這個母鐘的主要特點是：增加了顯示部分;為了縮小體積，選定了2款型號的GPS模塊。

顯示模塊的選擇

我在選擇使用什么來做顯示時，也煞費苦心。為了使顯示的信息盡量直觀、明了，設(shè)置盡量方便，首先考慮使用點陣型液晶屏，這樣可以顯示漢字信息。測試了幾款液晶屏，雖然顯示沒什么問題，但總覺得差點什么，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”的念頭。

OLED，即有機發(fā)光二極管(Organic Light-Emitting Diode)，又稱為有機電激光顯示(Organic Electroluminesence Display, OELD)，其顯示技術(shù)與傳統(tǒng)的LCD顯示方式不同，無需背光燈，具備輕薄、省電等特性。從2003年開始，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色的128像素×32像素分辨率的OLED屏(見圖27.1)，筆者使用的這個1.11英寸的OLED屏內(nèi)部綁定的是PT6866驅(qū)動芯片，其驅(qū)動指令和SSD1305兼容，但其外圍電路不同，如圖27.2所示。

31個引腳定義如表27.1所示。

OLED屏一般需要外接驅(qū)動高壓，本制作使用的這個屏需要7.5～12V的直流高壓，電流10mA以內(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)手冊進行計算。在驅(qū)動方式上，為了使電路連接簡單，使用了串行數(shù)據(jù)驅(qū)動，最終電路如圖27.3所示，最終設(shè)計出的PCB見圖27.4。制作該電路所需的元件明細見表27.2。

看OLED屏的實物圖我們會發(fā)現(xiàn)，其連接方式是那種比較嬌氣的柔性PCB焊接方式，每個焊腳之間的間距是1mm。在焊接時要非常注意，先將屏反面的雙面不干膠保護紙揭去，對準PCB上的焊盤后小心地貼上去固定，再仔細快速地焊接，以免損壞焊腳而報廢。為了防止在調(diào)試過程中因為外力造成引腳連接斷裂，使用一種柔軟透明的硅膠將引腳進行了加固，效果不錯(見圖27.5)。

GPS模塊的選擇

在綜合價格、體積、性能等因素后，選擇了采用麗臺的LR9808或者天寶的Lassen SQ/IQ GPS模塊，因為此 PCB的設(shè)計可以兼容二者，任選其一焊上去即可，通信速率固定在9600bit/s。

LR 9808 是Leadtek(麗臺)公司推出的一款功能強大、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，低功耗12通道并行接收。接口采用串行TTL電平，數(shù)據(jù)格式可支持標準的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，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 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)格式可支持標準的NMEA-0183，該模塊的外部也有金屬屏蔽蓋保護，內(nèi)置有天線短路檢測和保護電路。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。如果拆開就會發(fā)現(xiàn)，他們使用的芯片是不一樣的，見圖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

控制電路系統(tǒng)規(guī)劃如下。

(1)因為使用128×32OLED顯示屏來顯示，考慮到一些漢字的點陣信息需要占用不少空間，MCU選擇AVR的ATmega32L，為了保證MCU和GPS模塊串口通信的準確、可靠，使用外部11.0592MHz晶體振蕩器。

(2)OLED使用時間長了會有光衰的現(xiàn)象，為了盡量延長OLED屏的使用壽命，在程序菜單里可以對顯示亮度進行16級調(diào)整，同時增加3組自動開關(guān)顯示時段設(shè)置。比如可以這樣設(shè)置：07點開顯示—08點關(guān)顯示、11點開顯示—14點關(guān)顯示、17點開顯示—23點關(guān)顯示。

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

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

(5)程序菜單里可對24時區(qū)進行設(shè)置。

(6)安排4個按鍵，方便設(shè)置、操作。

設(shè)計的控制電路原理如圖27.9所示，制作這個電路所需的元器件見表27.5。

整體安裝、調(diào)試

在繪制PCB的過程中，我也為這款母鐘找了一個小的鋁合金外殼(見圖27.10)，仔細量好尺寸后，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(見圖27.11)，左邊放置4個操作按鍵，右邊放置一個外接電源插座。使用游標卡尺仔細測量好開孔尺寸后，通過ArtCAM Pro軟件(見圖27.12)生產(chǎn)刀路，導(dǎo)入MACH3控制雕刻機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(見圖27.13)。

