Como construir um rádio MSF Receptor Atomic Clock
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Introdução
Os relógios atômicos usar um padrão de freqüência de ressonância atômica como elemento de cronometragem e são de longe as mais precisas possíveis cronômetros com as últimas estrôncio base relógios atômicos ostentando uma precisão de um menos de um segundo perdido em várias centenas de milhões de anos.
Os relógios manter uma escala de tempo contínuo e estável chamado Tempo Atômico Internacional (TAI). No entanto, o tempo civil, outra escala de tempo, Tempo Universal Coordenado (UTC), que é derivado do TAI, mas sincronizado usando salto de segundos ao UTC, para mantê-lo baseado na rotação da Terra.
UTC é uma escala de tempo global, que é comumente usado para sincronizar os relógios em redes de computadores, permitindo máquinas de todo o mundo para se comunicar em conjunto e realizar aplicações sensíveis ao tempo. Infelizmente, os relógios atômicos são peças muito caras de equipamentos e são geralmente só pode ser encontrada em laboratórios de alta tecnologia de física ou satélites a bordo. No entanto, vários laboratórios de física nacional transmitir o tempo dito por seus relógios atômicos através de uma transmissão de ondas longas de rádio. Estes sinais são comumente pegou e utilizado pela parede controlado de rádio e relógios de mesa e servidores NTP tempo (Network Time Protocol).
As transmissões das agências nacionais de normalização manter uma precisão de 10-9 segundo por dia (cerca de parte 1 em 1014). MSF é a transmissão do sinal pelo Laboratório Nacional de Física, Anthorn, Cumbria. Outros países possuem seus próprios sinais sendo a mais comum a transmissão transmissão DCF77 de Mainflingen perto de Frankfurt, na Alemanha e nos EUA de transmissão do sinal WWVB de Fort Collins, Colorado.
Todos estes sinais de tempos de trabalho de uma maneira semelhante. No início de cada segundo, a intensidade do sinal é reduzida quer por entre 6 e dB 10 ou desligado por um período específico de tempo, antes de ser restaurada. A quantidade de tempo que o sinal é reduzido é usado para indicar uma sequência de números binários com marcadores de posicionamento. O formato exato do código varia entre cada sinal, embora eles são semelhantes em formato.
Dedicados servidores NTP que atribuem a um computador pode utilizar esse sinal para sincronizar as redes de computador para. Esses dispositivos dedicados são ideais para manter redes que executam o tempo exato e geralmente pode manter uma rede com precisão de alguns milissegundos de tempo UTC.
Apesar de não ser tão preciso, e sem muitas das funções de um rádio dedicado referenciado NTP servidor de tempo, que é, no entanto, possível construir o seu próprio receptor de rádio MSF relógio atómico referenciado por um custo relativamente pequeno.
Requisitos
Um receptor MSF simples pode ser construído simplesmente não exigindo teste, alinhando ou experiência eletrônico específico. Módulos de recepção simples podem ser comprados direto de empresas como Galeão ou varejistas como Maplin. Os benefícios da utilização de módulos de soluções completas em relação às soluções discretas é a de que os módulos de suporte incluem os componentes electrónicos necessários, cristais sintonizados e são pré-montadas e testadas. Na construção de uma MSF receptor relógio atômico só existem três partes:
- Um módulo receptor: Quando combinadas com uma antena de ferrite, o módulo receptor actua como uma unidade completa para a recepção de sinais de código de tempo. Com um circuito de nível adicional correspondente, o sinal de saída desmodulado pode ser usado para conduzir directamente de um circuito de descodificação. Os módulos podem ser adaptados a qualquer transmissor disponível mediante a simples substituição dos cristais.
- MSF Antena: O sinal é transmitido em MSF kHz 60 e uma antena de ferrite um pré-alinhados e LC sintonizado é o melhor.
- Decodificador microcontrolador: requerido para descodificar o sinal em um formato de dados padrão.
