Projektdokumentation: DCF 77 Funkuhr

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1 Projektdokumentation: DCF 77 Funkuhr Seite 1 von 8

2 DCF-77 Signalanalyse Die DCF-77 Signale werden von einem Sender in Mainflingen (ca. 25 km südöstlich von Frankfurt am Main) von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) gesendet. Durch die Übertragung per Langwelle (Frequenz 77,5 khz) können fast alle Funkuhren in Westeuropa mit aktuellen Zeit- und Datumsinformationen versorgt werden (bis zu einem Radius von 2000km). Die Informationen werden kodiert und dann bitweise übertragen. Die im Sekunden-Rhythmus gesendeten Zeichen entsprechen, je nach Länge, entweder einer logischen 0 (100 ms) oder einer logischen 1 (200 ms). Die Signalqualität kann allerdings um bis zu ± 20ms schwanken, deshalb sollte man eine Toleranz einbauen. Für die 59. Sekunde wird kein Signal gesendet, sodass eine Signalpause von mehr als 1600 Millisekunden als neuer Minutenanfang gewertet werden kann. Pro Minute werden also 59 Bits übertragen, die folgende Bedeutungen haben: Bits Bedeutung 0 Startbit (ist immer 0 ) 1-14 Verschlüsselte Wetterinformationen der Firma MeteoTime für 90 Regionen in Europa, Katastrophenwarnungen 15 Rufbit zum Alarmieren der PTB-Mitarbeiter 16 Am Ende der Stunde wird von/auf Sommerzeit umgestellt Sommer oder Winterzeit aktiv: 10 Sommerzeit (MESZ) 01 Winterzeit (MEZ) 19 Am Ende der Stunde wird eine Schaltsekunde eingefügt 20 Beginn der Zeitinformationen (ist immer 1 ) Minute 28 Parität der Minuten-Bits Stunde 35 Parität der Stunden-Bits Monatstag Wochentag Monat Jahr (nur zweistellig, z.b. 10 bei 2010 oder 91 bei 1991 ) 58 Parität der Datums-Bits (36-57) Seite 2 von 8

3 Die Zeitinformationen sind zusätzlich BCD-Kodiert, d.h. jedes Bit hat eine bestimmte Wertigkeit ( 1,2,4,8,10,20,40,80 ), die addiert das gewünschte Ergebnis ergeben. Rechenbeispiel: Logischer Wert: Wertigkeit: Rechnung: 1 * * * * * * *40 = 55 D.h. wir befinden uns in Minute 55! Zusätzlich werden Paritätsbits mitgesendet, die angeben ob die Anzahl der logischen Einsen gerade oder ungerade ist. Die Paritätsbits können mit den empfangenen Daten verglichen und so Übertragungsfehler erkannt werden. Diese Methode ist allerdings nicht 100%ig sicher, da 2 Fehlerhafte Bits wieder die gültige Parität ergeben würden. Verwendete Komponenten: - MiCoWi Microcontrollersystem - 2x Zusatzplatine Micosa Display (4-stelliges 7-Sgement Display) - DCF-77 Empfänger (Conrad) - KEIL C51 Development Tools (C-Compiler) - Micosa Ladeprogramm (um die HEX-Datei in den Microcontroller zu überspielen) Grundsätzlicher Programmaufbau: 1. Funktionsumfang: Das Programm zeigt auf den 2 Display-Platinen die aktuelle Uhrzeit mit den Sekunden an. Zwischen den Sekunden 25 bis 30 wird das Datum inkl. Jahr anstatt den Sekunden angezeigt. Außerdem kann man auf dem 7-Segment-Display des Microcontrollers erkennen ob momentan Daten empfangen werden (LEDs aus) oder ob der Microcontroller auf einen neuen Minutenanfang wartet um sich neu zu synchronisieren (LEDs an). Falls der Empfang schlecht ist, springt außerdem ein Timer ein, der die Zeit weiterzählt bis wieder Daten empfangen werden können. Seite 3 von 8

4 2. Variablen: In meinem Programm verwende ich hauptsächlich 2 Bitfelder um die Daten zu speichern. Bitfelder sind wie normale Strukturen aufgebaut und haben den Vorteil, dass man die Größe der Variablen aufs Bit genau angeben kann, damit kein Speicherplatz verschwendet wird. Das erste Feld dient dazu Variablen wie Counter oder Temp-Variablen zu speichern (sys) und das zweite Feld speichert die Zeitinformationen die gerade angezeigt werden (dcf_time). Außerdem gibt es noch die Variable dcf77_signal damit man auf das Signal des Empfängers zugreifen kann und eine Variable die das 7-Segment-Display im Fehlerfall anschalten kann: 3. Funktionen: Übersicht: Seite 4 von 8

