnu, měsíce a roku pulzní modulací sekundových znaků v kódu BCD. Tento telegram platí vždy pro následující minutu. Z toho plyne, že na kompletní synchronizaci zařízení je třeba příjem signálu po dobu delší než jedna minuta. Jak již bylo zmíněno odpovídají sekundové znaky o délce 0,1 s binární nule a o délce 0,2 s binární jedničce, přičemž je třeba uvážit možnosti rušení a případnou chybu detekce signálu, kdy časový posun může teoreticky znamenat záměnu logických hodnot. Podle toho, zda je rušivý signál ve fázi s nosnou přijímaného signálu, nebo naopak v protifázi, může docházet ke změně délky značky, což ovlivní správné vyhodnocení signálu. Přiřazení jednotlivých sekundových znaků k přenášené časové informaci ukazuje kódovací schéma. 19

20 Obrázek 3 - kódovací schéma DCF77 [8] Tři kontrolní bity P1, P2 a P3 doplňují vždy předcházející informační slova (7 bitů pro minutu, 6 bitů pro hodiny a 22 bitů pro datum, včetně čísla dnu v týdnu) právě na sudý počet jedniček (sudá parita) [1]. Časové znaky Z1 a Z2 (č. 17 a 18) ukazují, na který časový systém se vztahuje vysílaná časová informace. Při vysílání SEČ jsou sekundové znaky Z1, Z2 = 01b, při vysílání SELČ jsou Z1, Z2 = 10b, ostatní kombinace 00b a 11b nejsou prozatím využívány [1]. Před přechodem z SEČ na SELČ, nebo naopak, se vysílá kromě toho vždy po celou jednu hodinu před změnou sekundový znak A1 (č. 16) = 1b. Toto prodloužení začíná při přechodu z SEČ na SELČ (z SELČ na SEČ) v 01:00:16 hodin SEČ (2:00:16 hodin SELČ) a končí v 01:59:16 hodin SEČ (02:59:16 hodin SELČ). 20

21 začátek minuty (0b) RF přenos přes normální (0b) nebo záložní anténu(1b) R A1 oznámení o změně letního času (SEČ/SELČ) 1 h předem (1b = změna) Z1,Z2 identifikace časové zóny (0,0 = +0 h, 0,1 = +1 h SEČ, 1,0 = +2 h SELČ) A2 oznámení přestupné sekundy 1 h předem (1b = změna) S začátek časového kódu (1b) P1, P2, P3 kontrolní paritní bity (sudé) Tabulka 1: popis kódovacího schématu DCF77 M Sekundový znak A2 (č. 19) oznamuje vložení přestupné sekundy. Vysílá se rovněž po jednu hodinu před zavedením přestupné sekundy jako A2 = 1b. Přestupné sekundy se zavádí ke stejnému časovému okamžiku do koordinované světové časové stupnice UTC, přednostně na konci poslední hodiny 31. prosince nebo 30. června. To znamená, že přestupné sekundy jsou u DCF77 vsunuty do zákonného času sekundu před 1. hodinou SEČ 1. ledna nebo před 2. hodinou SELČ 1. července. Při zavedení přestupné sekundy 1. ledna (1. července) začíná signalizace sekundovým znakem A2 v 00:00:19 hodin SEČ (01:00:19 hodin SELČ) a končí v 00:59:19 hodin SEČ (01:59:19 hodin SELČ). Při zavedení přestupné sekundy trvá příslušná minuta 61 sekund, značka před 01:00:00 hodin SEČ (02:00:00 hodin SELČ) (59. sekundový znak) je vysílána snížená po dobu 0,1 s (0b) a příslušný znak vložené 60. sekundy je vynechán (minutová značka) [1]. 21

22 Výsledný kód z kódovacího schémat můžeme rozdělit podle předchozích informací následovně: Bit Obsah Minutová značka (začátek minuty, vždy 0b) Rezervní bity (používané v Německu pro systém varování a meteorologii) Anténa (přenos přes normální 0b, nebo záložní 1b anténu) Oznámení o změně letního času (SEČ/SELČ) 1 h předem (1b = změna) Identifikace časové zóny (0,0 = +0 h, 0,1 = +1 h SEČ, 1,0 = +2 h SELČ) Oznámení přestupné sekundy 1h předem (1b = změna) Začátek časového kódu (1b) Minuta Kontrolní paritní bit (sudá parita) Hodina Kontrolní paritní bit (sudá parita) Den v měsíci Den v týdnu Měsíc v roce Rok Kontrolní paritní bit (sudá parita) Mezera až do minutové značky, vysílá se pouze přestupná sekunda Tabulka 2: výsledný kód kódovacího schématu DCF77 [6] Klíčování fáze DCF77 nosné pseudonáhodnou sekvencí Dodatečně k amplitudové modulaci (AM) je nosná DCF77 klíčována od roku 1983 pseudonáhodným fázovým šumem. Toho je dosaženo tak, že je fáze nosné klíčována zdvihem ±12 % pseudonáhodnou binární sekvencí, přičemž střední hodnota fáze nosné zůstane nezměněna. Pseudonáhodná sekvence je generována devítibitovým posuvným registrem, jehož výstupy na 5. a 9. bitu jsou vedeny přes hradlo XOR zpět na vstup posuvného registru. Pokaždé po uplynutí 200 ms od počátku sekundy je spuštěn posuvný registr ze stavu nula. Registr se zastaví po uplynutí úplného cyklu, což je přibližně 7 ms před dalším sekundovým znakem. Registr je taktován frekvencí 645, Hz což je 22

