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DCF77-Decodierung
Im RN-Forum ist das Thema DCF77-Decodierung schon häufig diskutiert worden. Dieser Wiki-Artikel soll einmal grundlegend beschreiben, wie man einen DCF77-Decoder programmieren kann. Da ich hauptsächlich mit Bascom arbeite, war es naheliegend, den Decoder als Bascom-Asm-Library zu schreiben. Er hat bis zur jetzigen Version 4.00 einen langen Weg mit unterschiedlichen Verbesserungen hinter sich.
DCF77-Grundlagen
Seit dem 1.9.1970 wird in Deutschland die amtliche Zeit über 24 Stunden ausgesendet. Der DCF77-Sender steht in Mainflingen bei Frankfurt. Sein 77,5 kHz Trägersignal wird von meistens schmalbandigen Empfängern überall in Westeuropa in Form von "Funkuhren" empfangen. Die Empfänger in den Funkuhren liefern am Ausgang die "Hüllkurve" des amplitudenmodulierten Signals. DCF77-Empfänger werden auch unabhängig von Funkuhren angeboten (z.B. CONRAD Best.-Nr. 641138 oder von Reichelt ...). Das Ausgangssignal der Empfänger kann direkt an einen Eingangs-Pin eines Mikrokontrollers gelegt und von diesem weiter verarbeitet werden. Diese Weiterverarbeitung ist die DCF77-Decodierung, die dieser Artikel beschreibt.
Aufbau des DCF77-Signals
Der DCF77-Sender sendet sogenannte "Sekundenmarken". Sie bilden den Anfang jeder Sekunde und sind entweder 100ms oder 200ms lang. Während dieser 0,1s oder 0,2s wird die Sendeleistung auf etwa 25% abgesenkt. Danach beginnt eine "Pause" mit der vollen Sendeleistung (100%). Diese Pause ergänzt die laufende Sekunde: Sie ist also 900ms lang, wenn die Sekundenmarke 100ms lang war oder 800ms lang, wenn die Sekundenmarke 200ms lang war. Die Sekundenmarken werden von 0 bis 58 durchnummeriert. Eine 59. Marke gibt es normalerweise nicht, stattdessen verlängert sich die Pause nach der 58. Sekundenmarke auf 1900ms oder 1800ms (je nach Länge der 58. Marke). Diese Pause dient bei den Decodern zur Synchronisation: Wenn sie endet, beginnt die neue Minute und damit auch das nächste DCF77-Telegramm mit der Sekundenmarke 0.
Im weiteren Text verwenden wir diese Begriffe:
- Pause: Eine Pause bezeichnet die Phasen mit 100% Sendeleistung.
- Sekundenmarke: Eine Sekundenmarke ist die Phase mit 25% Sendeleistung.
- DataBit: Ein DataBit besteht aus der Sekundenmarke (100/200ms) und aus der zugehörigen Pause (900/800ms).
- LastBit: Ein LastBit kommt nur EINMAL in jeder Minute vor und kennzeichnet das Ende der Minute. Es besteht aus der (normalerweise 58.) Sekundenmarke (100/200ms) und der zugehörigen Pause (1900/1800ms).
- (DCF77-)Telegramm: Ein Telegramm ist die vollständige DCF77-Information, die in einer Minute gesendet wird. Sie endet mit einem LastBit. Mit dem Ende des LastBits beginnt die Minute, auf die sich die Informationen des Telegramms beziehen. Somit kann am Ende des LastBits eine Uhr gestellt werden.
- (Data-/Last-)Bit0: Ein DataBit oder LastBit ist ein Bit0, wenn die Sekundenmarke 100ms lang ist. Bit0 entspricht dem logischen "low" oder "0".
- (Data-/Last-)Bit1: Ein DataBit oder LastBit ist ein Bit1, wenn die Sekundenmarke 200ms lang ist. Bit1 entspricht dem logischen "high" oder "1".
Wenn ich gesagt habe, dass es eine 59. Sekundenmarke normalerweise nicht gibt, dann war das sicher richtig. Es gibt aber eine wichtige Ausnahme.
