這個(gè)母鐘的主要特點(diǎn)是：增加了顯示部分;為了縮小體積，選定了2款型號(hào)的GPS模塊。

顯示模塊的選擇

我在選擇使用什么來(lái)做顯示時(shí)，也煞費(fèi)苦心。為了使顯示的信息盡量直觀、明了，設(shè)置盡量方便，首先考慮使用點(diǎn)陣型液晶屏，這樣可以顯示漢字信息。測(cè)試了幾款液晶屏，雖然顯示沒(méi)什么問(wèn)題，但總覺(jué)得差點(diǎn)什么，直到有一天我看到OLED顯示屏的顯示效果后，立即就讓我產(chǎn)生了“舍它其誰(shuí)”的念頭。

OLED，即有機(jī)發(fā)光二極管(Organic Light-Emitting Diode)，又稱(chēng)為有機(jī)電激光顯示(Organic Electroluminesence Display, OELD)，其顯示技術(shù)與傳統(tǒng)的LCD顯示方式不同，無(wú)需背光燈，具備輕薄、省電等特性。從2003年開(kāi)始，這種顯示屏在一些小型數(shù)碼產(chǎn)品中廣泛使用。最終我找到一款單藍(lán)色的128像素×32像素分辨率的OLED屏(見(jiàn)圖27.1)，筆者使用的這個(gè)1.11英寸的OLED屏內(nèi)部綁定的是PT6866驅(qū)動(dòng)芯片，其驅(qū)動(dòng)指令和SSD1305兼容，但其外圍電路不同，如圖27.2所示。

31個(gè)引腳定義如表27.1所示。

OLED屏一般需要外接驅(qū)動(dòng)高壓，本制作使用的這個(gè)屏需要7.5～12V的直流高壓，電流10mA以?xún)?nèi)，并使用了PT1301做DC-DC變換，電壓輸出在9V左右，具體元件參數(shù)選擇可以參考PT1301的數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行計(jì)算。在驅(qū)動(dòng)方式上，為了使電路連接簡(jiǎn)單，使用了串行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，最終電路如圖27.3所示，最終設(shè)計(jì)出的PCB見(jiàn)圖27.4。制作該電路所需的元件明細(xì)見(jiàn)表27.2。

看OLED屏的實(shí)物圖我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，其連接方式是那種比較嬌氣的柔性PCB焊接方式，每個(gè)焊腳之間的間距是1mm。在焊接時(shí)要非常注意，先將屏反面的雙面不干膠保護(hù)紙揭去，對(duì)準(zhǔn)PCB上的焊盤(pán)后小心地貼上去固定，再仔細(xì)快速地焊接，以免損壞焊腳而報(bào)廢。為了防止在調(diào)試過(guò)程中因?yàn)橥饬υ斐梢_連接斷裂，使用一種柔軟透明的硅膠將引腳進(jìn)行了加固，效果不錯(cuò)(見(jiàn)圖27.5)。

GPS模塊的選擇

在綜合價(jià)格、體積、性能等因素后，選擇了采用麗臺(tái)的LR9808或者天寶的Lassen SQ/IQ GPS模塊，因?yàn)榇?PCB的設(shè)計(jì)可以兼容二者，任選其一焊上去即可，通信速率固定在9600bit/s。

LR 9808 是Leadtek(麗臺(tái))公司推出的一款功能強(qiáng)大、性能卓越的OEM模塊。使用的是SIRF II 7451芯片，具有結(jié)構(gòu)小巧、性能優(yōu)良等特點(diǎn)，低功耗12通道并行接收。接口采用串行TTL電平，數(shù)據(jù)格式可支持標(biāo)準(zhǔn)的NMEA-0183，不需電平轉(zhuǎn)換即可與MCU直接連接。該模塊的外部有金屬屏蔽蓋保護(hù)，在嘈雜環(huán)境下可保證最佳性能。外形尺寸為 24mm×20mm×5mm，功耗為215mW，供電電壓3.3V。