同時還要使用雕刻機在面板上銑出一個方孔，以便安裝OLED屏(見圖27.14)。將焊接好驅(qū)動的OLED顯示屏測試無誤后(見圖27.15)，對準銑好的方孔安裝在前面板上，使用透明的硅膠將它固定好(見圖27.16)。

接下來，將主電路板焊接好后就可以組裝起來了(見圖27.17)。OLED顯示屏驅(qū)動板和主板之間是通過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(見圖27.18)就大功告成，可以通電測試了。組裝好后的實際效果見圖27.19。

制作注意事項

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

(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。因為該母鐘是金屬外殼，能屏蔽所有的無線射頻信號，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，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式螺旋天線，電纜長度3m，見圖27.20。

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

子母鐘同步測試

將母鐘放在窗邊，GPS有源外接天線放在窗戶邊或者窗外，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)實際測試，有時1min就可以與衛(wèi)星同步了，有時可能需要20min才能與衛(wèi)星同步，這與所在地當(dāng)時天空的衛(wèi)星所處的位置以及天線放置的環(huán)境都有很大關(guān)系，不過這對子母鐘的工作沒有什么影響。CC1101的外接天線可以隨便放置，放置離地面高些，效果會好點。圖27.21、圖27.22是2個LED子鐘和一個母鐘在同步和未同步時的實物照片。

系統(tǒng)編程總結(jié)及改進

大家可以在今后自己的時鐘制作中加入CC1101接收模塊，使之成為一個跟隨母鐘同步校時的子鐘。筆者也制作了一大一小兩款LED點陣顯示的子鐘，測試效果非常不錯，在小區(qū)樓房密集的環(huán)境中，實際同步距離可達150m，達到了設(shè)計目標。說簡單點，子鐘只是在普通時鐘的基礎(chǔ)上增加了一個CC1101模塊，程序上做了一點簡單處理而已。沒有同步信號時，其顯示和手動調(diào)節(jié)功能等與一般的時鐘大同小異，這里不再贅述。最后，我重點總結(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和改進思路，方便大家參考制作。

1.母鐘程序編制要點

(1)GPS時間數(shù)據(jù)接收處理部分。GPS時間數(shù)據(jù)采用串口中斷接收，中斷可以保證對數(shù)據(jù)的及時接收處理，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寄存器接收一個字節(jié)。

(2)1PPS脈沖信號處理部分。對于1PPS脈沖信號，采用INT0中斷進行處理。當(dāng)此中斷觸發(fā)時，意味著時間的整秒時刻到達。此中斷的處理邏輯比較簡單，就是將由$GPRMC數(shù)據(jù)包中解析出的日期時間調(diào)整到下一個整秒，這樣調(diào)整過后的時間更為精確。

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

(3)CC1101時間同步數(shù)據(jù)發(fā)送部分。從理論上來說，最佳的發(fā)送時刻為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時間過長而影響系統(tǒng)其他部分(例如顯示)的正常運行，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。

為了讓時間盡可能準確，程序中對發(fā)送同步包的時刻進行控制，確保同步包的發(fā)送時刻位于最近一次的1PPS脈沖觸發(fā)中斷后的某個時間范圍之內(nèi)(例如50ms)，這樣子、母鐘的時間誤差就能始終處于一個較小的可控范圍之內(nèi)(例如：50ms+CC1101傳輸延遲)，為未來進一步進行補償校正以提高時間精度提供了可能。

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

2.子鐘程序編制要點

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

3.程序方面可能的改進

(1)可靠性。經(jīng)過長達幾個月的測試，在實際工作中，CC1101在長期的工作中可能會存在偶爾死機的現(xiàn)象，今后可以考慮采取如下方法改進。

母鐘：定期對CC1100進行復(fù)位，以提高系統(tǒng)長期工作的可靠性。

子鐘：定期或超過一定時間沒有接收到母鐘的同步數(shù)據(jù)后，對CC1100接收模塊進行復(fù)位。

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

子鐘：對CC1100傳輸延遲進行計算、估計，然后對時間予以補償，以進一步減小時間誤差。

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

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