Einfügen einer Schaltsekunde
Tendenziell dreht sich unsere Erde immer langsamer um ihre Achse und "trudelt" dabei noch. Das bedeutet, dass in unregelmäßigen Abständen sogenannte "Schaltsekunden" in die UTC eingefügt werden müssen, um den Gleichlauf der UTC mit der Erdrotation sicher zu stellen. Die vorläufig letzte Einfügung einer Schaltsekunde fand im Januar 2006 statt. Möglich sind solche Einfügungen am 1.1. und 1.7. jedes Jahres. Das Einfügen einer Sekunde bedeutet für die Aussendung dieses speziellen DCF77-Telegramms, dass die Minute aus 61 Sekunden besteht. Das wird so umgesetzt, dass die 58. Sekundenmarke (P3) nicht wie sonst ein LastBit, sondern ein DataBit ist und sich noch ein weiteres LastBit anschließt. Dieses zusätzliche LastBit hat eine Sekundenmarke von 100ms (LastBit0) und eine Pause von 1900ms. Damit beginnt die neue Minute mit einer Verzögerung von 1 Sekunde, d.h. eine Schaltsekunde wurde eingefügt.
Ein DCF77-Telegramm mit Schaltsekunde sieht z.B. so aus (Bits 15..59):
Bits 15..20 Minute P1 Stunde P2 Tag Wochentag Monat Jahr P3 59
001011 0000000 0 010000 1 100000 010 11100 11101001 0 0
Es enthält folgende Informationen: 02.00 Uhr MESZ, Dienstag der 1.7.97. Da gab's übrigens wirklich eine Schaltsekunde!
Informationen im DCF77-Telegramm
In jeder Minute werden Informationen durch die unterschiedliche Länge der Sekundenmarken übertragen.
| BIT-NR. | BEDEUTUNG DES DCF77-BITS: |
| 0..14 | Interne PTB-Informationen |
| 15 R | Rufbit für Alarmierung der PTB-Mitarbeiter |
| 16 A1 | Ankündigung des Wechsels MEZ <-> MESZ |
| 17 Z1 | \__ Z1/Z2: 10 = MESZ, 01 = MEZ |
| 18 Z2 | / |
| 19 A2 | Ankündigung einer Schaltsekunde |
| 20 S | Startbit f. Zeitinformationen (immer 1) |
| 21 | Minute x 1 |
| 22 | Minute x 2 |
| 23 | Minute x 4 |
| 24 | Minute x 8 |
| 25 | Minute x 10 |
| 26 | Minute x 20 |
| 27 | Minute x 40 |
| 28 P1 | Minutenparität (gerade Parität Bits 21..27) |
| 29 | Stunde x 1 |
| 30 | Stunde x 2 |
| 31 | Stunde x 4 |
| 32 | Stunde x 8 |
| 33 | Stunde x 10 |
| 34 | Stunde x 20 |
| 35 P2 | Stundenparität (gerade Parität Bits 29..34) |
| 36 | Tag x 1 |
| 37 | Tag x 2 |
| 38 | Tag x 4 |
| 39 | Tag x 8 |
| 40 | Tag x 10 |
| 41 | Tag x 20 |
| 42 | Wochentag x 1 |
| 43 | Wochentag x 2 |
| 44 | Wochentag x 4 |
| 45 | Monat x 1 |
| 46 | Monat x 2 |
| 47 | Monat x 4 |
| 48 | Monat x 8 |
| 49 | Monat x 10 |
| 50 | Jahr x 1 |
| 51 | Jahr x 2 |
| 52 | Jahr x 4 |
| 53 | Jahr x 8 |
| 54 | Jahr x 10 |
| 55 | Jahr x 20 |
| 56 | Jahr x 40 |
| 57 | Jahr x 80 |
| 58 P3 | Datumsparität (gerade Parität Bits 36..57) |
| (59) | Evtl. Schaltsekunde (immer 0) |
Ein intaktes DCF77-Telegramm sieht also z.B. so aus (Bits 15..58):
Bits 15..20 Minute P1 Stunde P2 Tag Wochentag Monat Jahr P3
000101 0000000 0 000000 0 100000 011 10000 01100000 0
Es enthält folgende Informationen: 0.00 Uhr MEZ am Samstag, den 1.1.06. Die Uhrzeit- und Datumsangaben sind BCD-codiert. Der dezimale Wert ergibt sich durch Addition der in der Tabelle angegebenen Multiplikatoren an den Stellen, an denen das jeweilige Bit ein Bit1 ist. Die Paritätsbits P1..P3 ergänzen die zugeordneten DCF77-Bits jeweils auf eine gerade Parität. Wenn es z.B. bei den Stunden-Bits 29..34 genau 3 Bits gibt, die 1 sind, dann muss P2 ein Bit1 sein, um eine gerade Parität zu erreichen. Wenn P2 dann ein Bit0 ist, ist das Telegramm fehlerhaft.
