基于fm调频广播的低功耗高精度网络时间同步电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于FM调频广播的低功耗高精度网络时间同步电路。包括基本时间同步模块：设有实时时钟芯片，实时时钟芯片在时间整点前后发送中断脉冲信号唤醒低功耗信号处理模块；包括低功耗信号处理模块：接收中断脉冲信号发送并唤醒精确时间同步模块；并接收精确时间同步模块的音频信号并进行A/D采样，对采样数据处理后发送整点信号到基本时间同步模块，实现时间同步；包括精确时间同步模块：接收中断脉冲信号后唤醒，接收FM广播信号，将FM广播信号解调为音频信号发送给低功耗信号处理模块。本发明用于无线传感网络中的时间同步，硬件成本低，使用范围广，低功耗高精度，使用时间长。
【专利说明】基于FM调频广播的低功耗高精度网络时间同步电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种无线传感网络时间同步电路，尤其涉及集成电路领域的一种基于FM调频广播的低功耗高精度网络时间同步电路。
【背景技术】
[0002]无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是当前备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。无线传感器网络能够获取客观物理信息，具有十分广阔的应用前景。在无线传感器网络应用中，时间同步是重要组成部分，传感器数据融合、传感器节点自身定位等都要求节点间的时钟保持同步。
[0003]目前广泛用于无线传感网络时间同步的方法主要有GPS (Global Posit1ningSystem))和NTP(Network Time protocol )。GPS具有相当高的同步精度,但其成本较高，能耗较大而且在恶劣的环境下同步精度会受到很大影响。NTP是Internet上进行时钟同步的协议，它能实现网络上高精度的计算机校时，但它属于计算密集型，具有很大的计算开销。在WSN应用中，传感器节点对功耗有严格的要求，并且要求尽可能保持较小的外形和低廉的成本使其能够被大量部署，其部署环境经常是常人难以接近的恶劣环境，这使得部署后的维护通常是不可能的，显然将GPS和NTP用于WSN的时间同步困难重重。
【发明内容】
[0004]为了解决【背景技术】中存在的问题，本发明的目的在于提出了一种基于FM调频广播的低功耗高精度网络时间同步电路，进行整点校时，使用FM调频广播的报时信号实现时间同步，低功耗高精度，可用于无线传感网络的时间同步。
[0005]本发明采用的技术方案包括基本时间同步模块、低功耗信号处理模块和校时同步模块:
包括基本时间同步模块:设有实时时钟芯片，实时时钟芯片在时间整点前后发送中断脉冲信号唤醒低功耗信号处理模块；
包括低功耗信号处理模块:接收中断脉冲信号后发送FM使能信号唤醒校时同步模块；并接收校时同步模块的音频信号并进行A/D采样，对采样数据处理后发送整点校时信号到基本时间同步模块，实现时间同步；
包括校时同步模块:接收FM使能信号后被唤醒，开始接收FM广播信号，将FM广播信号解调为FM音频信号发送给低功耗信号处理模块。
[0006]所述的基本时间同步模块采用实时时钟芯片，实时时钟芯片通过I2C通信接口接收校准信号，通过INT引脚发送中断脉冲信号。
[0007]所述的低功耗信号处理模块采用型号为EFM32TG842的低功耗微处理器及其晶振电路和稳压电路，EFM32TG842的低功耗微处理器上设有I2C通信接口和A/D转换接口，EFM32TG842的低功耗微处理器通过I2C通信接口与基本时间同步模块相连，接收中断脉冲信号和发送整点信号；通过A/D转换接口与校时同步模块相连，接收音频信号。
[0008]所述的校时同步模块包括FM接收电路以及与FM接收电路连接的FM开关电路，FM接收电路包括芯片TA7792以及FM鉴频电路、FM本振电路、FM选频放大电路和FM中频滤波电路；FM广播信号依次经FM选频放大电路、芯片TA7792、FM本振电路和FM中频滤波电路后，再经芯片TA7792和FM鉴频电路后输出FM音频信号，FM使能信号输入到FM开关电路。
[0009]与【背景技术】相比，本发明具有的有益效果是:
1.本发明采用基于FM调频广播报时信号进行高精度网络时间同步，硬件成本低，使用范围广。
[0010]2.本发明采用低功耗元器件，整体能耗低，可以使用电池供电，使用时间长。
[0011]3.本发明采用50kHz的采样频率，校时精度高，时间精确度可达20us。
[0012]4.本发明可用于无线传感网络中的时间同步。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明模块的连接框图。
[0014]图2是本发明的总体原理框图。
[0015]图3是基本时间同步模块电路图。
[0016]图4是低功耗信号处理模块电路图。
[0017]图5是校时同步模块电路图。
[0018]图6是FM鉴频电路的电路图。
