鐘吉 周元玲 蔣毅 李子梟 周嬌 康香

摘? 要：為了克服目前定向越野點(diǎn)簽器校時(shí)的不便和提高校時(shí)精度，提出一種利用電波鐘信號(hào)實(shí)現(xiàn)越野點(diǎn)簽器的自動(dòng)校時(shí)方法。該文首先介紹了目前自動(dòng)校時(shí)的幾種常見方法，并詳細(xì)說明了電波鐘信號(hào)校時(shí)的原理。接著介紹了定向越野點(diǎn)簽器自動(dòng)校時(shí)檔硬件設(shè)計(jì)、軟件流程，特別介紹了電波鐘BPC編碼的解碼過程。電波鐘信號(hào)校時(shí)在需要精確時(shí)間的體育設(shè)備中有著良好應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：電波鐘? 點(diǎn)簽器? 定向越野? 點(diǎn)簽器

中圖分類號(hào)：G80? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2813（2019）05（c）-0237-03

Abstract： In order to overcome the shortage of timing systems and improved timing accuracy for orienteering sportident station， a method for automatic timing for? orienteering sportident station using radio clock is proposed. Firstly， this paper introduces several common methods of automatic timing， and illustrates a detailed description of the principle of timing system using radio clock. Then the hardware design and software flow of the automatic calibration time for orienteering sportident station are explained， the decoding process of the radio clock BPC coding is introduced in particular. Radio clock timing system has a good prospect in training and teaching.

Key Words： Radio clock; Timing systems; Orienteering; Sportident station

定向越野運(yùn)動(dòng)作為一種新興的野外活動(dòng)方式，起源于歐洲，運(yùn)動(dòng)員利用地圖和指北針到訪地圖上所指示的各個(gè)點(diǎn)標(biāo)，以最短時(shí)間到達(dá)所有點(diǎn)標(biāo)者為勝。在世界各地正吸引著越來越多人參與并為之狂熱。目前在定向越野的教學(xué)和訓(xùn)練過程中，定向越野目前現(xiàn)有的設(shè)備已經(jīng)越來越不能滿足實(shí)際的教學(xué)和訓(xùn)練需求，例如電子點(diǎn)簽器的時(shí)間標(biāo)定問題，目前是通過控制棒或者紅外線依次給電子點(diǎn)簽器標(biāo)定時(shí)間，時(shí)間標(biāo)定不方便而且存在手動(dòng)誤差。目前的電子點(diǎn)簽器計(jì)時(shí)單位達(dá)到1/100s，電子點(diǎn)簽器時(shí)間標(biāo)定有著至關(guān)重要的作用[1]。

1? 電波鐘信號(hào)校時(shí)原理

自動(dòng)校時(shí)的實(shí)現(xiàn)通常通過以下幾種方法實(shí)現(xiàn)：（1）網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校時(shí)，通過與對(duì)應(yīng)的時(shí)間服務(wù)器通信獲得時(shí)間信息并更新系統(tǒng)時(shí)間[2-3];（2）GPS、北斗導(dǎo)航等自動(dòng)校時(shí)，利用GPS模塊從GPS衛(wèi)星上獲取標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信號(hào)，將這些時(shí)間信息通過串口等傳輸給單片機(jī)用來更新時(shí)間信息[4-6];（3）電波鐘信號(hào)校時(shí)，一種通過接受國家授時(shí)中心的無線信號(hào)以確保時(shí)間準(zhǔn)確性的計(jì)時(shí)工具[7-9]。

首先介紹下電波鐘信號(hào)校時(shí)的工作原理：由認(rèn)證過的授時(shí)中心將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的編碼，利用低頻（20～80kHz）載波方式將時(shí)間信號(hào)以無線電的方式發(fā)送出去。電波鐘信號(hào)接收部分通過無線電接收裝置接收該低頻無線電信號(hào)，并由低頻接收解碼芯片對(duì)該時(shí)間信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。通過單片機(jī)等微處理器進(jìn)行解碼得倒具體的時(shí)間信息，最終將時(shí)間寫入時(shí)鐘模塊完成電波鐘信號(hào)校時(shí)。通過電波鐘信號(hào)使得電波鐘接收同一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)的電波，并都與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間授時(shí)中心的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間保持高度同步。以中國為例，目前中國的電波鐘發(fā)播臺(tái)位于河南省商丘，目前該發(fā)播臺(tái)已經(jīng)正式納入到了國家授時(shí)中心的發(fā)播體系，授時(shí)中心從08年起正式開始BPC編碼（頻率 68.5kHz）的試發(fā)播，每日發(fā)播時(shí)間不少于16h，發(fā)播時(shí)間：9：00～17：00，21：00～5：00。

2? 軟、硬件設(shè)計(jì)

定向越野點(diǎn)簽器自動(dòng)校時(shí)的硬件設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。該自動(dòng)校時(shí)定向越野點(diǎn)簽器除了常規(guī)的點(diǎn)簽器部件，如RC522模塊、PCF8593、LED、蜂鳴器和按鍵等，還包括電波鐘接收和解碼部分，中波磁棒繞線線圈、諧振電容和CME6005接收解碼芯片等。