Ein intaktes DCF77-Telegramm erfüllt folgende Bedingungen:
- Bit 20 (S) ist ein Bit1
- Die Paritätsbits P1..P3 ergeben eine korrekte gerade Parität
- Es wurden genau 58 Bits (Ausnahme: Schaltsekunde!) decodiert
- Im Fall der Schaltsekunde ist das Bit 59 ein (Last-)Bit0
Dieses intakte DCF77-Telegramm muss anschließend noch auf Plausibilität überprüft werden, bevor es zum Stellen einer Uhr benutzt werden kann. Grund: Ein Telegramm könnte zwar intakt sein, aber z.B. folgendes Datum enthalten: 0.13.101. Da es keinen Tag 0, keinen Monat 13 und kein Jahr 101 geben kann, ist solch ein Telegramm nicht plausibel, also ebenfalls fehlerhaft. Eine Uhr darf mit solchen Informationen nicht gestellt werden.
Zulässige (plausible) Werte sind:
- Minute: 0..59
- Stunde: 0..23
- Tag: 1..31
- Wochentag: 1.. 7 (für Montag..Sonntag)
- Monat: 1..12
- Jahr: 0..99
Wenn ein DCF-Decoder ein Telegramm als intakt und plausibel getestet hat, steht prinzipiell dem Stellen der Uhr mit diesen Informationen nichts mehr im Wege.
Bei besonders hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Zeit-Informationen werden jedoch noch weitere Prüfungen durchgeführt, bevor das Telegramm als "gültig" bzw. valide angesehen wird:
- Wie viele Telegramme vor dem aktuellen Telegramm waren ebenfalls intakt und plausibel?
- Ist das aktuelle Telegramm gleich dem vorherigen Telegramm plus 1 Minute?
Die Prüfung der ersten Frage kann in Form eines Grenzwertes erfolgen: Das aktuelle Telegramm ist nur dann gültig (und wird übernommen), wenn z.B. mindestens 2 vorherige Telegramme ebenfalls intakt und plausibel waren. Damit würde nach einer Empfangsstörung (d.h. einem fehlerhaften Telegramm) erst das 3. intakte und plausible Telegramm in Folge wieder übernommen. Durch diese Prüfung kann eine zusätzliche, durch die Wahl des Grenzwertes auch quasi "einstellbare" Sicherheit besonders bei schlechtem Empfang erreicht werden.
Die zweite o.g. Prüf-Frage beinhaltet den Vergleich des aktuellen mit dem vorherigen Telegramm. Da das aktuelle Telegramm die Folgeminute des vorherigen Telegramms abbildet, kann man durch den Vergleich weitere Sicherheit gewinnen. In der Regel werden sich zwei aufeinanderfolgende Telegramme nur geringfügig (durch die Minute!) unterscheiden, d.h. sie sind hoch redundant. Bei Überträgen (z.B. am Monats- oder Jahresende) wird der Anteil redundanter Informationen jedoch deutlich geringer sein. Dies gilt auch bei MEZ-MESZ-Wechseln und bei Schaltjahren (am 29.2.!). Die Prüfung kann in Decodern recht unterschiedlich oder gar nicht umgesetzt werden. Im hier beschriebenen DCF-Decoder wird diese Prüfung nicht durchgeführt.
Der DCF77-Decoder
Hardware
Das Programm wurde für einen ATmega 32 mit 8 MHz geschrieben. Als DCF-Empfänger wurde das Conrad-Modul (Best.-Nr. 641138) an Pind.3 angeschlossen. Es wird der sogenannte "invertierte" Ausgang des Empfängers (Klemme 4) benutzt. Zur Anzeige der Uhrzeit wird ein LCD 4x16 verwendet.
Software
Der eigentliche DCF-Decoder ist eine Bascom-Library (dcf77.lib), aktuell in der Version 4.00. Dazu gehört ein Include-File (dcf77_soft.bas), also ein Bascom-Programmteil, das mit dem Befehl ...
$include "dcf77_soft.bas"
... in das Hauptprogramm eingebunden wird. Es enthält die wesentlichen Definitionen für die dcf77.lib. Man könnte diese Definitionen auch in das Hauptprogramm aufnehmen. Der Vorteil eines solchen Include-Files ist jedoch, dass bei einer zukünftigen Änderung der dcf77.lib nur das zugehörige Include-File angepasst werden muss und nicht das Hauptprogramm.
