Cómo construir un receptor de radio MSF reloj atómico

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Introducción Módulo

Los relojes atómicos utilizar un estándar de frecuencia de resonancia atómica como elemento de control del tiempo y son con mucho los cronómetros más precisos posibles con los últimos estroncio relojes atómicos basados ​​en dotadas de una precisión de menos de un segundo perdido en varios cientos de millones de años.

Los relojes de mantener una escala de tiempo continua y estable llamado Tiempo Atómico Internacional (TAI). Sin embargo, para el tiempo civil, otra escala de tiempo, tiempo universal coordinado (UTC), que se deriva del TAI, pero sincronizado con segundos intercalares al UTC, para mantenerlo basado en la rotación de la Tierra.

UTC es una escala de tiempo global que se utiliza comúnmente para sincronizar los relojes en redes informáticas que permiten máquinas de todo el mundo para comunicarse entre sí y realizar aplicaciones sensibles al tiempo. Por desgracia, los relojes atómicos son piezas muy caras del equipo y por lo general sólo se encuentran en alta tecnología, laboratorios de física o satélites a bordo. Sin embargo, varios laboratorios de física nacional transmitió el tiempo contado por los relojes atómicos a través de una transmisión de radio de onda larga. Estas señales son comúnmente recogidos y utilizados por la pared controlado de radio y relojes de escritorio y servidores NTP de tiempo (Network Time Protocol).

Las transmisiones de los organismos de normalización nacionales mantener una precisión de 10-9 segundos por día (aproximadamente 1 parte en 1014). MSF es la señal emitida por el Laboratorio Nacional de Física en, Rugby, Cumbria. Otros países cuentan con sus propias señales siendo el más común la transmisión broadcast DCF77 desde Mainflingen cerca de Frankfurt, Alemania y difusión de los EE.UU. WWVB señal de Fort Collins, Colorado.

Todos estos tiempos de señales funcionan de una manera similar. Al comienzo de cada segundo la fuerza de la señal o bien se redujo entre 6 y dB 10 o desconectado durante un período de tiempo específico antes de ser restaurada. La cantidad de tiempo que se reduce la señal se usa para indicar una secuencia de números binarios con marcadores de posicionamiento. El formato exacto del código varía entre cada señal, aunque son similares en formato.

Dedicado servidores de tiempo NTP que se conectan a un ordenador puede utilizar esta señal para sincronizar redes de ordenadores para. Estos dispositivos dedicados son ideales para mantener las redes que ejecutan la hora exacta y típicamente puede mantener una red precisión de unos pocos milisegundos de tiempo UTC.

Aunque no es tan precisa, y sin muchas de las funciones de un servidor de radio dedicado referencia NTP tiempo, es, sin embargo, posible construir su propio receptor de radio MSF referencia reloj atómico de costo relativamente bajo.

Requisitos

Un simple receptor de MSF se puede construir simplemente que no requiere de pruebas, la alineación o la experiencia electrónica específica. Módulos simples receptores se pueden comprar directamente de las compañías tales como Galleon o minoristas como Maplin. Los beneficios del uso de módulos completos solución sobre soluciones discretas es que los módulos incluyen la electrónica de apoyo necesarios, cristales templados y son pre-ensamblado y probado. En la construcción de un receptor de reloj atómico MSF en realidad sólo hay tres partes:

  1. Un módulo receptor: Cuando se combina con una antena de ferrita, el módulo receptor actúa como una unidad completa para la recepción de señales de código de tiempo. Con un circuito de nivel adicional de comprobación, la señal de salida demodulada se puede utilizar para controlar directamente un circuito de decodificación. Los módulos se pueden adaptar a cualquier transmisor disponible mediante la simple sustitución de los cristales.
  2. MSF antena: La señal de MSF se emite a 60 kHz y un adecuado antena de ferrita pre-alineado y sintonizado LC es el mejor.
  3. Microcontrolador decodificador: requerida para decodificar la señal en un formato de datos estándar.