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EM2S Módulo Receptor
O módulo tem um modo de baixa energia em espera com consumo de corrente máximo 1'A. No modo ativo o consumo de corrente é inferior a 1mA, tipicamente 500'A. A saída de dados é conectado internamente com um baixo coletor aberto ativa NPN transistor. EM2S Módulo receptor Gerais Especificações:
- Dimensões: 25mm x 13mm x 12mm aprox
- Tensão de funcionamento nominal: + 3V DC para DC 12V
- Gama de tensão: 2.2V para 15V DC
- 3V gama recomendada a tensão 5.25V
- Consumo de corrente com + 3V, ativo: 1mA
- Espera: 1mA
- Saída: Open coletor do transistor NPN, ativo baixo
- Pia Corrente máxima: 15mA
- Tensão de coletor máxima: + 5.25V
Antena de ferrite
Esta LC sintonizado ferrite antena pré-alinhados é projetado especificamente para uso com o módulo receptor EM2S. Antena Gerais Especificações:
- Dimensões: 60mm x 13mm ou 100 mm * 13 milímetros
- Freqüência de operação nominal: kHz 60 ou KHz 77.5 dependendo do modelo
- Freqüência de ressonância: kHz 60 - 300Hz ou 77.5 - 300Hz
- Largura de banda (-3dB): 700Hz Sensibilidade: 8-V tensão de saída com 100'Vm-1 força do campo
MCM-RS232 Módulo Decoder microcontrolador
Quando combinado com o módulo receptor EM2 ea antena, este módulo fornece informação em tempo no formato padrão de dados RS232 através de uma interface serial. Tampão externo para níveis cheios RS232 é necessária e pode ser conseguida usando um proprietário nível RS232 shifter IC. A vantagem do módulo em relação à descodificação directa do hospedeiro a saída do receptor é a presença de informação em tempo exacto descodificado todo o tempo e sem sobrecarga de processamento. O módulo também possui um relógio de tempo real que recalibra-se contra o Sinal Atomic Time Radio quando se sincroniza com o sinal Atomic Time Radio.
MCM-RS232 Especificações gerais:
- Dimensões: 22mm x 13mm x 5mm aprox
- Tensão de funcionamento nominal: + DC 3V
- Gama de tensão: + 2.4V DC para DC + 3.6V
- Consumo de corrente com + 3V, ativo: 1mA - Espera: 50-A
- Entradas: Tempo de código de entrada de dados (de EM2S), ou EM6.
- Entrada de dados de série (a partir do PC host via conversor de nível adequado)
- Saídas: saída de controle de energia (para EM2S), saída de comutação (para controle de tempo externa), via circuito adequado.
- Saída de dados de série (para hospedar PC via conversor de nível adequado)
O coração do dispositivo é o módulo receptor EM2S e antena correspondente. Estes dois produtos Galleon são projetados para trabalhar juntos em kHz 60 para receber o sinal MSF. Outras antenas e os receptores são feitas para os sinais e WWVB DCF, mas deve ser mantida em pares como é improvável que eles vão trabalhar, se forem misturados e combinados.
Fonte de alimentação
Na alimentação do circuito, existem várias opções. A 3 volt CC pode ser usado para fornecer uma fonte de alimentação contínua ou, alternativamente, uma bateria / pilha vai fazer tão bem. Esta opção permite que uma corrente constante contínua a ser utilizada, e envolve menos trabalho na construção do receptor. NOTA. A MCM-RS232 devem ser alimentadas por 3VOLTS - Qualquer coisa maior vai destruí-lo
ruído
Para reduzir o ruído ao sinal que está sendo transferido para o receptor, condensadores de desacoplamento deve ser usado. No entanto, como o ruído pode ser dependente do ambiente do receptor está a ser utilizado e da distância a partir do transmissor de ensaio e erro apenas irá determinar a força. Também é importante o uso de um invólucro não condutor como, obviamente, caixas de metal podem causar interferência ou bloqueio do sinal. Devido ao tamanho pequeno e compacto dos módulos fornecidos por qualquer Galleon pequena caixa de plástico será suficiente. Montagem dos módulos pode ser feita quer por uma pequena placa de circuito ou módulos pode ser fixado ou colado directamente ao gabinete.