GPS9808的引腳排列如圖27.6所示，各引腳的功能如表27.3所示。

Lassen SQ/IQ 是美國(guó) Trimble(天寶)公司生產(chǎn)的商用GPS模塊，接口采用串行TTL 電平，數(shù)據(jù)格式可支持標(biāo)準(zhǔn)的NMEA-0183，該模塊的外部也有金屬屏蔽蓋保護(hù)，內(nèi)置有天線短路檢測(cè)和保護(hù)電路。模塊外形尺寸為26mm×26mm×6mm，功耗僅為120 mW，供電電壓3.3V。

IQ在性能上比SQ要好，最大的區(qū)別是：IQ是并行12通道，SQ是并行8通道。如果拆開(kāi)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，他們使用的芯片是不一樣的，見(jiàn)圖27.7。

SQ和IQ的外部尺寸、引腳排列都是一樣的，可以完全兼容(見(jiàn)圖27.8)。各引腳的功能如表27.4所示。

控制電路規(guī)劃設(shè)計(jì)

控制電路系統(tǒng)規(guī)劃如下。

(1)因?yàn)槭褂?28×32OLED顯示屏來(lái)顯示，考慮到一些漢字的點(diǎn)陣信息需要占用不少空間，MCU選擇AVR的ATmega32L，為了保證MCU和GPS模塊串口通信的準(zhǔn)確、可靠，使用外部11.0592MHz晶體振蕩器。

(2)OLED使用時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)有光衰的現(xiàn)象，為了盡量延長(zhǎng)OLED屏的使用壽命，在程序菜單里可以對(duì)顯示亮度進(jìn)行16級(jí)調(diào)整，同時(shí)增加3組自動(dòng)開(kāi)關(guān)顯示時(shí)段設(shè)置。比如可以這樣設(shè)置：07點(diǎn)開(kāi)顯示—08點(diǎn)關(guān)顯示、11點(diǎn)開(kāi)顯示—14點(diǎn)關(guān)顯示、17點(diǎn)開(kāi)顯示—23點(diǎn)關(guān)顯示。

(3)正常狀態(tài)下，屏幕用大數(shù)字顯示所設(shè)置時(shí)區(qū)的時(shí)間信息，右邊用小字符顯示同步衛(wèi)星數(shù)量、時(shí)區(qū)、是否同步、發(fā)射次數(shù)等信息。

(4)程序菜單里可以對(duì)同步發(fā)送間隔進(jìn)行設(shè)置，范圍為1～99min。

(5)程序菜單里可對(duì)24時(shí)區(qū)進(jìn)行設(shè)置。

(6)安排4個(gè)按鍵，方便設(shè)置、操作。

設(shè)計(jì)的控制電路原理如圖27.9所示，制作這個(gè)電路所需的元器件見(jiàn)表27.5。

整體安裝、調(diào)試

在繪制PCB的過(guò)程中，我也為這款母鐘找了一個(gè)小的鋁合金外殼(見(jiàn)圖27.10)，仔細(xì)量好尺寸后，確定PCB的結(jié)構(gòu)、外形尺寸，以保證最終制作好的成品PCB剛好能插入外殼的導(dǎo)槽內(nèi)。

在繪制好的PCB上(見(jiàn)圖27.11)，左邊放置4個(gè)操作按鍵，右邊放置一個(gè)外接電源插座。使用游標(biāo)卡尺仔細(xì)測(cè)量好開(kāi)孔尺寸后，通過(guò)ArtCAM Pro軟件(見(jiàn)圖27.12)生產(chǎn)刀路，導(dǎo)入MACH3控制雕刻機(jī)在鋁板上銑出外殼兩邊的側(cè)蓋板以及側(cè)蓋板上的按鍵孔和天線、電源插孔(見(jiàn)圖27.13)。

同時(shí)還要使用雕刻機(jī)在面板上銑出一個(gè)方孔，以便安裝OLED屏(見(jiàn)圖27.14)。將焊接好驅(qū)動(dòng)的OLED顯示屏測(cè)試無(wú)誤后(見(jiàn)圖27.15)，對(duì)準(zhǔn)銑好的方孔安裝在前面板上，使用透明的硅膠將它固定好(見(jiàn)圖27.16)。