Bascom Hauptprogramm
Das Hauptprogramm (Decodertest.bas) ist sehr einfach aufgebaut.
- Decodertest.bas
'###########################################################################
'Programmname: Decodertest.bas Version 4.00
'
'Aufgabe:
'Es wird ein DCF-Empfänger (CONRAD 641138) an Portd.3 angeschlossen
'und DCF-Uhrzeit und -Datum auf dem LCD 4x16 ausgegeben.
'Dieses Programm ist ausgelegt für die Dcf77.lib ab V4.00.
'###########################################################################
$regfile = "m32def.dat" 'ATmega 32
$crystal = 8000000 'Quarz: 8 MHz
$baud = 9600
$hwstack = 32 'hardware stack
$swstack = 10 'software stack
$framesize = 40 'frame space
$include "dcf77_soft.bas"
'###########################################################################
'Hauptprogramm:
Declare Sub Showtime()
'LCD konfigurieren:
Config Lcdpin = Pin , Db4 = Portb.4 , Db5 = Portb.5 , Db6 = Portb.6 , Db7 = Portb.7 , E = Portb.1 , Rs = Portb.0
Config Lcd = 16 * 4 'LCD 164A
Waitms 500
Initlcd
'Startmeldung:
Cls
Lcd "DCF-Decoder-Test"
Wait 5
Dim I As Byte
Dim Sekunde As Byte
'---------------------------------------------------------------------------
'Hauptprogramm:
Cls
Cursor Off
Date$ = "01.01.00"
Time$ = "00:00:00"
I = 0
Sekunde = 0
Dcfstatus.7 = 1 'DCF-Decoder EIN
'****************** HAUPTPROGRAMMSCHLEIFE **********************************
'Testprogramm:
Do
If Sekunde <> _sec Then
Cls
Call Showtime()
Sekunde = _sec
End If
' If _min = 0 And Dcfstatus.7 = 0 Then '1x pro Stunde:
' Dcfstatus.6 = 0 'Softclock inaktuell
' End If
'Wenn Softclock inaktuell, dann nach DCF stellen:
' If Dcfstatus.6 = 0 Then Dcfstatus.7 = 1 Else Dcfstatus.7 = 0
Loop
End
'************* ENDE HAUPTPROGRAMM ******************************************
Sub Showtime()
If I = 0 Then I = 1 Else I = 0
Locate 1 , 1 'Zeile 1:
Lcd Time$ ; " " 'Uhrzeit
If Dcfstatus.6 = 1 Then
Lcd "-Y-"
Elseif Dcfstatus.7 = 1 And I = 0 Then
Lcd "-Y-"
Else
Lcd " "
End If
Locate 2 , 1 'Zeile 2:
Lcd Lookupstr(_dayofweek , Wochentag) ; ". " 'Datum
Lcd Date$
Locate 3 , 1 'Zeile 3:
If Dcfflags.0 = 1 Then 'Flags
Lcd "R "
Else
Lcd " "
End If
If Dcfflags.1 = 1 Then
Lcd "A1 "
Else
Lcd " "
End If
If Dcfflags.2 = 1 Then
Lcd "Z1 "
Else
Lcd " "
End If
If Dcfflags.3 = 1 Then
Lcd "Z2 "
Else
Lcd " "
End If
If Dcfflags.4 = 1 Then
Lcd "A2 "
Else
Lcd " "
End If
If Dcfflags.5 = 1 Then
Lcd "S "
Else
Lcd " "
End If
' Locate 3 , 1 'Zeile 3:
' Lcd Bin(dcf77bits8_14) ; Bin(dcf77bits0_7) 'Bits 0..14
Locate 4 , 1 'Zeile 4:
If Dcfstatus.0 = 1 Then 'Status
Lcd "15 " '15. Impuls erreicht
Else
Lcd " "
End If
If Dcfstatus.1 = 1 Then
Lcd "M " 'Minutenparität OK
Else
Lcd " "
End If
If Dcfstatus.2 = 1 Then
Lcd "H " 'Stundenparität OK
Else
Lcd " "
End If
If Dcfstatus.3 = 1 Then
Lcd "P " 'Parität OK
Else
Lcd " "
End If
If Dcfstatus.4 = 1 Then
Lcd "58 " '58 Impulse empfangen
Else
Lcd " "
End If
If Dcfstatus.5 = 1 Then
Lcd "G " 'Gültiges DCF77-Telegramm
Else
Lcd " "
End If
If Dcfstatus.6 = 1 Then
Lcd "S " 'Softclock nach DCF gest.