23 120. subharmonická nosné frekvence 77,5 khz. Doba celého cyklu posuvného registru je necelých 793 ms. Každým cyklem šumu je přenesen 1 bit, přičemž invertované pseudonáhodné pořadí odpovídá datovému stavu log. 1. Fázovým šumem je přenášena, až na vynechaný 59. sekundový znak u AM (signalizující minutový znak), stejná binární informace jako u AM. Namísto vynechaného 59. sekundového znaku u AM se při kódování sekvencí inverzního klíčování fáze nosné (SIK) signalizuje minutová značka deseti invertovanými pseudonáhodnými sekvencemi v 0. až 9. sekundě nové minuty. Na přijímací straně se dá použitá pseudonáhodná sekvence reprodukovat jako hledající signál křížově korelovaný s přijímaným fázovým šumem. Křížová korelace ve spojení s pseudonáhodným fázovým šumem dovoluje přesné určení pozice časové značky v přijímaném signálu. Díky použití pseudonáhodného fázového šumu není rušen příjem amplitudově modulovaných časových signálů a také nejsou ovlivněny vlastnosti DCF77 jako vysílače normálové frekvence. Zavedením kódování časové informace SIK fáze nosné je umožněn příjem časové informace tímto druhem provozu ve větších vzdálenostech od vysílače při horším poměru signál / šum s větší odolností proti rušení, než tomu bylo při příjmu informace kódované poklesem amplitudy [1]. 4.2 Analýza problému, návrh zařízení Popis (co je cíl), požadavky Budu realizovat přípravek obsahující modul pro příjem radiového signálu, HW a SW hodin se zálohovaným časem a obvodem reálného času. Výsledný přípravek bude zobrazovat na displeji datum a čas. Pro realizaci vyberu některý z procesorů firmy Freescale. Přípravek bude zohledňovat požadavky na nezávislé napájení a možnost provozu v režimu snížené spotřeby. Synchronizaci času zajistím pomocí radiového signálu. 23

24 Náčrt obecně, výběr procesoru, vlastnosti napájení Obrázek 4 - náčrt zapojení přípravku Na obrázku je náčrt zapojení přípravku obsahující vše potřebné pro realizaci. Zdroj napájení, včetně zálohy napájení pomocí baterie, nebo superkapacitoru. Klávesnice umožňující ovládání a nastavování bude vybavena tlačítky. Komunikační rozhraní SCI umožní komunikaci s počítačem. Mikroprocesor pro řízení celého přípravku. DCF modul pro synchronizaci pomocí radiového signálu. RTC zdroj času (volitelný). LCD driver umožní ovládání displeje pro zobrazení data a času. LCD modul bude zobrazovat datum a čas. Nejdříve je třeba vybrat vhodný modul z portfolia výrobků firmy Freescale. Pro aplikaci zálohovaného zdroje času budu vybírat ze skupiny 8-bit mikrořadičů, ve které můžeme nalézt množství přípravků určených pro aplikace low-power, vybavených hardwarovým 24

25 ovladačem LCD displeje. Pro výběr vhodného produktu je možné použít výběrový nástroj na stránkách firmy Freescale: Pro mé účely není nutné tento nástroj používat, vyberu modul přímo z kategorie produktů určených pro LCD aplikace. Mezi nízkopříkonovými typy lze nalézt typ S08LL nový ultra nízko napěťový segmentový LCD. Dle informací na internetových stránkách firmy Freescale je S08LL ideální pro aplikace provozované v bateriovém provozu a v systémech s režimem nízké spotřeby. Umožňuje provozovat CPU na frekvenci až 20 MHz při napájení v rozmezí 1,8 až 3,6 V. Dále umožňuje provoz v režimu snížené spotřeby, obsahuje LCD driver a je vybaven až 64 KB flash paměti. Navíc je vybaven rozhraním SCI, které hodlám využít pro komunikaci s počítačem. Z nabídky firmy Freescale jsem vybral modul MC90S08LL64, který obsahuje většinu potřebných prvků a je určen pro zapojení požadující nízkou spotřebu. K usnadnění vývoje mé aplikace je možné použít nabízený vývojový kit TWR-S08LL64, který lze získat od výrobce za poměrně nízkou cenu. Samotný návrh prototypu bude tedy odzkoušen na vývojovém kitu TWR-S08LL64. Obrázek 5 - TWR-S08LL64-KIT [4] 25

