定向越野點簽器自動校時系統的實現

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簽器校時的不便和提高校時精度，提出一種利用電波鐘信號實現越野點簽器的自動校時方法。該文首先介紹了目前自動校時的幾種常見方法，并詳細說明了電波鐘信號校時的原理。接著介紹了定向越野點簽器自動校時檔硬件設計、軟件流程，特別介紹了電波鐘BPC編碼的解碼過程。電波鐘信號校時在需要精確時間的體育設備中有著良好應用前景。

關鍵詞：電波鐘? 點簽器? 定向越野? 點簽器

中圖分類號：G80? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：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

定向越野運動作為一種新興的野外活動方式，起源于歐洲，運動員利用地圖和指北針到訪地圖上所指示的各個點標，以最短時間到達所有點標者為勝。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和訓練過程中，定向越野目前現有的設備已經越來越不能滿足實際的教學和訓練需求，例如電子點簽器的時間標定問題，目前是通過控制棒或者紅外線依次給電子點簽器標定時間，時間標定不方便而且存在手動誤差。目前的電子點簽器計時單位達到1/100s，電子點簽器時間標定有著至關重要的作用[1]。

1? 電波鐘信號校時原理

自動校時的實現通常通過以下幾種方法實現：（1）網絡實現自動校時，通過與對應的時間服務器通信獲得時間信息并更新系統時間[2-3];（2）GPS、北斗導航等自動校時，利用GPS模塊從GPS衛星上獲取標準的時間信號，將這些時間信息通過串口等傳輸給單片機用來更新時間信息[4-6];（3）電波鐘信號校時，一種通過接受國家授時中心的無線信號以確保時間準確性的計時工具[7-9]。

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

2? 軟、硬件設計

定向越野點簽器自動校時的硬件設計示意圖如圖1所示。該自動校時定向越野點簽器除了常規的點簽器部件，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協議的高頻的射頻芯片，支持ISO/IEC 14443 TypeA和MIFARE?通信協議。RC522高頻的射頻芯片支持和兼容市面上大部分的點簽射頻卡。PCF8593是支持1/100s的低功耗實時時鐘芯片，通過雙向I?C總線和STC51單片機進行時間信息的讀寫操作。電波鐘接收和解碼模塊用漆包線繞圈中波磁棒實現電感制作并和電容并聯諧振到68.5kHz，將該諧振電路信號接入CME6005電路，CME6005電路通過選頻放大、濾波整形等解碼出低頻時間信號碼。由于中國電波鐘發播時間信號采用BPC編碼，STC51單片機必須解碼該BPC編碼信息得倒標準的時間信號。

如圖2為定向越野點簽器的工作流程圖，在開機的時候通過判斷按鍵是否要進行自動校時，如果校時成功則改寫PCF8593模塊時間。

PCF8593模塊通過備份電池實時更新時間，但是由于時間晶振誤差等會產生累計時間誤差，每次開機前進行一次自動校時可以有效消除累計時間誤差。點簽器如果刷卡成功，STC51單片機讀取PCF8593模塊時間更新點簽器數據。校時過程中最重要的步驟之一：對BPC編碼進行解碼獲得時間信息。

3? BPC編碼

如圖3所示為BPC編碼的一幀數據示意圖，通過示意圖詳細介紹電波鐘信號的實現過程。

（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制數的0、1、2、3，分別對應100ms、200ms、300ms和400ms。以缺少秒脈沖作為幀間隔和幀預告標志。如圖中分鐘的計算10分=0×42+2×41+2×40，4時=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，接收到的時間信息可能會產生失真等現象。因此在BPC編碼編碼中設置了對應的校驗位，通過校驗位來判斷接收到的數據是否出現錯誤。

①P1用做幀定位，P1的3種狀態分別為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為預留位。

③P3是校驗位和與“上午”“下午”標志復用，0和1表示上午，2和3表示下午。“P1”“P2”“時”“分”“星期”各位碼的值轉換成二進制表達式后，其“1”的個數為偶數時表示為0或者2，其“1”的個數為奇數時表示為1或者3。

④P4是校驗位與“年”的最高位復用。0和1同時表示“年”的最高位的值為0、2和3同時表示“年”的最高位的值為1。“日”“月”“年”的低三位各位碼的值轉換成二進制表達式后，其“1”的個數為偶數時表示為0或者2，其“1”的個數為奇數時表示為1或者3。

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

4? 結語

電波鐘信號校時相對其他幾種校時方式，其實現簡單、價格低廉、授時精度高，在野外應用有一定優越性。通過電波鐘信號校時的點簽器可以簡化定向越野點簽器的校時過程，提高點簽器的時間精度，完全滿足定向越野點簽器的比賽和訓練要求。電波鐘信號校時在定向越野點簽器等需要精確時間信號的體育設備中有廣泛的應用前景。

參考文獻

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[5] 謝浩，王健.GPS技術在定向運動中運用的研究[J].浙江體育科學，2009，31（1）：61-64.

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[9] 王旭，曾謝華，李光輝.基于單片機MSP430G2553的智能電波鐘設計[J].昆明冶金高等專科學校學報，2015，31（3）：25-30.