Come costruire un radio ricevitore MSF Atomic Clock
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Introduzione
Orologi atomici utilizzare un atomica standard di frequenza di risonanza come elemento di misurazione del tempo e sono di gran lunga i cronometri più precisi possibile con i più recenti a base di stronzio orologi atomici che vanta una precisione di meno di un secondo perso in diverse centinaia di milioni di anni.
Gli orologi mantenere una scala di tempo stabile e continuativa chiamato International Atomic Time (TAI). Tuttavia, per il tempo civile, un'altra scala temporale, tempo universale coordinato (UTC), che è derivata da TAI, ma sincronizzata secondo salto a UTC, per mantenerlo in base alla rotazione della Terra.
UTC è un lasso di tempo globale che viene comunemente utilizzato per sincronizzare gli orologi su reti informatiche che permettono macchine di tutto il mondo di comunicare tra loro e condurre le applicazioni sensibili al fattore tempo. Purtroppo orologi atomici sono altamente costosi di attrezzature e sono in genere si trova solo nei laboratori ad alta tecnologia fisica o satelliti a bordo. Tuttavia, diversi laboratori nazionali di fisica in onda il tempo detto dai loro orologi atomici tramite una trasmissione a lungo onde radio. Questi segnali sono comunemente raccolti e utilizzati da muro radio controllato e orologi da tavolo e da NTP tempo server (Network Time Protocol).
Le trasmissioni da parte delle agenzie nazionali di normalizzazione mantenere una precisione di 10-9 secondi al giorno (parte circa 1 in 1014). MSF è la trasmissione del segnale dal National Physical Laboratory in, Anthorn, Cumbria. Altri paesi vantano i propri segnali il più comune è la trasmissione in trasmissione DCF77 da Mainflingen nei pressi di Francoforte, in Germania e negli Stati Uniti il segnale di trasmissione WWVB da Fort Collins, Colorado.
Tutti questi tempi segnali funzionano in modo simile. All'inizio di ogni secondo l'intensità del segnale o è ridotta dal 6 e 10 dB o spento per un determinato periodo di tempo prima di essere restaurato. La quantità di tempo si riduce il segnale viene utilizzato per indicare un flusso di numeri binari con marcatori di posizionamento. Il formato esatto del codice varia tra ciascun segnale pur simili in formato.
Dedicato time server NTP che si attaccano a un computer può utilizzare questo segnale per sincronizzare le reti di computer a. Questi dispositivi dedicati sono l'ideale per tenere reti che eseguono l'ora esatta e in genere può mantenere una rete di una precisione di pochi millisecondi di tempo UTC.
Anche se non è preciso, e senza molte delle funzioni di una radio dedicata riferimento time server NTP, è, tuttavia, possibile costruire una propria radio MSF riferimento ricevitore orologio atomico per un costo relativamente basso.
Requisiti
Un semplice ricevitore MSF può essere costruito semplicemente non richiede alcun test, allineando o specifica esperienza elettronica. Moduli ricevitore semplici possono essere acquistati direttamente da aziende come Galeone o rivenditori come Maplin. I vantaggi di utilizzare moduli di soluzioni complete rispetto alle soluzioni discrete è che i moduli includono l'elettronica di supporto necessarie, cristalli sintonizzati e sono pre-assemblati e testati. Nella costruzione di un orologio atomico ricevitore MSF ci sono solo tre parti:
- Un ricevitore modulo: Quando combinato con un'antenna ferrite, il modulo ricevitore agisce come unità completa per la ricezione di segnali di codice di tempo. Con un ulteriore livello corrispondente circuito, il segnale di uscita demodulato può essere utilizzato per pilotare direttamente un circuito di decodifica. I moduli possono essere adattati a qualsiasi trasmettitore disponibile semplicemente sostituendo i cristalli.
- MSF Antenna: Il segnale viene trasmesso a MSF kHz 60 e un'antenna adatta ferrite pre-allineati e LC sintonizzato è il migliore.
- Microcontroller decoder: necessario per decodificare il segnale in un formato di dati standard.