26 TWR-S08LL64-KIT je 8-mi bitový modul z vývojové platformy Tower System výrobce Freescale. Patří do skupiny HCS08, což je segment LCD mikrokontrolérů s nízkými nároky na napájení. Modul obsahuje konektory pro spojení s propojovacím modulem, 2 x 28 segmentový LCD display, potenciometr, RS232 port, 4 switche se signalizací LED, mikrokontroler MC9S08LL64 MCU, Mini-B USB konektor pro spojení s počítačem, reset switch, trojosý akcelerometr, světelný senzor, reproduktor a krystal na frekvenci 32,768 Hz. Obsahuje i slot pro lithiovou baterii (nebo externí zdroj), což mi umožní otestovat režim nízké spotřeby v praxi. Tento 8-mi bitový modul je vhodný pro vývoj aplikací s nízkými nároky na napájení. Vestavěný LCD modul umožňuje zobrazování času při minimální spotřebě elektřiny a je vhodný na bateriový provoz. Rozsah provozních teplot od 40 C do +85 C umožňuje nasazení v proměnlivých podmínkách. Jako cílové aplikace jsou výrobcem doporučovány přenosná zařízení, zařízení určená na bateriový provoz, termostaty, aplikace s využitím hodin či alarmů, diagnostické moduly kalkulátory a další [4]. 26

27 5. Popis aplikace V popisu aplikace se zabývám stavbou přijímače DCF a ověřením příjmu signálu. 5.1 Návrh přípravku Návrh přípravku jsem tvořil pomocí programu Eagle firmy CadSoft verze 5.8.0, který byl dostupný jako součást výuky na VŠPJ. Jedná se o výkonný program pro tvorbu schémat a návrhy plošných spojů [10]. Program Eagle je dostupný ve verzi Light, omezené pouze velikostí navrhované desky na 100 x 80 mm, použitím maximálně dvou signálových vrstev a tvorby schématu na jednom listu [10]. Pro potřeby navrhovaného přípravku je tedy zcela vyhovující. Pro zapojení budou použity zejména součástky pro povrchovou montáž, což kromě jiných výhod přinese zejména možnost osadit součástky na menší ploše, než by bylo možné se součástkami v klasickém provedení. Deska je navržena jako jednovrstvá, a to zejména kvůli zjednodušení a zlevnění výroby (omezení velikosti plošného spoje není požadováno). Při návrhu desky byl kladen důraz na dodržování zásad návrhu plošných spojů dle [11]. Jedná se zejména o rozmístění součástek, jejich rozvržení do logických celků, minimalizace délky spojů a vícebodové zemnění. Navrhovaný obvod jsem nejdříve zakreslil jako schéma zapojení, kde jako podklady návrhu sloužily katalogové listy k vývojovému kitu Freescale TWR-S08LL64 [4]. Po zakreslení schématu bylo vytvořeno několik verzí návrhu plošného spoje, ve kterých jsem postupně odstraňoval chyby, rozmístění součástek bylo upravováno dle zásad návrhu plošných spojů. Tím byl obvod celkově optimalizován. Autor si je vědom, že výsledné zapojení není dokonalé, výsledek však považuji za dostačující potřebám tohoto projektu. Dosažená úroveň zpracování je též limitována výrobními možnostmi autora, které nesnesou srovnání s technickým vybavení používaným při průmyslové výrobě plošných spojů. 27

28 5.2 Výroba plošného spoje DCF Plošný spoj je vyroben foto cestou jako jednovrstvá deska. Většina součástek je typu SMD (součástky pro povrchovou montáž). Modul DCF77 jsem kvůli vlivům rušení navrhl jako samostatný obvod, což umožňuje optimalizovat jeho umístění s ohledem na kvalitu příjmu signálu. Modul DCF77, neboli přijímač signálu jsem navrhl s feritovou anténou, což je optimální pro příjem v pásmu dlouhých vln. Feritová anténa je více citlivá na magnetickou složku signálu, na rozdíl od drátové antény, která je citlivější na elektrickou složku signálu. Anténa by tedy neměla být tolik náchylná na umístění. Z rušících elementů je třeba vyhnout se televizním přijímačům, monitorům, počítačům a ostatním elektrickým spotřebičům, alespoň na vzdálenost 2 metry. Nevhodné umístění je uvnitř železobetonových budov. Směrová charakteristika feritové antény je osmičková, má tedy dvě široká maxima příjmu signálu otočená navzájem o 180 stupňů, takže při signálu západního směru je ideální umístění feritové antény ve směru sever-jih. Kvalita příjmu by se však neměla u feritové antény příliš snížit až do odchylky 45 stupňů od ideálního směru. Zapojení obvodu přijímače signálu DCF77 je dáno použitím integrovaného obvodu U4221B (TELEFUNKEN Semiconductors). Schéma obvodu jsem navrhl podle katalogového listu obvodu U4221B [12]. Obrázek 6 - schéma DCF přijímače 28