Else
Lcd " "
End If
End Sub
'---------------------------------------------------------------------------
Getdatetime: 'Nicht genutzt!
Setdate:
Settime:
Return
'---------------------- Interrupt Routine DCF77 ----------------------------
Tim2_isr:
Timer2 = Startwert
Call Dcf77_soft
Return
'---------------------- Daten für Wochentag --------------------------------
Wochentag:
Data " " , "Mo" , "Di" , "Mi" , "Do" , "Fr" , "Sa" , "So"
'###########################################################################
Das Hauptprogramm stellt in Zeile 1 des LCD die Uhrzeit, in Zeile 2 das Datum, in Zeile 3 die "Flags" (DCF77-Bits 15..20) und in Zeile 4 die Statusbits dar. Die Bedeutung der Statusbits wird in der Beschreibung der dcf77.lib erklärt. Wichtig für die Funktion des DCF-Decoders ist am Ende des Hauptprogramms die Interrupt Routine (Tim2_isr:). Durch sie wird der Decoder in der dcf77.lib in regelmäßigen Abständen aufgerufen. Die Frequenz der Aufrufe beträgt 40 Hz.
Bascom Include-File
Das Include-File (dcf77_soft.bas V4.00) muss wie auch das Hauptprogramm im Bascom-Ordner \PROGRAMS gespeichert werden.
- dcf77_soft.bas
'########################################################################### 'Programmname: DCF77_soft.BAS 'Aufgabe: 'Include-Programm für die dcf77.lib ab Version 4.00 ' 'Hardware: 'M32 mit 8 MHz 'Es ist ein DCF-Empfänger (CONRAD 641138) an Portd.3 angeschlossen. '########################################################################### Config Date = Dmy , Separator = . 'deutsches Datumsformat Config Clock = User 'Softclock aktivieren $lib "dcf77.lib" 'LIB für DCF77 $external Dcf77_init Declare Sub Dcf77_init $external Dcf77_soft Declare Sub Dcf77_soft Config Timer2 = Timer , Prescale = 1024 'Timer 40Hz Const Startwert = 61 'Für 8MHz Timer2 = Startwert On Timer2 Tim2_isr 'Überlauf 40x/s Enable Interrupts Enable Timer2 '---------------------- Pin für DCF Eingang definieren --------------------- 'Jeder Portpin kann benutzt werden. 'Auch in der "dcf77.lib" entsprechend anpassen !!! Config Pind.3 = Input 'DCF77 Eingang Set Portd.3 'Pullup ein '--------------------- Variablen der dcf77.lib ----------------------------- Dim _dayofweek As Byte , Dcfstatus As Byte , Dcfflags As Byte '_dayofweek -> 1..7 (Mo..So) 'Dcfstatus -> Bit0: 15. Impuls erreicht Bit4: 58 Impulse empfangen ' Bit1: Minutenparität OK Bit5: Gültiges DCF77-Telegramm ' Bit2: Stundenparität OK Bit6: Softclock nach DCF gestellt ' Bit3: Parität OK Bit7: DCF-Decoder EIN ' ACHTUNG: Bits 0..5 NUR LESEN!!! 'Dcfflags -> Bit0 (R) : Rufbit für Alarmierung der PTB-Mitarbeiter ' Bit1 (A1): Ankündigung des Wechsels MEZ <-> MESZ ' Bit2 (Z1): \__ Z1/Z2: 10 = MESZ, 01 = MEZ ' Bit3 (Z2): / ' Bit4 (A2): Ankündigung einer Schaltsekunde ' Bit5 (S) : Startbit f. Zeitinformationen (immer 1) '_sec, _min, _hour, _day, _month, _year sind die Variablen der Softclock 'Interne Variablen der dcf77.lib: Dim Dcf77counter As Byte Dim Dcf77parity As Byte Dim Dcf77impulse As Byte 'Dcf77buffer(9): bits 0..7, bits 8..14, flags (= bits 15..20), min, hour, ' day, dayofweek, month, year Dim Dcf77buffer(9) As Byte Dim Dcf77shifter As Byte Dim Dcf77tal As Byte Dim Dcf77tah As Byte Dim Dcf77hsec As Byte Dim Dcf77bits0_7 As Byte 'DCF77-Bits 0..7 Dim Dcf77bits8_14 As Byte 'DCF77-Bits 8..14 Dim Dcf77val_cnt As Byte 'Validitäts-Zähler Dim Dcf77lastbit As Byte 'LastBit-Pausenlänge Dim Dcf77databit As Byte 'DataBit-Pausenlänge '--------------------------------------------------------------------------- Dcfstatus.7 = 0 'DCF-Decoder AUS Dcfstatus.6 = 0 'Softclock inaktuell Call Dcf77_init 'LIB initialisieren