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Módulo receptor Em2s

EM2S Módulo Receptor

El módulo dispone de un modo de espera de bajo consumo con el máximo 1'A consumo actual. En modo activo, el consumo de corriente es menor que 1mA, típicamente 500'A. La salida de datos se conecta internamente con una baja de colector abierto NPN transistor activa. Especificaciones EM2S Receptor Módulo General:

  • Dimensiones: 25mm x 13mm x 12mm aprox
  • Tensión nominal de funcionamiento: + 3V DC a DC 12V
  • Tensión de rango: 2.2V a 15V DC
  • 3V Recomendado rango de voltaje a 5.25V
  • Consumo de corriente en + 3V, activo: 1mA
  • En espera: 1mA
  • Salida: colector abierto transistor NPN, bajo activo
  • Máxima corriente absorbida: 15mA
  • Tensión de colector máxima: + 5.25V

Ferrite Antenna

Este LC sintonizado de antena de ferrita de pre-alineada está diseñado específicamente para su uso con el módulo receptor EM2S. Especificaciones Antena generales:

  • Dimensiones: 60mm x 13mm o 100 mm * mm 13
  • Frecuencia nominal: kHz 60 o 77.5 KHz dependiendo del modelo
  • Frecuencia resonante: kHz 60 - 300Hz o 77.5 - 300Hz
  • Ancho de banda (-3dB): Sensibilidad 700Hz: 8-V de voltaje de salida con intensidad de campo 100'Vm-1
Módulo decodificador RS232

MCM-RS232 microcontrolador módulo decodificador

Cuando se combina con el módulo receptor EM2 y la antena, este módulo permite conocer la hora en formato estándar RS232 datos a través de una interfaz serie. Búfer externo a niveles completos RS232 se requiere y se puede lograr utilizando una palanca de cambios de propiedad RS232 nivel IC. La ventaja del módulo en comparación con el host directo decodificación de la salida del receptor es la presencia de información exacta tiempo decodificada todo el tiempo y no sobrecarga de procesamiento. El módulo también incluye un reloj de tiempo real que se vuelve a calibrar en contra de la señal de radio Tiempo Atómico cuando se sincroniza con la señal de radio Tiempo Atómico.

MCM-RS232 Especificaciones generales:

  • Dimensiones: 22mm x 13mm x 5mm aprox
  • Tensión nominal de funcionamiento: + 3V DC
  • Rango de voltaje: + 2.4V DC a DC + 3.6V
  • Consumo de corriente en + 3V, activo: 1mA - En espera: 50-A
  • Entradas: El código de tiempo de entrada de datos (de EM2S), o EM6.
  • Entrada de datos serie (desde el PC host a través de convertidor de nivel adecuado)
  • Salidas: Salida de control de potencia (para EM2S), salida de conmutación (para el control de tiempo externo), a través de un circuito adecuado.
  • Salida de datos en serie (para alojar PC a través de convertidor de nivel adecuado)

El corazón del dispositivo es el módulo receptor EM2S y de adaptación de antena. Estos dos productos Galleon están diseñados para trabajar juntos en kHz 60 para recibir la señal de MSF. Otras antenas y receptores están hechos para las señales WWVB y DCF pero deben mantenerse en parejas, ya que es poco probable que vayan a trabajar si están mezclados y sincronizados.

Fuente de energía

En alimentar el circuito hay varias opciones. Un 3 voltios DC se puede utilizar para proporcionar una fuente de alimentación constante o, alternativamente, un paquete de batería / batería hará igual de bien. Esta opción permite que una corriente continua constante para ser utilizado e implica menos trabajo en la construcción del receptor. NOTA. El MCM-RS232 debe alimentarse desde 3VOLTS - NADA MAS LO DESTRUYE

ruido

Para reducir el ruido a la señal que está siendo transferido al receptor, condensadores de desacoplamiento se debe utilizar. Sin embargo, ya que el ruido puede ser dependiente del medio ambiente el receptor se va a utilizar en y la distancia desde el transmisor sólo ensayo y error determinará la fuerza. También es importante la utilización de un recinto no conductor como, obviamente, cajas de metal puede causar interferencia o bloqueo de la señal. Debido al tamaño pequeño y compacto de los módulos proporcionados por Galleon cualquier pequeña caja de plástico será suficiente. El montaje de los módulos se puede hacer ya sea en una pequeña placa de circuito o los módulos se pueden sujetar o pegar directamente a la caja.