29 Funkci obvodu lze popsat pomocí následujícího schématu: Obrázek 7 - popis funkce přijímače DCF [12] Na zjednodušujícím schématu (Obrázek 7) jsou popsány hlavní funkce DCF přijímače. Rres je rezonanční rezistor, A1 předzesilovač, CF krystalový filtr. Další bloky tvoří A2 zesilovač, demodulátor a komparátor. Signál z předzesilovače prochází krystalovým filtrem, který funguje jako úzká pásmová propust na kmitočtu 77,5 khz. Demodulátor pak získává z modulovaného signálu přenášenou informaci a komparátor jí pak zpracuje na požadovaný obdélníkový signál. Nejkritičtější částí stavby DCF přijímače je feritová anténa. U ní je třeba dosáhnout rezonančního odporu v rozmezí od 200 kω do 300 kω. Toho lze docílit jednak změnami v LC obvodu, ale jednodušší bude zaměřit se na šířku pásma antény a z ní potom spočítat rezonanční odpor. Šířku pásma jsem měřil pomocí generátoru signálu, na který je napojena indukční smyčka Obrázek 8. Na feritovou anténu zapojena sonda osciloskopu 10 : 1. Ve výsledném výpočtu se uváží i hodnota vstupní kapacita sondy, která činí obvykle kolem 10 pf. Rezonanční frekvence se stanoví změnou frekvence na generátoru signálu, kdy dva kmitočty pro které pokles napětí rf signálu na sondě činí více jak 3 db určují meze a jejich rozdíl je šířka pásma antény. Při známé hodnotě kondenzátoru Cres, lze vypočíst hodnotu rezonančního odporu podle vzorce na Obrázku 9 [12]. 29

30 Obrázek 8 - měření šířky pásma antény [12] Rr e s = 1 2. π. BW A. C r e s Obrázek 9 - vzorec pro výpočet rezonančního odporu [12] Rres je rezonanční rezistence, BWA je šířka pásma v Hz a Cres je hodnota kapacitoru v obvodu antény. Zde je třeba zvážit další parazitní kapacity, které mohou vznikat. Parazitní kapacita může dosahovat až cca 20 pf [12]. Samotný obvod U4221B je 16ti pinový integrovaný obvod určený pro příjem signálů od 60 do 80 khz. V obvodu je integrována funkce předzesilovače, demodulátoru a komparátoru, obvod je stabilizován pro napájení od 2,4 do 5,5 V. Obvod vyniká vysokou citlivostí, nízkými nároky napájení a pro zapojení modulu DCF není třeba mnoho dalších komponent. Pro upřesnění uvádím blokové schéma obvodu a význam jednotlivých pinů dle [12]. 30

31 Obrázek 10 - blokové schéma obvodu U4221B [12] Pin Symbol IN2 IN1 GND CAGC CDEM INA2 GND OUTA1 VCCD NC FSS FSI TCO PON GND VCCA Funkce vstup 2 zesilovače 1 vstup 1 zesilovače 1 analogová zem časová konstanta AGC dolnopropustný filtr vstup zesilovače 2 digitální zem výstup zesilovače 1 napájení (digitální část) nepřipojeno výběr síly pole indikace síly pole výstup časového kódu zapínání/vypínání zem 16 napájení (analogová část) Tabulka 3 - popis a význam pinů obvodu U4221B [12] 31

32 Anténu pro příjem DCF signálu tvoří feritová tyč délky 80 mm o průměru 8 mm, kterou jsem získal ze starého rádia. Cívku L1 jsem navinul z drátu o průměru 0,5 mm, počet závitů je 34. Pomocí zdroje signálu frekvence 77,5 khz a kapacitní dekády jsem experimentálně stanovil hodnotu kapacitoru C3 60 nf. Zároveň se mi podařilo experimentálně zjistit šířku pásma antény 20 khz. Tato šířka pásma by mohla vést k detekci rušivých signálů, proto jsem se rozhodl dále použít anténu doporučenou a odladěnou k příjmu signálu 77,5 khz. 32

33 5.3 Ověření příjmu DCF signálu Pro testování příjmu signálu jsem použil DCF přijímač ze stavebnice KZ300 Přijímač radiového signálu. Zapojení stavebnice je totožné se zapojením obvodu U4221B popisovaným v předchozí kapitole. Výstupní signál je indikován LED diodou a splňuje úrovně TTL. Šířka pásma jsem změřil pokusně pomocí generátoru signálu 77,5 khz a osciloskopu, kde hranu signálu indikuje pokles o 3 db. Spodní hranice pásma 76,5 khz a horní hranice pásma 78,5 khz je zobrazená jako výstup z osciloskopu Obrázek 11 a 12. Obrázek 11 - spodní hranice pásma Obrázek 12 - horní hranice pásma 33

34 Ověření příjmu DCF signálu jsem provedl pomocí osciloskopu. Jako napájecí zdroj DCF přijímače posloužil běžný počítačový zdroj ATX dodávající +5 V. Nejdříve jsem pomocí generátoru ověřil naladění obvodu na frekvenci 77,5 khz a poté vyzkoušel příjem signálu DCF. Na osciloskopu byl výsledný obdélníkový signál na výstupu z DCF přijímače Obrázek 13 a 14. Obrázek 13 - krátký impuls Log. 0 Obrázek 14 - dlouhý impuls Log. 1 34