[0019]图7是FM本振电路的电路图。
[0020]图8是FM选频放大电路的电路图。
[0021 ]图9是FM中频滤波电路的电路图。
[0022]图10是FM开关电路的电路图。
[0023]图11是FM调频广播理想报时信号格式图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0025]如图1和图2所示，本发明包括基本时间同步模块1、低功耗信号处理模块II和校时同步模块III，低功耗信号处理模块II分别与基本时间同步模块1、矫时同步模块II1:
包括基本时间同步模块1:设有实时时钟芯片，实时时钟芯片在时间整点前后发送中断脉冲信号唤醒低功耗信号处理模块II;
包括低功耗信号处理模块I1:接收中断脉冲信号后发送FM使能信号唤醒校时同步模块III ;并接收校时同步模块III的音频信号并进行A/D采样，对采样数据处理后发送整点校时信号到基本时间同步模块I，实现时间同步；
包括校时同步模块II1:接收FM使能信号后唤醒，开始接收FM广播信号，将FM广播信号解调为FM音频信号发送给低功耗信号处理模块II。
[0026]基本时间同步模块1、低功耗信号处理模块II和校时同步模块III连接有电池进行供电。
[0027]上述基本时间同步模块I采用实时时钟芯片，实时时钟芯片通过I2C通信接口接收校准信号，通过INT引脚发送中断脉冲信号。
[0028]上述低功耗信号处理模块II采用型号为EFM32TG842的低功耗微处理器及其晶振电路和稳压电路，EFM32TG842的低功耗微处理器上设有I2C通信接口和A/D转换接口，EFM32TG842的低功耗微处理器通过I2C通信接口与基本时间同步模块I相连，接收中断脉冲信号和发送整点信号，用来校准基本时间同步模块的时间；通过A/D转换接口与校时同步模块III相连，接收音频信号，由校时同步模块III完成对FM广播信号的A/D采样和信号处理。该低功耗微处理器具有低功耗节能模式，以降低功耗。
[0029]上述校时同步模块III包括FM接收电路以及与FM接收电路连接的FM开关电路，FM接收电路包括芯片TA7792以及FM鉴频电路、FM本振电路、FM选频放大电路和FM中频滤波电路；FM开关电路如图10所示，FM鉴频电路、FM本振电路、FM选频放大电路和FM中频滤波电路如图6?图9所示，均与芯片TA7792连接，FM本振电路与FM中频滤波电路。FM广播信号依次经FM选频放大电路、芯片TA7792、FM本振电路、FM中频滤波电路、芯片TA7792和FM鉴频电路后输出FM音频信号，FM使能信号输入到FM开关电路。具体来说，FM广播信号经FM选频电路选频放大后，输入TA7792芯片，经过本振电路解调为10.7MHz中频信号，经由中频滤波电路滤波后，输入TA7792芯片，通过鉴频电路解调输出为FM音频信号，然后将FM音频信号发送给低功耗信号处理模块II。
[0030]根据FM调频广播报时信号的特点，经过信号检测和模式匹配，低功耗信号处理模块II将校正后的时间发送给基本时间同步模块I，进而实现基本时间同步模块的时间同步；基本时间同步模块I定时唤醒校时同步模块III，时间同步结束后，低功耗信号处理模块II进入休眠模式，从而降低了系统功耗。
[0031]FM调频广播的整点报时信号，即整点时间的FM广播信号，为“五短一长”的音频信号,通过对音频信号进行A/D采样，得到音频信号采样数据;对采样数据进行计算和判断,在整点时刻鉴别音频信号并产生整点校时信号，对时间进行同步。
[0032]本发明的具体实施例如下:
如图3所示，基本时间同步模块1:采用DS3231时钟芯片，DS3231芯片与低功耗信号处理模块II总线相连，DS3231芯片采用I2C串行总线，即双向数据线SDA和时钟线SCL，DS3231芯片的I2C串行总线端口 SDA引脚和SCL引脚需要匹配连接到低功耗信号处理模块II的I2C端口，本发明中DS3231芯片与低功耗信号处理模块II连接图如图3，图4控制芯片所示，图3中的SDA引脚连接到图4中的PAO引脚，图4中的PAO引脚为I2C0_SDA端口，图3中的SCL引脚连接到图4中的PAl引脚，图4中的PAl引脚为I2C0_SCL端口，RST为DS3231芯片的复位输出端口，INT为DS3231芯片的中断信号输出引脚，可在定时触发时输出中断信号。系统启动时，DS3231芯片通过INT引脚定时发送中断信号到低功耗信号处理模块II的PAO引脚，从而唤醒校时同步模块III，除此之外，低功耗信号处理模块II通过PAO引脚发送校时信号给DS3231芯片的数据引脚SDA，同时通过PAl引脚发送时钟信号到DS3231芯片的时钟引脚SCL，实现对DS3231芯片的时间同步。