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EM2S Modulo ricevitore
Il modulo dispone di una modalità a basso consumo in standby con un consumo di corrente massima 1'A. In modalità attiva il consumo di corrente è inferiore a 1mA, tipicamente 500'A. L'output dati è collegata internamente con un attivo basso a collettore aperto NPN transistor. Specifiche EM2S Modulo ricevitore generali:
- Dimensioni: 25mm x 13mm x 12mm ca
- Tensione nominale di esercizio: + 3V DC a DC 12V
- Campo tensione di esercizio: 2.2V a 15V DC
- Consigliato 3V campo di tensione di 5.25V
- Consumo di corrente a + 3V, attivo: 1mA
- Standby: 1mA
- Uscita: transistor a collettore aperto NPN, attivo basso
- Massima corrente di sink: 15mA
- Collettore Tensione massima: + 5.25V
Antenna in ferrite
Questo LC sintonizzati antenna ferrite pre-allineati è specificamente progettato per l'uso con il modulo di ricevente EM2S. Specifiche Antenna generali:
- Dimensioni: 60mm x 13mm o 100 mm * 13 millimetri
- Frequenza nominale di funzionamento: kHz 60 o 77.5 KHz a seconda del modello
- Frequenza di risonanza: kHz 60 - 300Hz o 77.5 - 300Hz
- Larghezza di banda (-3dB): Sensibilità 700Hz: 8-V tensione di uscita con 100'Vm-1 intensità di campo
MCM-RS232 Microcontrollore Modulo Decoder
In combinazione con il modulo ricevitore EM2 e l'antenna, questo modulo fornisce informazioni sull'ora in formato standard RS232 dati tramite un'interfaccia seriale. Buffer esterno alla piena livelli RS232 è necessario e può essere raggiunto utilizzando un esclusivo RS232 livello del cambio IC. Il vantaggio del modulo rispetto all'host decodifica diretta l'uscita del ricevitore è la presenza di informazioni esatte tempo decodificate tutto il tempo e nessun carico di elaborazione. Il modulo dispone anche di un orologio in tempo reale che si ricalibra contro il segnale atomico Tempo Radio quando si sincronizza con il segnale atomico Radio Time.
MCM-RS232 Specifiche generali:
- Dimensioni: 22mm x 13mm x 5mm ca
- Tensione nominale di funzionamento: + DC 3V
- Campo di tensione: + 2.4V DC a DC + 3.6V
- Consumo di corrente a + 3V, attivo: 1mA - Standby: 50-A
- Ingressi: Codice temporale dei dati di input (da EM2S), o EM6.
- Dati seriale di ingresso (da PC host tramite convertitore di livello adeguato)
- Uscite: Uscita di controllo di potenza (per EM2S), Uscita di commutazione (per il controllo del tempo esterno), tramite un circuito adatto.
- Uscita dati seriale (al PC host tramite convertitore di livello adeguato)
Il cuore del dispositivo è il modulo ricevitore EM2S e antenna corrispondente. Questi due prodotti Galleon sono progettati per lavorare insieme a kHz 60 per ricevere il segnale MSF. Altre antenne e ricevitori sono fatti per i segnali WWVB e DCF, ma dovrebbero essere tenuti in coppia, se è improbabile che essi lavoreranno se sono mescolati e abbinati.
Alimentazione elettrica
Nel alimentare il circuito ci sono diverse opzioni. Un 3 volt DC può essere usato per fornire un costante rifornimento di alimentazione o, in alternativa una batteria / batteria farà altrettanto bene. Questa opzione permette una corrente costante continua ad essere utilizzati e comporta meno lavoro nella costruzione del ricevitore. NOTA. IL MCM-RS232 devono essere alimentati 3VOLTS - SUPERIORE NULLA la distruggerà
Rumore
Per ridurre il rumore al segnale trasferito al ricevitore, condensatori di disaccoppiamento deve essere usato. Tuttavia, poiché il rumore può essere dipendente sull'ambiente ricevitore deve essere utilizzato e la distanza dal trasmettitore di prova ed errore solo determinerà la resistenza. E 'anche importante usare un contenitore non conduttivo come ovviamente scatole metalliche può causare interferenze o il blocco del segnale. A causa della piccola dimensione compatta dei moduli forniti da Galleon qualsiasi piccola scatola di plastica sarà sufficiente. Montaggio dei moduli può essere effettuata sia su un piccolo circuito o dei moduli possono essere riposte o incollato direttamente al contenitore.