35 Šířka pásma je tedy 2 khz, resp Hz. Po dosazení do vzorce pro výpočet rezonančního odporu (Obrázek 9) vyšlo Rres=169,31 kω. Dle dokumentace by hodnota rezonančního odporu měla být v rozmezí 200 až 300 kω. Po několika pokusech se změnami hodnot LC obvodu a opakovaném měření vlivu na příjem DCF signálu jsem se rozhodl tuto původní hodnotu ponechat a zvýšený vstupní šum zanedbat. Obrázek 15 - rezonanční frekvence Mezi důležité parametry výsledného zapojení patří i kvalita antény. Jak plyne ze vzorce QA = fres / BWA. Tedy výsledná kvalita je podílem rezonanční frekvence a šířky pásma. Požadovaná kvalita pro zapojení obvodu U4221B je 77,5. Použitá anténa vykazuje činitel kvality 38,75 což považuji za dostatečné. Příjem DCF signálu je podle měření výstupu DCF obvodu na osciloskopu dostatečný a v periodě 24 hodin nevykazoval výraznější známky rušení. V následujícím grafu je vidět průběh přijímaného DCF signálu. Data signálu jsou ze záznamu osciloskopu, z výsledného souboru jsem vybral hodnoty počínaje signálem začátku minuty časového rámce až po bit 36, takže kromě počátečního kódování obsahuje také informaci o minutě a hodině dne. Bity 21 až 27 tvoří minutu v BCD kódu a bity 29 až 34 tvoří hodinu dne v BCD kódu. Výsledný čas je tedy 18 hodin a 19 minut, což odpovídá času záznamu DCF signálu osciloskopem. 35

36 8 2 Sloupec C Sloupec E Obrázek 16 - záznam signálu DCF Obrázek 16 znázorňuje průběh zaznamenaného signálu z osciloskopu. Ve sloupci C jsou znázorněny hodnoty přijímaného signálu, ve sloupci E je vyhodnocení zaznamenaného signálu pro lepší odlišení stavů log 1 a log 0. Osa x je značena ve vteřinách. 36

37 5.4 Výroba plošného spoje Hodiny Plošný spoj je vyroben foto cestou jako jednovrstvá deska. Většina součástek je typu SMD (součástky pro povrchovou montáž). Výčet pomocných zařízení je poměrně stručný, čímž je zaručena nízká spotřeba celého zařízení. Rozmístění součástek odpovídá rozvržení do logických celků. Návrh vychází z katalogových listů vývojového kitu TWR-MC9S08LL64, které jsou obsaženy v příloze. Základ modulu tvoří mikrokontrolér MC9S08LL64CLK, na kterém běží základní aplikace hodin. LCD displej je připojen přímo k mikrokontroléru, neboť budič displeje je v mikrokontroléru již obsažen. Součástí modulu jsou dvě tlačítka sloužící k přepínání režimu aplikace. Dále je vyveden konektor pro připojení externího DCF77 přijímače, nebo v budoucnu dalšího modulu obsahující např. SPI rozhraní, analogové vstupy, nebo tlačítka. Ke komunikaci s externím zařízením může sloužit již zmíněné rozhraní SPI. Ke komunikaci s počítačem je určený obvod MC9S08JM16, který v základní verzi nahrazuje převodník RS232 na USB. Díky tomu je obvod jednoduše připojitelný pomocí virtuálního sériového portu bez nutnosti programovat vlastní ovladač USB zařízení. V budoucnu je možné obvod přeprogramovat a přizpůsobit tak komunikaci na míru konkrétní aplikaci. Rozdílné napěťové úrovně signálů v části hodin a v části USB komunikace je vyrovnáno obvodem IC2 (vyrovnávací paměť s napěťově tolerantními vstupy). Světelná dioda LED1 slouží k vizuální kontrole komunikace na lince USB, činnost hodin je dostatečně vizualizována na LCD. Výhodou USB konektivity je také využití jeho napájecího napětí 5 V, které je v modulu použito k napájení komunikačního modulu, volitelně také přes J1 umožňuje napájení rozšiřujícího modulu. Napětí 5 V je také využito k vytvoření napájecího napětí 3,3 V, potřebného k napájení části hodin, použitý stabilizátor je nízko-úbytkový. Jako záloha napájení je použita lithiová baterie nahraditelná superkapacitorem (doporučená hodnota 1 F/5,5 V, dioda D2 musí být vykrácená). K programování slouží dva konektory BDM (SV1 a SV2), které mohou být 37

38 po naprogramování obvodu odstraněny. Obvod je doplněn filtračními kondenzátory dle doporučení Freescale. Provedení odpovídá požadavkům zadání, jednotlivé části obvodu a postup výroby zde není třeba podobněji popisovat. Pro úplnost uvádím výsledné schéma zapojení obvodu. Obrázek 17 - schéma zapojení obvodu MC9S08LL64CLK Obrázek 18 - schéma zapojení obvodu MC9S08JM16 38

39 5.5 Realizace programu Program jsem tvořil s pomocí knihoven dodávaných firmou Freescale, se snahou využívat maximum standardních funkcí. To má za cíl především zrychlit vývoj aplikace a zjednodušit úpravy kódu. Program napsaný v jazyku C jsem tvořil ve vývojovém prostředí CodeWarrior Development Studio verze 6.3, které je dodáváno spolu s vývojovým kitem. Vývojové prostředí společnosti Freescale Semiconductor je dostupné i na webových stránkách pro různé varianty procesorů, včetně volně dostupných verzí omezených velikostí kódu. Program se skládá z hlavního zdrojového kódu tvořeného souborem main.c, který slouží ke spuštění aplikací LL64_DCF_Clock.c a Interrupts.c, dále knihovnami které obsahují základní funkce pro obsluhu displeje, tlačítek, sériového rozhraní a dalších periferií. Samotné aplikace nebudu podrobně popisovat, soustředím se pouze na podstatné části kódu, které uvádím spolu s komentáři v následujících odstavcích. Hlavní smyčka programu main.c je tvořena for cyklem, který přepíná mezi funkcí hodin StopClock a funkcí aktualizace DCF signálu DcfUpdate. Přepínání se pomocí proměnné state provádí periodicky každou hodinu pro synchronizaci času, pomocí klávesy lze provést přepnutí aplikace a tedy i synchronizaci času ručně. for(;;) { if(state == 0) { StopClock(); } else if(state == 1) { DcfUpdate(); } } //hodiny //aktualizace DCF signálu 39