5 void putdig(display_port,stelle,digwert): Diese Funktion gibt eine BCD-Kodierte Zahl an der Stelle stelle aus. Der Parameter display_port gibt an auf welchem Display die Zahl angezeigt werden soll. Beispiel: void init(void): Hier werden die Variablen (Counter usw.) auf null gesetzt und der 20ms Timer initialisiert (Modus: 16bit ohne Autoreload) void display_update(void): Diese Funktion gibt die aktuellen Zeitinformationen aus der Struktur dcf_time über die putdig()-funktion aus. Dazu werden die Werte durch 10 geteilt um die erste Stelle und zu bekommen bevor mit Modulo 10 die zweite Stelle errechnet wird. Außerdem wird hier überprüft ob das Datum oder die Sekunden angezeigt werden sollen. void increment_seconds(void): Mit dieser Funktion werden die Sekunden um eins erhöht. Außerdem wird überprüft ob die Minuten oder Stunden erhöht werden müssen (Falls es die 60. Sekunde wäre) void timer0 (void) interrupt 1: Diese Funktion wird aufgerufen, wenn der Timer abläuft (also immer nach 20 Millisekunden). Innerhalb der Funktion wird als erstes der Timer neu gestartet und ein Counter erhöht. Dieser Counter ermöglich später in der Main-Funktion die Abschätzung der Zeit (z.b. um zu Stoppen wie lange ein High-Pegel anliegt) Danach wird die Error-LED an- bzw. ausgeschaltet und die Anzeige mit der display_update Funktion aktualisiert. Außerdem wird überprüft ob der Timer die Sekunden zählen muss (wenn kein Empfang vorhanden ist) und ggf. werden die Sekunden erhöht. Zum Schluss wird noch überprüft ob der Empfänger noch ordnungsgemäß arbeitet oder abgezogen wurde. Falls der Empfänger nämlich an den Pins 6 und 7 das gleiche Signal liefert, stimmt etwas nicht und die Uhr wartet bis sie ein neues Signal mit gültigem Minutenanfang finde (während der Timer weiterzählt). Seite 5 von 8

6 void main(void): Bit-Erkennung: Seite 6 von 8

7 Im Hauptprogramm wird als erstes die Initialisierungsfunktion aufgerufen bevor eine ewige while-schleife ausgeführt wird. In dieser while-schleife gibt es 2 weitere Schleifen die entweder auf den Minutenanfang warten, oder die Bits ermitteln und auswerten. Wenn ein Bit ermittelt wurde, wird das Bit ausgewertet. Dabei wird das Bit entsprechend seiner Wertigkeit in die Temp-Variable geschrieben und, falls die Parität stimmt, in die passende Variable übernommen. Fehlererkennung: Damit keine fehlerhaften Daten angezeigt werden, wird (neben der Paritätsüberprüfung) noch: - überprüft ob beim Signal eine gültig Länge für eine logische 1 oder eine logische 0 gemessen wurde. - geschaut ob die festen Bits (Position 0 und 20) den richtigen Wert haben - geprüft ob der Empfänger angeschlossen ist, indem die Pins 6 und 7 auf Gleichheit überprüft werden (in der Interrupt-Routine) Falls eine der Prüfungen fehlschlägt, wird das Einlesen abgebrochen und der interne Timer übernimmt das Zählen, bis wieder ein gültiges Signal erkannt wird. Erweiterungsmöglichkeiten: Im jetzigen Zustand überprüft die Software nur die Parität der Zeitinformationen und die Datumsinformationen werden nicht überprüft, weil ansonsten zu viel Code erzeugt werden würde und die freie Version des Compilers nur 2 kbyte Code unterstützt. Außerdem sollte man noch eine Plausibilitätsprüfung einbauen, damit z.b. keine 61. Minute oder ein falsches Datum (z.b. wird ein Tag empfangen, der älter ist als der zuletzt angezeigte) angezeigt wird. Außerdem könnte man noch einen Lautsprecher anschließen der zu bestimmten Zeiten ein akustisches Signal erzeugt, mit dem z.b. eine Schulglocke oder ein Wecker realisiert werden könnte. Seite 7 von 8

8 Quellen: Putdig Funktion: Beispiele/disptest.c Seite 8 von 8