[0033]低功耗信号处理模块I1:采用EFM32TG842芯片，内部集成A/D转换模块、能耗管理模块和计时模块，能实现低功耗信号处理，EFM32TG842芯片作为系统核心芯片与基本时间同步模块I和校时同步模块III分别相连，连接图如图3，图4和图5所示，EFM32TG842芯片PE4引脚与校时同步模块III的FM开关电路相连，EFM32TG842芯片的PE4引脚输出FM使能信号为高电平时，FM开关电路处于导通状态，FM接收电路正常工作；EFM32TG842芯片PDO引脚与校时同步模块III的AF引脚相连，该引脚为ADCO端口，整个时间同步系统根据FM调频广播报时信号进行时间同步工作，校时同步模块III将接收到的FM调频广播的报时信号转化为FM音频信号并发送给EFM32TG842芯片，FM音频报时信号特点是五短一长，音频短音信号800Hz，持续0.25秒，音频长音信号1600Hz，持续0.5秒，理想报时信号格式如图11所示，EFM32TG842芯片内部A/D转换模块对接收到的FM音频信号进行A/D转换后，通过检测和模式匹配，获取高精度时钟，本发明采用50kHz的A/D采样时钟最高可达1MHz，时间精度可达20us。
[0034]校时同步模块II1:如图6?图10所示，包括FM接收电路和FM开关电路，如图10所示，FM开关电路由场效应管Ml与三极管Ql及电阻R1、R2组成，Ql的基极与低功耗信号处理模块II相连，当低功耗信号处理模块II的EFM32TG842芯片的PE4引脚输出FM使能信号为高电平时，FM开关电路打开，FM接收电路开始接收FM广播信号。如图6?图10所示，FM接收电路由TA7792芯片及FM选频放大电路、FM本振电路、FM中频滤波电路及FM鉴频电路组成。如图8所示，FM选频放大电路由电感L1、电容Cl、电容C2构成的LC振荡电路及TA7792芯片内部电路共同构成，其中C2为可变电容，可以通过调节C2改变选频电路的频率谐振点；如图7所示，FM本振电路由电感L2、电容C3、电容C4构成的LC振荡电路组成，其中C4为可变电容，通过改变C4的值来改变接收FM广播信号的频率；如图9所示，FM中频滤波电路由两支10.7MHz中频滤波器串联组成；如图6所示，FM鉴频电路包括电感L3和电容C5组成的LC振荡电路。FM广播信号结果FM选频电路和本振电路共同作用，解调为FM中频信号，频率为10.7MHz, FM中频信号经过FM滤波电路后再由FM鉴频电路解调为FM音频信号。TA7792芯片与低功耗信号处理模块II相连，引脚连接图如图4，图5所示，TA7792芯片将接收到FM广播信号解调为FM音频信号后，通过AF引脚将FM音频信号发送到低功耗信号处理模块II的PDO引脚，进行A/D转换。
[0035]上述【具体实施方式】用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于FM调频广播的低功耗高精度网络时间同步电路，其特征在于: 包括基本时间同步模块(I):设有实时时钟芯片，实时时钟芯片在时间整点前后发送中断脉冲信号唤醒低功耗信号处理模块(II); 包括低功耗信号处理模块(II):接收中断脉冲信号后发送FM使能信号唤醒校时同步模块(III);并接收校时同步模块(III)的音频信号并进行A/D采样，对采样数据处理后发送整点校时信号到基本时间同步模块(I )，实现时间同步； 包括校时同步模块(III):接收FM使能信号后被唤醒，开始接收FM广播信号，将FM广播信号解调为FM音频信号发送给低功耗信号处理模块(II)。
2.根据权利要求1所述的一种基于FM调频广播的低功耗高精度网络时间同步电路，其特征在于:所述的基本时间同步模块(I)采用实时时钟芯片，实时时钟芯片通过I2C通信接口接收校准信号，通过INT引脚发送中断脉冲信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于FM调频广播的低功耗高精度网络时间同步电路，其特征在于:所述的低功耗信号处理模块(II)采用型号为EFM32TG842的低功耗微处理器及其晶振电路和稳压电路，EFM32TG842的低功耗微处理器上设有I2C通信接口和A/D转换接口，EFM32TG842的低功耗微处理器通过I2C通信接口与基本时间同步模块(I)相连，接收中断脉冲信号和发送整点信号；通过A/D转换接口与校时同步模块(III)相连，接收音频信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于FM调频广播的低功耗高精度网络时间同步电路，其特征在于:所述的校时同步模块(III)包括FM接收电路以及与FM接收电路连接的FM开关电路，FM接收电路包括芯片TA7792以及FM鉴频电路、FM本振电路、FM选频放大电路和FM中频滤波电路；FM广播信号依次经FM选频放大电路、芯片TA7792、FM本振电路和FM中频滤波电路后，再经芯片TA7792和FM鉴频电路后输出FM音频信号，FM使能信号输入到FM开关电路。
【文档编号】H04J3/06GK104333431SQ201410622879
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月8日 优先权日:2014年11月8日
【发明者】史治国, 陈积明, 张富军, 程鹏, 罗尧治, 沈雁彬, 孙瑞雪 申请人:浙江大学