40 Další důležitou částí je časovač DCF s periodou 10 ms. Má na starosti zjištění délky přijímaných signálů, pomocí které rozlišuje stavy log. 0 a log. 1. Na základě této detekce zapisuje do časového rámce. Časovač se spouští pomocí přerušení, jednotlivé kroky jsou okomentovány přímo v programu. Při nastavení proměnné state na hodnotu 1 se vyhodnocuje délka (trvání) zaznamenaného impulsu v proměnné dcfsignal a podle zjištěné délky impulsu se zvyšuje počitadlo dcfcounterhi pro hodnotu signálu log. 1, nebo dcfcounterlo pro hodnotu signálu log. 0. Signál je vyhodnocen jako log. 0, pokud je jeho délka v rozmezí 80 až 160 ms, při délce nad 160 ms je vyhodnocen jako log. 1, ostatní stavy znamenají chybu. Signál délky 1 s nastaví celý proces dekódování na začátek a vyčkává nový synchronizační impulz. Vyhodnocený signál se ukládá do proměnné dcfsignal a pomocí ukazatele dcfpointer se celá sekvence zapisuje do pole dcfbinary, dokud není zapsáno celých 60 bitů časového kódu. void TI1_OnInterrupt(void) { //zjišťování délky impulsu, detekce signálu DCF if(state == 1) //pokud je povolen příjem DCF { if(dcfsignal == 1) //pro log. úroveň 1 { dcfcounterhi++; //zvýšení počitadla log. 1 dcfcounterlo = 0; //nulování počitadla log. 0 } //detekce signálu DCF if(dcfsignal == 0) { dcfcounterlo++; dcfcounterhi = 0; } //pro log. úroveň 0 //zvýšení počitadla log. 0 //nulování počitadla log. 1 //zjišťování délky signálu (logická 1) if(dcfcounterhi > 8) //pro signál minimálně { dcfvalue = 0; // nastav hodnotu na if(dcfcounterhi > 16) //pro signál minimálně dcfvalue = 1; // nastav hodnotu na } ms ms 1

41 //zjišťování délky signálu (logická 0) if(dcfcounterlo > 50) //pro signál min. 500 ms { dcfvalue = -1; // nastav hodnotu na -1 dcfwritebit = 0; // vynuluj značku if(dcfcounterlo > 100) //pro signál min. 1 s dcfpointer = 0; // nastav na začátek if(dcfwritebit ==0) dcfwritebit = 1; //pro zápis jiného bitu // nastav značku na 1 } //zápis do časového rámce if((dcfwritebit == 1)&&(dcfCounterLO == 1)) //pokud je povolen zápis a je ukončen přenos logické //úrovně, zapiš do pole { if(dcfvalue < 2) //kontrola platné hodnoty { dcfbinary[dcfpointer] = dcfvalue; dcfwritebit++; //nastaví značku zapsáno dcfpointer++; //posun ukazatele na další if(dcfpointer > 59) dcfpointer = 0; } } } (void)tpm1c0sc; PPM1C0SC_CH0F = 0; //vymaže příznak přerušení // časovače TPM1 } 41

42 Následující část kódu provádí měření signálu DCF. Při hodnotě proměnné state 1 se spustí měření ADC převodníku na kanálu 10 a výsledek je uložen do proměnné Rz1Val. Logická úroveň vstupního signálu se následně vyhodnotí a nastaví se podle ní hodnota proměnné dcfsignal. Dle referenční příručky [13] není vyčkávací smyčka AD převodníku v režimu 8bitového převodu nutná. while(state == 1) { //Spuštění měření ADC převodníku ADCSC1_ADCH = 10; //na kanálu 10 Rz1Val = ADCR; //uložení výsledku if(rz1val == 0) { dcfsignal = 1; } else { dcfsignal = 0; } //vymazání příznaku přerušení while(todsc_qsecf == 0); TODSC_QSECF = 1; } 42