Costruzione
Poiché i moduli sono dedicati Galeoni chip e comprendono tutta l'elettronica di supporto necessari, cristalli sintonizzati e sono una costruzione premontato, è incredibilmente semplice da mettere insieme un semplice ricevitore MSF, soprattutto se si sceglie di utilizzare un alimentatore dedicato, ad esempio un DC 3v. Uno schema del cablaggio di base dei moduli è mostrato di seguito. Si noti l'uso opzionale di un LED come indicatore che il dispositivo sta funzionando normalmente.
Come lo schema mostra i moduli sono collegati tra loro in modo molto semplice:
- L'antenna è meglio disposte orizzontalmente come è quello di essere allineato con la direzione del segnale MSF (nella localizzazione del dispositivo si consiglia di utilizzare una bussola e mappa per identificare la direzione del trasmettitore in Cumbria).
- L'antenna è collegata al modulo MSF EM2 (LP6, LP5). L'alimentazione si collega sia alla EM2 e la MCM-RS232 modulo (LP4, 1VOLTS X3, LP1, terra X7).
- Il EM2 e moduli MCM sono collegati tramite il MSF out (LP3) e PON (LP2) sul EM2, alla MSF in (X3) e PON (X6) sul modulo MCM.
- La MCM - RS232 si connette a un computer tramite un'interfaccia seriale e il seriale dentro e fuori (X2 e X5)
- Prendere nota della posizione dei condensatori e resistenze. Come menzionato in precedenza per superare i problemi associati con il rumore, qualche prova ed errore può essere richiesto in questo settore.
Software
Ci sono diverse opzioni quando si tratta di software per il controllo del ricevitore MSF. Mentre ci sono diversi tipi di software di sincronizzazione in tempo a disposizione tra cui freeware, Galleon Systems Tempo Sync versione 3.2 è altamente raccomandato. Time Sync ha una interfaccia facile da usare e in grado di sincronizzare non solo un ricevitore radio, ma anche GPS e Internet. Time Sync v 3.2 è interamente sostenuto da un manuale completamente informativo contenente consigli sulla risoluzione dei problemi e una interfaccia auto esplicativo. Ha anche molte funzioni non disponibili in pacchetti più piccoli di sincronizzazione shareware e funziona su Linux e tutte le versioni di Windows (almeno fin dal NT / 2000). Il software Galleon rileverà automaticamente il dispositivo e inviare il segnale orario al demone ntpd (o servizio in Windows), che verrà eseguito in background. Il programma determina anche il segnale MSF dagli impulsi decodificati.
Risoluzione dei problemi e Precisione
Una delle principali cause di problemi con un ricevitore radio semplice come questo è il rumore. Anche se il rumore viene filtrato e livellate attraverso l'uso di condensatori richiede solo una piccola quantità di rumore, in particolare quando il segnale è in uno stato basso, per generare un errore. Se il daemon o servizio rileva un errore mentre si cerca di decodificare il segnale orario che interrompe il processo corrente e riprova. Per ridurre l'interferenza è importante mantenere il dispositivo lontano da oggetti metallici, altre apparecchiature elettriche (non sempre facile quando questa è collegata a un computer) ed è tenuto fermo. E 'anche preferibile mantenere l'antenna del dispositivo allineato perpendicolarmente più perfettamente possibile alla posizione del trasmettitore.
Il fattore più importante nella definizione precisione di qualsiasi segnale radio è la distanza dal trasmettitore, la sua propagazione, l'elaborazione del ricevitore, e la latenza del sistema operativo. A causa di tutti questi fattori un ritardo massimo di millisecondi 20 ci si può aspettare e mentre questo può essere calibrato per la precisione in Time Sync v 3.2 al millisecondo 20 è più precisa per la maggior parte se non tutti i bisogni di sincronizzazione di tempo.
Moduli gratuito per gli studenti
Come parte del Galleon Systems supporto continuo per l'educazione siamo lieti di essere in grado di offrire a tutti i moduli di cui sopra in modo assolutamente gratuito per ogni studente, università o college. Ogni docente o studente interessato ad acquistare questi moduli non esitate a contattarci: 0121 608 4433 (Regno Unito) o + 44 (121) 608 4433 (all'estero) e Quote "EMC-FREE".