接下來(lái)，將主電路板焊接好后就可以組裝起來(lái)了(見(jiàn)圖27.17)。OLED顯示屏驅(qū)動(dòng)板和主板之間是通過(guò)8芯的柔性FPC排線連接，拆卸、安裝比較靈活、方便，連好排線后，將外殼和面板安裝起來(lái)(見(jiàn)圖27.18)就大功告成，可以通電測(cè)試了。組裝好后的實(shí)際效果見(jiàn)圖27.19。

制作注意事項(xiàng)

(1)該母鐘供電是直流穩(wěn)壓5V，不要超過(guò)5.5V，外接電源插座是3.5mm規(guī)格，電源極性是內(nèi)正外負(fù)。

(2)GPS外接有源天線接口選擇內(nèi)鏍內(nèi)針的SMA規(guī)格，供電電壓為3～5V。因?yàn)樵撃哥娛墙饘偻鈿?，能屏蔽所有的無(wú)線射頻信號(hào)，所以CC1101模塊也是采用的外接天線。為了和GPS天線接口區(qū)分，防止插錯(cuò)，CC1101模塊的433MHz外接天線選擇的是內(nèi)鏍內(nèi)孔的SMA規(guī)格。筆者選擇的是一種吸盤(pán)式螺旋天線，電纜長(zhǎng)度3m，見(jiàn)圖27.20。

(3)OLED顯示屏比較嬌氣，在安裝、焊接的過(guò)程一定要輕拿輕放，快速焊接，以免損壞。

子母鐘同步測(cè)試

將母鐘放在窗邊，GPS有源外接天線放在窗戶(hù)邊或者窗外，若條件允許，盡量讓天線所在位置的可視天空多一些，這樣可以大大加快GPS模塊的定位速度。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，有時(shí)1min就可以與衛(wèi)星同步了，有時(shí)可能需要20min才能與衛(wèi)星同步，這與所在地當(dāng)時(shí)天空的衛(wèi)星所處的位置以及天線放置的環(huán)境都有很大關(guān)系，不過(guò)這對(duì)子母鐘的工作沒(méi)有什么影響。CC1101的外接天線可以隨便放置，放置離地面高些，效果會(huì)好點(diǎn)。圖27.21、圖27.22是2個(gè)LED子鐘和一個(gè)母鐘在同步和未同步時(shí)的實(shí)物照片。

系統(tǒng)編程總結(jié)及改進(jìn)

大家可以在今后自己的時(shí)鐘制作中加入CC1101接收模塊，使之成為一個(gè)跟隨母鐘同步校時(shí)的子鐘。筆者也制作了一大一小兩款LED點(diǎn)陣顯示的子鐘，測(cè)試效果非常不錯(cuò)，在小區(qū)樓房密集的環(huán)境中，實(shí)際同步距離可達(dá)150m，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。說(shuō)簡(jiǎn)單點(diǎn)，子鐘只是在普通時(shí)鐘的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)CC1101模塊，程序上做了一點(diǎn)簡(jiǎn)單處理而已。沒(méi)有同步信號(hào)時(shí)，其顯示和手動(dòng)調(diào)節(jié)功能等與一般的時(shí)鐘大同小異，這里不再贅述。最后，我重點(diǎn)總結(jié)、歸納一下母鐘的GPS數(shù)據(jù)接收、CC1101同步數(shù)據(jù)發(fā)送，以及子鐘CC1101同步數(shù)據(jù)接收模塊的程序編制要點(diǎn)和改進(jìn)思路，方便大家參考制作。

1.母鐘程序編制要點(diǎn)

(1)GPS時(shí)間數(shù)據(jù)接收處理部分。GPS時(shí)間數(shù)據(jù)采用串口中斷接收，中斷可以保證對(duì)數(shù)據(jù)的及時(shí)接收處理，避免發(fā)生緩沖區(qū)溢出而丟失數(shù)據(jù)包。串口中斷每觸發(fā)一次，就可以從UDR寄存器接收一個(gè)字節(jié)。