Construtora
Como os módulos são dedicados Galleons chips e incluir todos os aparelhos eletrônicos de apoio necessários, cristais sintonizados e são uma construção pré-montadas, é incrivelmente simples de montar um receptor MSF simples, especialmente se você optar por usar uma fonte de alimentação dedicada, como um DC 3v. Um esquema da fiação básica dos módulos estão incluídas a seguir. Note-se a utilização opcional de um LED como indicador de que o dispositivo está a funcionar normalmente.
Como o esquema demonstra os módulos são ligados entre si de forma muito simples:
- A antena está melhor colocado horizontalmente, uma vez que está a ser alinhada com a direcção do sinal de MSF (quando situar o dispositivo é recomendado o uso de uma bússola e mapa para localizar a direcção do transmissor em Cumbria).
- A antena está ligada ao módulo de MSF EM2 (LP6, LP5). A fonte de alimentação se liga a ambos os EM2 eo módulo MCM-RS232 (LP4, X1 3VOLTS, LP1, chão X7).
- O EM2 e módulos MCM estão ligados através da saída MSF (LP3) e PON (LP2) no EM2, para o MSF em (X3) e PON (X6) no módulo MCM.
- A MCM - RS232 se conecta a um computador através de uma interface serial eo de série dentro e fora (X2 e X5)
- Observe a localização de capacitores e resistores. Como mencionado antes, para superar os problemas associados com o ruído, alguns de tentativa e erro poderá ser necessário nesta área.
Software
Existem várias opções quando se trata de software para controlar o receptor MSF. Embora existam vários tipos de software de sincronização de tempo disponível, incluindo freeware, Galeão Sistemas Time Sync versão 3.2 é altamente recomendado. Time Sync tem uma interface fácil de usar e pode sincronizar, não só para um receptor de rádio, mas também GPS e Internet. Time Sync v 3.2 também é totalmente suportada com um manual totalmente informativo contendo conselhos de resolução de problemas e uma interface auto-explicativo. Ele também tem muitas funções disponíveis em pequenos pacotes de sincronização shareware e será executado em Linux e todas as versões do Windows (pelo menos até onde NT / 2000). Galleon software irá automaticamente detectar o dispositivo e enviar o sinal de tempo para o daemon ntpd (ou serviço no Windows), que será executado em segundo plano. O programa também vai determinar o sinal MSF dos pulsos decodificados.
Solução de problemas e Precisão
Uma das principais causas de problemas com um receptor de rádio simples como este é o ruído. Mesmo se o ruído é filtrada e alisada através da utilização de condensadores leva apenas uma pequena quantidade de ruído, em especial quando o sinal está em um estado de baixo, para gerar uma mensagem de erro. Se o daemon ou serviço detecta um erro enquanto tentando decodificar o sinal de tempo ele aborta o processo atual e tenta de novo. Para reduzir a interferência, é importante para manter o dispositivo afastado de objectos de metal, outro equipamento eléctrico (não sempre fácil quando este está ligado a um computador), e é mantido imóvel. Também é melhor para manter o dispositivo de antena é alinhado perpendicularmente o mais perfeitamente possível com a localização do transmissor.
O maior factor de definição da exactidão de qualquer relógio de rádio é a distância a partir do transmissor, a sua propagação, o processamento do receptor, e a latência para o sistema operativo. Por causa de todos estes fatores um atraso de até milissegundos 20 se pode esperar e, enquanto isso pode ser calibrado para precisão na Time Sync 3.2 v até milissegundos 20 é mais do que precisa para a maioria, se não todas as necessidades de sincronização de tempo.
Módulos livre para estudantes
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