construcción

Como módulos Galeones se dedican fichas y se incluyen todos los aparatos electrónicos de apoyo necesarios, cristales templados y son una construcción pre-ensamblado, es increíblemente fácil de armar un simple receptor de MSF, sobre todo si se opta por utilizar una fuente de alimentación dedicada, como un DC 3v. Un esquema del cableado básico de los módulos se incluye a continuación. Observe el uso opcional de un LED como indicador de que el dispositivo está funcionando con normalidad.

RS232 decodificador

Como el esquema demuestra que los módulos están conectados juntos muy simplemente:

  • La antena está mejor en posición horizontal, ya que tiene que estar alineado con la dirección de la señal de MSF (para ubicar el dispositivo en el que se recomienda el uso de una brújula y un mapa para localizar la dirección de la emisora ​​en Cumbria).
  • La antena está conectada al módulo de EM2 MSF (LP6, LP5). La fuente de alimentación se conecta tanto a la EM2 y el módulo de MCM-RS232 (LP4, 1VOLTS X3, LP1, suelo X7).
  • El EM2 y MCM módulos están conectados a través de la salida de MSF (LP3) y PON (LP2) en la EM2, a la MSF en (X3) y PON (X6) en el módulo de MCM.
  • El MCM - RS232 se conecta a un ordenador a través de una interfaz serie y serie el de entrada y salida (X2 y X5)
  • Tenga en cuenta la ubicación de los condensadores y resistencias. Como se mencionó anteriormente para superar los problemas relacionados con el ruido, algo de ensayo y error puede ser necesaria en esta área.

Software

Hay varias opciones cuando se trata de software para controlar el receptor de MSF. Aunque hay varios tipos de software de sincronización de tiempo disponible, incluyendo freeware, Sistemas de Galeón Time Sync versión 3.2 es muy recomendable. Time Sync tiene una interfaz fácil de usar y se puede sincronizar, no sólo para un receptor de radio, sino también GPS e Internet. Time Sync v 3.2 es también totalmente compatible con un manual completamente informativo contiene consejos para solucionar problemas y una interfaz de auto explicativo. También tiene muchas funciones no están disponibles en paquetes más pequeños de sincronización shareware y se pueden ejecutar en Linux y todas las versiones de Windows (por lo menos tan atrás como NT / 2000). Galleon software automáticamente detectará el dispositivo y enviar la señal de tiempo al demonio ntpd (o servicio en Windows), que se ejecutará en segundo plano. El programa también determinar la señal de MSF de los pulsos decodificados.

Solución de problemas y Precisión

Una de las causas principales de problemas con un receptor de radio sencillo como este es el ruido. Incluso si el ruido se filtra y suavizada por el uso de condensadores sólo se necesita una pequeña cantidad de ruido, particularmente cuando la señal está en un estado bajo, para generar un error. Si el daemon o servicio detecta un error al tratar de decodificar la señal horaria se anula el proceso actual y vuelve a intentarlo. Para reducir la interferencia es importante para mantener el dispositivo alejado de objetos metálicos, equipo eléctrico (que no siempre es fácil cuando esté conectada a un ordenador) y se mantiene todavía. También es mejor para mantener la antena del dispositivo alineado en ángulo recto lo más perfectamente posible a la ubicación del transmisor.

El factor más importante en la definición de la precisión de un reloj de radio es la distancia desde el transmisor, su propagación, el procesamiento del receptor, y la latencia del sistema operativo. Debido a todos estos factores, un retraso de hasta milisegundos 20 se puede esperar y si bien esto se puede calibrar para precisión en el tiempo de sincronización v 3.2 hasta milisegundos 20 es más preciso para la mayoría, si no todas las necesidades de sincronización de tiempo.

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