43 Poslední ukázkou kódu, kterou jsem vybral je tvorba časového rámce, na které je dobře patrná struktura časového údaje v BCD kódu. Pro ukázku uvádím pouze část rámce určujícího hodiny a minuty, zbytek časového rámce je téměř totožný. Funkce BuildTimeFrame rozebírá časový údaj uložený v poli dcfbinary a ukládá ho již rozkódovaný do proměnné DCF_Time_frame jako časový údaj minuty, hodiny atd. Celý časový údaj je nakonec uložen do Calendar_RTC, čímž dojde k aktualizaci hodin. void BuildTimeFrame(void) { bool frameok = CheckTimeFrame(); if(frameok) { //minuty DCF_Time_frame.Minutes = dcfbinary[21]; DCF_Time_frame.Minutes += dcfbinary[22] * DCF_Time_frame.Minutes += dcfbinary[23] * DCF_Time_frame.Minutes += dcfbinary[24] * DCF_Time_frame.Minutes += dcfbinary[25] * DCF_Time_frame.Minutes += dcfbinary[26] * DCF_Time_frame.Minutes += dcfbinary[27] * //hodiny DCF_Time_frame.Hours DCF_Time_frame.Hours DCF_Time_frame.Hours DCF_Time_frame.Hours DCF_Time_frame.Hours DCF_Time_frame.Hours = += += += += += dcfbinary[29]; dcfbinary[30] * dcfbinary[31] * dcfbinary[32] * dcfbinary[33] * dcfbinary[34] * //datum // kód vynechán //den v týdnu // kód vynechán //měsíc // kód vynechán //rok // kód vynechán //obnovení časového rámce Calendar_RTC = DCF_Time_frame; } } 43 2; 4; 8; 10; 20; 40; 2; 4; 8; 10; 20;

44 Program jako celek bych nejlépe vysvětlil pomocí vývojového diagramu. Po spuštění programu se provede inicializace celého zařízení a v nekonečné smyčce pak běží aplikace Hodiny (v programovém kódu StopClock), která zabezpečuje veškeré funkce zařízení (zobrazení času, komunikace a další). Při splnění podmínky (každou hodinu) se volá aplikace DCF Synchronizace (v programovém kódu DcfUpdate), která provede příjem a vyhodnocení DCF signálu a po synchronizaci času s DCF signálem vrátí řízení zpět do aplikace Hodiny. Obrázek 19 - vývojový diagram 44

45 6. Výsledky testování Testování výsledné aplikace spočívalo zajména v opakovaném porovnání zobrazovaného času s běžně prodávaným zdrojem času domácí meteostanicí vybavenou přijímačem DCF signálu. Meteostanice je umístěna v běžných domácích podmínkách uvnitř místnosti v odpovídající vzdálenosti od zdrojů rušení a v místě dostatečného příjmu signálu. Teplota v místnosti je řízena digitálním termostatem, v průběhu dne kolísá v rozpětí 19 až 21 C. Časy obou zařízení jsem několikrát denně porovnával s časem z internetových stránek a během týdenního testování se neprojevila odchylka v řádu vteřin. Přesnější měření jsem neprováděl, jelikož přesnost zařízení v řádu vteřin je pro navrhované použití zcela dostačující a odpovídá požadavkům zadání. Testování programu probíhalo na vývojovém kitu TWR-S08LL64, což zároveň usnadnilo ověření správné funkce programu na navrženém obvodu. Po experimentálním měření výdrže baterie jsem upustil od plánované varianty zapojení se superkapacitorem, protože navržený obvod je schopen fungovat na baterii bez vnějšího napájení více jak týden, proti požadovaným několika hodinám. 45

46 7. Porovnání s komerčními aplikacemi Navržené zařízení je schopno bez větších úprav dosahovat přesnosti požadované pro synchronizaci času v počítačové síti. Při porovnání se základními parametry zařízení určených jako zdroj přesného času pro počítačové sítě s uspokojením konstatuji, že základní parametry jsou srovnatelné. Srovnání bohužel nesnese úroveň zpracování, která je daná omezenými možnostmi i schopnostmi autora. Ve srovnání s komerčními aplikacemi je třeba přiznat i nemožnost záruky přesné funkce zařízení v náročnějších podmínkách, jako jsou změny teplot, vlhkosti a vystavením vlivů rušení. Avšak při srovnání s levnějšími zařízeními vybavenými přijímačem DCF, jako jsou domácí meteostanice je dosažená úroveň nadmíru uspokojivá. Nebudu tedy srovnávat navržené zařízení s profesionálními výrobky v cenové hladině nad deset tisíc korun a omezím se na konstatování že v parametrech požadovaných v zadání se úkol podařilo splnit. 46

47 8. Závěr, zhodnocení V závěrečné kapitole shrnu výsledek práce a její přínos včetně zhodnocení celé realizace a návrhu na možná vylepšení. 8.1 Závěr Nejdříve jsem podle informací z dostupných zdrojů shrnul historii vývoje měření času. Dále jsem popsal problematiku vysílání a příjmu radiového signálu DCF, včetně jeho struktury a dekódování. Následoval návrh a vývoj systému pro příjem a vyhodnocení časové informace. Výsledkem je funkční zařízení, které splňuje všechny důležité parametry obsažené v zadání. Po realizaci došlo k testování výsledného zařízení, které potvrdilo dosažené cíle. V závěru jsem porovnal výsledek s komerčními aplikacemi a doporučil možná vylepšení. Byla ověřena možnost navrhnout a realizovat i poměrně složité zařízení vlastními silami za pomoci běžně dostupného vybavení. Dle zadání byl vytvořen HW a SW hodin s vlastním zdrojem času a s možností synchronizace pomocí radiového signálu. Pro realizaci obvodu byl v souladu se zadáním použit procesor firmy Freescale. Použití baterie naplnilo požadavek na překlenutí výpadku napájení. Během realizace se podařilo demonstrovat praktické užití poznatků získaných během studia. Stanovené cíle byly dosaženy, nicméně autor si uvědomuje možnosti vylepšení a rozšíření celého konceptu o další funkcionality. 47

