全自動(dòng)電波鐘接收模組調(diào)校儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭永祿

摘要 電波鐘是一種新型的電子走時(shí)產(chǎn)品，它能夠自動(dòng)接收授時(shí)中心發(fā)射的信號(hào)，自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)間而無(wú)需任何手動(dòng)調(diào)整，因此在國(guó)際上的應(yīng)用越來(lái)越普及。電波鐘的生產(chǎn)過(guò)程關(guān)鍵是對(duì)其接收模組的調(diào)校工藝，本文介紹了一種單片機(jī)控制的全自動(dòng)電波鐘接收模紐調(diào)校儀的設(shè)計(jì)，旨在開(kāi)發(fā)一款高效的生產(chǎn)儀器，它能夠快速、準(zhǔn)確、并自動(dòng)完成對(duì)電波鐘接收模組諧振參數(shù)的檢測(cè)和調(diào)整，并達(dá)到最佳匹配。

【關(guān)鍵詞】電波鐘 全自動(dòng)調(diào)校 單片機(jī)

電波鐘（簡(jiǎn)稱RCC，全稱為RadioControlled Clock），是一種新型的電子走時(shí)產(chǎn)品，由于它能夠自動(dòng)接收授時(shí)中心發(fā)射的信號(hào)，每天自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)間，無(wú)需手動(dòng)校對(duì)時(shí)間，走時(shí)精度可達(dá)到年誤差不到1秒，所以這種電波時(shí)鐘正逐漸取代普通時(shí)鐘，并在國(guó)際上得到越來(lái)越廣泛的普及和應(yīng)用。目前國(guó)際通行的用于給電波鐘授時(shí)的無(wú)線信號(hào)工作在長(zhǎng)波波段，不同國(guó)家或地區(qū)分別有40kHz、60kHz、68.5kHz及77.5kHz等不同頻點(diǎn)，另外不同國(guó)家還有不同的時(shí)間編碼格式：包括中國(guó)的BPC、德國(guó)的DCF、美國(guó)的WWVB、英國(guó)的MSF、及日本的JJY等。

然而，在電波鐘生產(chǎn)過(guò)程中，為了確保接收模組的接收靈敏度、抗干擾能力及穩(wěn)定性均需要對(duì)接收天線諧振參數(shù)進(jìn)行調(diào)校，相關(guān)參數(shù)的選擇和調(diào)試直接影響著電波鐘的接收。以往的手動(dòng)調(diào)校效率低，且調(diào)校的精確度較低，成品率低，導(dǎo)致電波鐘的走時(shí)精度誤差也較大。

下面重點(diǎn)就電波鐘接收天線全自動(dòng)調(diào)校系統(tǒng)進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)設(shè)備的自動(dòng)化和精確化進(jìn)行研究和分析，以提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

1 總體方案設(shè)計(jì)

全自動(dòng)電波鐘接收模組調(diào)校儀主要是由主控MCU芯片、LCD液晶顯示電路、鍵盤電路、驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)定位裝置、DDS信號(hào)源電路、信號(hào)驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電路、RCC接收天線這幾個(gè)模塊組成的，總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

系統(tǒng)以STC12C5A60S2芯片為控制核心，控制DDS信號(hào)源電路，產(chǎn)生不同國(guó)家授時(shí)電波所用頻率的標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)，再由信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大，增強(qiáng)帶負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力，然后由阻抗匹配電路與RCC接收天線實(shí)現(xiàn)電磁感應(yīng)，當(dāng)天線諧振回路不在最佳位置時(shí)，檢測(cè)電路輸出誤差信號(hào)，通知MCU向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出信號(hào)改變線圈相對(duì)磁芯位置向左或向右移動(dòng)，當(dāng)天線諧振回路達(dá)到最佳匹配時(shí)，檢測(cè)電路獲得O誤差電壓并傳回MCU，表示對(duì)接收天線的調(diào)整己達(dá)最佳匹配，MCU停止向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，停止線圈移動(dòng);同時(shí)MCU向滴蠟裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，在線圈與磁芯之間滴蠟以固定其位置，調(diào)校結(jié)束，狀態(tài)指示燈亮或發(fā)出聲音提示。鍵盤電路用來(lái)設(shè)置及改變不同國(guó)家電波鐘的標(biāo)準(zhǔn)頻率，LCD液晶顯示電路則用來(lái)顯示出對(duì)應(yīng)的國(guó)家電波鐘頻率及實(shí)時(shí)跟蹤頻率。

2 MCU控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的核心控制系統(tǒng)由MCU（單片機(jī)）及相關(guān)接口模塊電路組成，組成原理如圖2所示。

MCU（單片機(jī)）采用STC12C5A60S2。STC12C5A60S2和8051指令、管腳完全兼容，而且內(nèi)部就自帶高達(dá)60K FLASH ROM，這種工藝的存儲(chǔ)器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。它是一款的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，也是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍，所以它是一款高性價(jià)比的單片機(jī)，正好適用于閉環(huán)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。另外它的內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路及內(nèi)置看門狗電路有效提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，2路PWM和8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S），對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、電機(jī)控制以及電磁閥的調(diào)節(jié)控制更加有效。主控模塊的外圍接口模塊電路包括了DDS標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、LCD顯示模塊電路按鍵電路、聲光報(bào)警電路，以及電磁閥驅(qū)動(dòng)電路等。

3 調(diào)校流程設(shè)計(jì)與分析

本系統(tǒng)的的調(diào)校流程如圖3所示，由主控芯片（MCU）控制DDS信號(hào)源電路，產(chǎn)生不同國(guó)家授時(shí)電波所用頻率的標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)，再由信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大，增強(qiáng)帶負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力，然后由阻抗匹配電路與RCC接收天線實(shí)現(xiàn)電磁感應(yīng)，當(dāng)天線諧振回路不在最佳位置時(shí)，檢測(cè)電路輸出誤差信號(hào)，通知MCU向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出信號(hào)改變線圈相對(duì)磁芯位置向左或向右移動(dòng)，當(dāng)天線諧振回路達(dá)到最佳匹配時(shí)，檢測(cè)電路獲得O誤差電壓并傳回MCU，表示對(duì)接收天線的調(diào)整己達(dá)最佳匹配，MCU停止向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，滴蠟固定線圈，調(diào)校結(jié)束。

4 測(cè)試過(guò)程與結(jié)果

本調(diào)校儀經(jīng)過(guò)反復(fù)的測(cè)試、調(diào)試，各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果均達(dá)標(biāo)，如表1所示。調(diào)校時(shí)間將縮短至5-8秒，較常規(guī)手動(dòng)調(diào)校的生產(chǎn)工效提高2-3倍;全頻段設(shè)計(jì)，一臺(tái)調(diào)校儀可適應(yīng)目前國(guó)際上通行的所有國(guó)家和地區(qū)的RCC標(biāo)準(zhǔn)，一般預(yù)設(shè)JJY （40KHz）、NJJY、WWVB. MSF （60KHz）、HGB （77.5KHz）、DCF77 （77.5KHz）頻率點(diǎn);LCD顯示器顯示預(yù)設(shè)及實(shí)測(cè)頻率;調(diào)校精度（誤差值）：±0.5%。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)采用數(shù)字頻率合成技術(shù)來(lái)產(chǎn)生各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)頻率信號(hào)，提供須提供頻率準(zhǔn)確、穩(wěn)定的正弦波信號(hào);采用交流電橋檢測(cè)法準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的獲取接收天線諧振參數(shù);MCU能根據(jù)諧振參數(shù)變化實(shí)時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤、調(diào)校電波鐘的接收模組。

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