(2)1PPS脈沖信號(hào)處理部分。對(duì)于1PPS脈沖信號(hào)，采用INT0中斷進(jìn)行處理。當(dāng)此中斷觸發(fā)時(shí)，意味著時(shí)間的整秒時(shí)刻到達(dá)。此中斷的處理邏輯比較簡(jiǎn)單，就是將由$GPRMC數(shù)據(jù)包中解析出的日期時(shí)間調(diào)整到下一個(gè)整秒，這樣調(diào)整過(guò)后的時(shí)間更為精確。

例如：由最近一次$GPRMC數(shù)據(jù)包解析出的時(shí)間是2011/07/03 11:10:00.520，當(dāng)INT0中斷觸發(fā)時(shí)，將此時(shí)間調(diào)整到2011/07/03 11:10:01.000。

(3)CC1101時(shí)間同步數(shù)據(jù)發(fā)送部分。從理論上來(lái)說(shuō)，最佳的發(fā)送時(shí)刻為1PPS脈沖觸發(fā)整秒中斷之后，也就是在INT0中斷處理程序中，但為了避免中斷處理占用CPU時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而影響系統(tǒng)其他部分(例如顯示)的正常運(yùn)行，把同步數(shù)據(jù)的發(fā)送相關(guān)代碼放在母鐘的主函數(shù)main中。

為了讓時(shí)間盡可能準(zhǔn)確，程序中對(duì)發(fā)送同步包的時(shí)刻進(jìn)行控制，確保同步包的發(fā)送時(shí)刻位于最近一次的1PPS脈沖觸發(fā)中斷后的某個(gè)時(shí)間范圍之內(nèi)(例如50ms)，這樣子、母鐘的時(shí)間誤差就能始終處于一個(gè)較小的可控范圍之內(nèi)(例如：50ms+CC1101傳輸延遲)，為未來(lái)進(jìn)一步進(jìn)行補(bǔ)償校正以提高時(shí)間精度提供了可能。

CC1101發(fā)送數(shù)據(jù)包采用的是變長(zhǎng)格式，而且?guī)RC校驗(yàn)字節(jié)。

2.子鐘程序編制要點(diǎn)

子鐘程序重點(diǎn)是CC1100時(shí)間同步數(shù)據(jù)接收部分。CC1100時(shí)間同步數(shù)據(jù)的接收也采用中斷方式實(shí)現(xiàn)，由CC1100接收模塊的GDO引腳提供中斷源，實(shí)際中采用了INT0中斷，這種方式確保了在第一時(shí)間就能接收和處理同步數(shù)據(jù)。

3.程序方面可能的改進(jìn)

(1)可靠性。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月的測(cè)試，在實(shí)際工作中，CC1101在長(zhǎng)期的工作中可能會(huì)存在偶爾死機(jī)的現(xiàn)象，今后可以考慮采取如下方法改進(jìn)。

母鐘：定期對(duì)CC1100進(jìn)行復(fù)位，以提高系統(tǒng)長(zhǎng)期工作的可靠性。

子鐘：定期或超過(guò)一定時(shí)間沒(méi)有接收到母鐘的同步數(shù)據(jù)后，對(duì)CC1100接收模塊進(jìn)行復(fù)位。

(2)時(shí)間精度。母鐘：通過(guò)定時(shí)器精確測(cè)量發(fā)送時(shí)刻和1PPS脈沖觸發(fā)中斷時(shí)刻的間隔，并將此間隔作為同步包中的毫秒字段進(jìn)行傳送(目前未使用毫秒字段)。

子鐘：對(duì)CC1100傳輸延遲進(jìn)行計(jì)算、估計(jì)，然后對(duì)時(shí)間予以補(bǔ)償，以進(jìn)一步減小時(shí)間誤差。

(3)擴(kuò)展信息。在母鐘上接入溫度、濕度、風(fēng)力、風(fēng)向、雨水等傳感器，可以很簡(jiǎn)單地將其功能進(jìn)行擴(kuò)展，將子母鐘系統(tǒng)打造成一個(gè)小小的無(wú)線氣象站。

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