钟吉 周元玲 蒋毅 李子枭 周娇 康香

摘  要：为了克服目前定向越野点签器校时的不便和提高校时精度，提出一种利用电波钟信号实现越野点签器的自动校时方法。该文首先介绍了目前自动校时的几种常见方法，并详细说明了电波钟信号校时的原理。接着介绍了定向越野点签器自动校时档硬件设计、软件流程，特别介绍了电波钟BPC编码的解码过程。电波钟信号校时在需要精确时间的体育设备中有着良好应用前景。

关键词：电波钟  点签器  定向越野  点签器

中图分类号：G80                                    文獻标识码：A                       文章编号：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

定向越野运动作为一种新兴的野外活动方式，起源于欧洲，运动员利用地图和指北针到访地图上所指示的各个点标，以最短时间到达所有点标者为胜。在世界各地正吸引着越来越多人参与并为之狂热。目前在定向越野的教学和训练过程中，定向越野目前现有的设备已经越来越不能满足实际的教学和训练需求，例如电子点签器的时间标定问题，目前是通过控制棒或者红外线依次给电子点签器标定时间，时间标定不方便而且存在手动误差。目前的电子点签器计时单位达到1/100s，电子点签器时间标定有着至关重要的作用[1]。

1  电波钟信号校时原理

自动校时的实现通常通过以下几种方法实现：（1）网络实现自动校时，通过与对应的时间服务器通信获得时间信息并更新系统时间[2-3];（2）GPS、北斗导航等自动校时，利用GPS模块从GPS卫星上获取标准的时间信号，将这些时间信息通过串口等传输给单片机用来更新时间信息[4-6];（3）电波钟信号校时，一种通过接受国家授时中心的无线信号以确保时间准确性的计时工具[7-9]。

首先介绍下电波钟信号校时的工作原理：由认证过的授时中心将标准时间信号进行相应的编码，利用低频（20～80kHz）载波方式将时间信号以无线电的方式发送出去。电波钟信号接收部分通过无线电接收装置接收该低频无线电信号，并由低频接收解码芯片对该时间信号进行解调。通过单片机等微处理器进行解码得倒具体的时间信息，最终将时间写入时钟模块完成电波钟信号校时。通过电波钟信号使得电波钟接收同一标准时间信号的电波，并都与标准时间授时中心的标准时间保持高度同步。以中国为例，目前中国的电波钟发播台位于河南省商丘，目前该发播台已经正式纳入到了国家授时中心的发播体系，授时中心从08年起正式开始BPC编码（频率 68.5kHz）的试发播，每日发播时间不少于16h，发播时间：9：00～17：00，21：00～5：00。

2  软、硬件设计

定向越野点签器自动校时的硬件设计示意图如图1所示。该自动校时定向越野点签器除了常规的点签器部件，如RC522模块、PCF8593、LED、蜂鸣器和按键等，还包括电波钟接收和解码部分，中波磁棒绕线线圈、谐振电容和CME6005接收解码芯片等。

RC522是一款NXP公司的支持ISO14443A协议的高频的射频芯片，支持ISO/IEC 14443 TypeA和MIFARE?通信协议。RC522高频的射频芯片支持和兼容市面上大部分的点签射频卡。PCF8593是支持1/100s的低功耗实时时钟芯片，通过双向I?C总线和STC51单片机进行时间信息的读写操作。电波钟接收和解码模块用漆包线绕圈中波磁棒实现电感制作并和电容并联谐振到68.5kHz，将该谐振电路信号接入CME6005电路，CME6005电路通过选频放大、滤波整形等解码出低频时间信号码。由于中国电波钟发播时间信号采用BPC编码，STC51单片机必须解码该BPC编码信息得倒标准的时间信号。

如图2为定向越野点签器的工作流程图，在开机的时候通过判断按键是否要进行自动校时，如果校时成功则改写PCF8593模块时间。

PCF8593模块通过备份电池实时更新时间，但是由于时间晶振误差等会产生累计时间误差，每次开机前进行一次自动校时可以有效消除累计时间误差。点签器如果刷卡成功，STC51单片机读取PCF8593模块时间更新点签器数据。校时过程中最重要的步骤之一：对BPC编码进行解码获得时间信息。

3  BPC编码

如圖3所示为BPC编码的一帧数据示意图，通过示意图详细介绍电波钟信号的实现过程。

（1）BPC编码每分钟包含3帧，帧周期为20s。P0：每帧的开始，每分钟3次，间隔20s，因此P0则是在第0s、第20s和第40s的位置。

（2）以秒脉冲宽度表示四进制数的0、1、2、3，分别对应100ms、200ms、300ms和400ms。以缺少秒脉冲作为帧间隔和帧预告标志。如图中分钟的计算10分=0×42+2×41+2×40，4时=1×41+2×40。

（3）无线电波传播过程中不可避免地要受到各种干扰和接收端外部电磁干扰等，接收到的时间信息可能会产生失真等现象。因此在BPC编码编码中设置了对应的校验位，通过校验位来判断接收到的数据是否出现错误。

①P1用做帧定位，P1的3种状态分别为0、1和2，分别表示从第1、21和41s开始。图中P1为0表示目前为1s。

②P2为预留位。

③P3是校验位和与“上午”“下午”标志复用，0和1表示上午，2和3表示下午。“P1”“P2”“时”“分”“星期”各位码的值转换成二进制表达式后，其“1”的个数为偶数时表示为0或者2，其“1”的个数为奇数时表示为1或者3。

④P4是校验位与“年”的最高位复用。0和1同时表示“年”的最高位的值为0、2和3同时表示“年”的最高位的值为1。“日”“月”“年”的低三位各位码的值转换成二进制表达式后，其“1”的个数为偶数时表示为0或者2，其“1”的个数为奇数时表示为1或者3。

图3中的时间编码为：0010022020011021032。表示的时间信息为：2019年2月5日，星期二，上午04 时10分01秒。

4  结语

电波钟信号校时相对其他几种校时方式，其实现简单、价格低廉、授时精度高，在野外应用有一定优越性。通过电波钟信号校时的点签器可以简化定向越野点签器的校时过程，提高点签器的时间精度，完全满足定向越野点签器的比赛和训练要求。电波钟信号校时在定向越野点签器等需要精确时间信号的体育设备中有广泛的应用前景。

参考文献

[1] 王娜娜，李培勇，陈克梦.定向越野的起源与发展趋势的研究[J].体育科技文献通报，2012，20（2）：89-90，110.

[2] 麦启明.基于物联网的定向运动平台的设计[J].电子世界，2016（11）：160，162.

[3] 张东徽，仇飞云，周洪敏.基于物联网技术的定向运动教学与训练研究[J].电视技术，2015，39（18）：16-18，21.

[4] 张铁良，胡国新.GPS在定向越野中的应用探讨[J].江西测绘，2009（4）：2-3.

[5] 谢浩，王健.GPS技术在定向运动中运用的研究[J].浙江体育科学，2009，31（1）：61-64.

[6] 曹璐.GPS在定向运动训练过程中的应用分析[J].商情，2014（4）：269.

[7] 郭永禄.全自动电波钟接收模组调校仪的设计与实现[J].电子技术与软件工程，2018（12）：102-103.

[8] 赵亚范，王坤，杨帆，等.基于STM32单片机的电波钟设计[J].电子测量技术，2015，38（6）：80-82.

[9] 王旭，曾谢华，李光辉.基于单片机MSP430G2553的智能电波钟设计[J].昆明冶金高等专科学校学报，2015，31（3）：25-30.