RC522是一款NXP公司的支持ISO14443A協(xié)議的高頻的射頻芯片，支持ISO/IEC 14443 TypeA和MIFARE?通信協(xié)議。RC522高頻的射頻芯片支持和兼容市面上大部分的點(diǎn)簽射頻卡。PCF8593是支持1/100s的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，通過雙向I?C總線和STC51單片機(jī)進(jìn)行時(shí)間信息的讀寫操作。電波鐘接收和解碼模塊用漆包線繞圈中波磁棒實(shí)現(xiàn)電感制作并和電容并聯(lián)諧振到68.5kHz，將該諧振電路信號(hào)接入CME6005電路，CME6005電路通過選頻放大、濾波整形等解碼出低頻時(shí)間信號(hào)碼。由于中國電波鐘發(fā)播時(shí)間信號(hào)采用BPC編碼，STC51單片機(jī)必須解碼該BPC編碼信息得倒標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信號(hào)。

如圖2為定向越野點(diǎn)簽器的工作流程圖，在開機(jī)的時(shí)候通過判斷按鍵是否要進(jìn)行自動(dòng)校時(shí)，如果校時(shí)成功則改寫PCF8593模塊時(shí)間。

PCF8593模塊通過備份電池實(shí)時(shí)更新時(shí)間，但是由于時(shí)間晶振誤差等會(huì)產(chǎn)生累計(jì)時(shí)間誤差，每次開機(jī)前進(jìn)行一次自動(dòng)校時(shí)可以有效消除累計(jì)時(shí)間誤差。點(diǎn)簽器如果刷卡成功，STC51單片機(jī)讀取PCF8593模塊時(shí)間更新點(diǎn)簽器數(shù)據(jù)。校時(shí)過程中最重要的步驟之一：對(duì)BPC編碼進(jìn)行解碼獲得時(shí)間信息。

3? BPC編碼

如圖3所示為BPC編碼的一幀數(shù)據(jù)示意圖，通過示意圖詳細(xì)介紹電波鐘信號(hào)的實(shí)現(xiàn)過程。

（1）BPC編碼每分鐘包含3幀，幀周期為20s。P0：每幀的開始，每分鐘3次，間隔20s，因此P0則是在第0s、第20s和第40s的位置。

（2）以秒脈沖寬度表示四進(jìn)制數(shù)的0、1、2、3，分別對(duì)應(yīng)100ms、200ms、300ms和400ms。以缺少秒脈沖作為幀間隔和幀預(yù)告標(biāo)志。如圖中分鐘的計(jì)算10分=0×42+2×41+2×40，4時(shí)=1×41+2×40。

（3）無線電波傳播過程中不可避免地要受到各種干擾和接收端外部電磁干擾等，接收到的時(shí)間信息可能會(huì)產(chǎn)生失真等現(xiàn)象。因此在BPC編碼編碼中設(shè)置了對(duì)應(yīng)的校驗(yàn)位，通過校驗(yàn)位來判斷接收到的數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)錯(cuò)誤。

①P1用做幀定位，P1的3種狀態(tài)分別為0、1和2，分別表示從第1、21和41s開始。圖中P1為0表示目前為1s。

②P2為預(yù)留位。

③P3是校驗(yàn)位和與“上午”“下午”標(biāo)志復(fù)用，0和1表示上午，2和3表示下午?！癙1”“P2”“時(shí)”“分”“星期”各位碼的值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制表達(dá)式后，其“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)表示為0或者2，其“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)表示為1或者3。

④P4是校驗(yàn)位與“年”的最高位復(fù)用。0和1同時(shí)表示“年”的最高位的值為0、2和3同時(shí)表示“年”的最高位的值為1?！叭铡薄霸隆薄澳辍钡牡腿桓魑淮a的值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制表達(dá)式后，其“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)表示為0或者2，其“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)表示為1或者3。

圖3中的時(shí)間編碼為：0010022020011021032。表示的時(shí)間信息為：2019年2月5日，星期二，上午04 時(shí)10分01秒。

4? 結(jié)語

電波鐘信號(hào)校時(shí)相對(duì)其他幾種校時(shí)方式，其實(shí)現(xiàn)簡單、價(jià)格低廉、授時(shí)精度高，在野外應(yīng)用有一定優(yōu)越性。通過電波鐘信號(hào)校時(shí)的點(diǎn)簽器可以簡化定向越野點(diǎn)簽器的校時(shí)過程，提高點(diǎn)簽器的時(shí)間精度，完全滿足定向越野點(diǎn)簽器的比賽和訓(xùn)練要求。電波鐘信號(hào)校時(shí)在定向越野點(diǎn)簽器等需要精確時(shí)間信號(hào)的體育設(shè)備中有廣泛的應(yīng)用前景。

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