48 8.2 Zhodnocení Realizace DCF modulu, po překonání počátečních těžkostí při sestavování a ladění obvodu, byla bez problémů. Při vhodném prostorovém rozvržení součástek není třeba pro realizaci obvodu speciální vybavení. Pro obecné použití DCF modulu ve stádiu vývoje se jeví výhodnější použití vývojového kitu TWR-S08LL64, než stavba vlastního obvodu, protože vývojový kit obsahuje všechny požadované funkce, čímž se lze vyvarovat případným konstrukčním chybám. Odladěný program lze pak jednoduše upravit pro hotový produkt. Pomocí sériového rozhraní je možné obvod propojit s počítačem a využít tak zdroj přesného času jako referenční signál pro synchronizaci času v počítačové síti. Většina dostupných programů pro synchronizaci času umožňuje volit několik časových serverů a zde může sloužit můj výtvor jako referenční zdroj přesného času k NTP serverům na internetu. Propojením mého přípravku s počítačem tedy vznikne referenční NTP server ve vnitřní síti, kterým lze nejenom ověřit časový údaj poskytnutý z internetu, ale i zajistit přesný čas v počítačové síti při výpadku konektivity poskytovatele internetového připojení. Jako další vylepšení celého systému mohu doporučit oddělení antény s předzesilovačem od DCF modulu, případně i sloučení DCF modulu se základním přípravkem. Vhodně umístěná externí anténa připojená pomocí kroucené dvoulinky by mohla přinést zvýšení zisku až o 20 db, což by bylo vhodné zejména pro umístění v budovách s železobetonovou konstrukcí a pro místa s vysokým rušením. Při umístění vně budovy je samozřejmostí patřičná ochrana proti úderu blesku a důraz na teplotní stabilizaci. 48

49 9. Seznam použité literatury 1. POUPA M. Vysílání časového signálu a DCF77 [online].[2002][cit ]. Dostupný z WWW: < POUPA M. Vysílání a příjem časové informace DCF77 [online].[2002] [cit ]. Dostupný z WWW: < 7. ANDĚL V. Ing. Příjem a vyhodnocení časového kódu DCF77 [online].[2004][cit ]. Dostupný z WWW: < 8. DCF77, aneb jak se řídí budíky na dálku. [online]. [2009][cit ]. Dostupný z WWW: < 9. Produkty Meinberg pro synchronizaci času [online]. [cit ]. Dostupný z WWW: < MATOUŠEK D. Ing. Návrh plošných spojů pomocí PC [online]. [cit ]. Dostupný z IS VŠPJ: /AMOS/idrive/UCITELE.DTA/Matousek/KOMBINOVANA_FORMA_PS/NPS/NPSteorie.pdf 12. Katalogový list U4221B, TEMIC Semiconductors [online]. [1996][cit ]. Dostupný z WWW: < 13. Referenční příručka procesoru MC9S08LL64, Freescale Semiconductor [online]. [1/2010][cit ]. Dostupný z WWW: < f?fpsp=1>. 49

50 10. Seznam použitých zkratek GPS Global Positioning System DCF77 dlouhovlnný časový signál pro synchronizaci hodin, rádiová stanice RTC Real-time Clock, hodiny reálného času RFC Request for Comments, žádost o komentáře, označení řady standardů NTP Network Time Protocol, protokol pro synchronizaci vnitřních hodin počítačů SNTP Simple Network Time Protocol, jednodušší varianta NTP protokolu RS-232 komunikační rozhraní pro sériovou komunikaci BCD Binary Coded Decimal, způsob kódování celých čísel SEČ Středoevropský čas SELČ Středoevropský letní čas UTC Coordinated Universal Time, koordinovaný světový čas LCD Liquid Crystal Display, displej z tekutých krystalů LED Light-Emitting Diode, dioda emitující světlo AM amplitudová modulace SIK sekvence inverzního klíčování SCI Serial Communications Interface, rozhraní pro asynchronní sériovou komunikaci SMD Surface Mount Device, součástky určené pro povrchovou montáž 50

51 11. Přílohy Příloha 1 obrazec plošného spoje přijímače DCF signálu Obrázek 20 - plošný spoj přijímače DCF signálu Příloha 2 obrazec plošného spoje Hodiny Obrázek 21 - plošný spoj Hodiny 51

52 Obrázek 22 plošný spoj Hodiny, vodivé cesty Obrázek 23 plošný spoj Hodiny, rozmístění součástek 52

53 Příloha 3 schéma zapojení obvodu hodiny Obrázek 24 - schéma zapojení obvodu Hodiny 1/2 53

54 Obrázek 25 - schéma zapojení obvodu Hodiny 2/2 54

55 Příloha 4 vývojový kit TWR-S08LL64 Obrázek 26 - vývojový kit TWR-S08LL64 55