In der Include-Datei sind die wesentlichen Definitionen und Anweisungen für die dcf77.lib enthalten. Mit Config Clock = User werden die Bascom-Softclock Variablen (_sec, _min, time$ ...) eingerichtet. Damit "läuft" die Bascom-Softclock jedoch nicht. Dies wird durch die Softclock in der dcf77.lib gewährleistet (s.u.!). Timer2 wird mit einem Startwert von 61 vorgeladen, hierdurch ergibt sich eine Frequenz für den Aufruf der Interrupt Routine von 40 Hz (alle 25ms). Die drei Variablen _dayofweek, Dcfstatus und Dcfflags der dcf77.lib enthalten den Wochentag, Status und die DCF-Flags (Bits 15..20). Die übrigen Variablen sollten nicht verwendet werden und müssen in der angeführten Reihenfolge bleiben. Abschließend wird die dcf77.lib initialisiert durch den Aufruf von Dcf77_init.
Bascom-Library
Das hier in mehreren Abschnitten beschriebene Library-File (dcf77.lib V4.00) ist der eigentliche DCF-Decoder und muss im Bascom-Ordner \LIB abgelegt werden.
Was kann die dcf77.lib?
- Decodierung des vollständigen DCF77-Telegramms (Bits 0..58)
- Bit 20 - Prüfung
- Komplette Paritätsprüfung
- Decodierung der Schaltsekunde mit Bit 59 - Prüfung
- Plausibilitätsprüfung
- Validitätsprüfung
- Softclock
- Stellen der Softclock schaltbar
- dcf77.lib - Abschnitt 1
copyright = D. Ottensmeyer
comment = DCF77-Decoder und Softclock
libversion = 4.00
date = 25.11.2006
statement = ---------------------------------
statement = Komplette Paritätsprüfung
statement = Auswertung der DCF77-Bits 15..20
statement = NEU: DCF77-Bit 20 - Prüfung!
statement = NEU: Schaltsekunde decodiert!
statement = NEU: DCF77-Bits 0..14 erfasst!
statement = NEU: Plausibilitäts-Check!
statement = NEU: Validitäts-Zähler!
statement = ---------------------------------
[Dcf77_soft]
;Eingang für DCF77-Empfänger-Anschluss:
.equ PIND = &H10 ;Pind
.equ PIND3 = 3 ;3 = Pin 3
;Timer-Interruptfrequenz:
.equ ISR_freq = 40 ;40 Hz
;Grenzwerte für Pausenzeit-Zähler (/ ISR_freq [s]):
.equ LastBit0Max = 79 ;LastBit 0 obere Zeitgrenze + 1
.equ LastBit_Mid = 75 ;LastBit-Grenze
.equ LastBit1Min = 71 ;LastBit 1 untere Zeitgrenze
.equ DataBit0Max = 39 ;Datenbit 0 obere Zeitgrenze + 1
.equ DataBit_Mid = 35 ;Datenbit-Grenze
.equ DataBit1Min = 31 ;Datenbit 1 untere Zeitgrenze
.equ Spike_Limit = 3 ;Störimpulsgrenze
;Validitäts-Zähler Limit:
.equ Val_Limit = 1 ;Jedes Telegramm ist gültig
.def Status = r16
;Bit0 = 15. Impuls erreicht
;Bit1 = Minutenparität OK
;Bit2 = Stundenparität OK
;Bit3 = Parität OK
;Bit4 = 58 Impulse empfangen
;Bit5 = Gültiges DCF77-Telegramm
;Bit6 = Softclock nach DCF gestellt
;Bit7 = DCF-Decoder EIN
.def Counter = r17
.def Parity = r18
.def Impulse = r19
.def Shifter = r20
Dcf77_soft:
*lds Status,{Dcfstatus} ;Status laden
rcall Softclock ;Softclock bearbeiten
rjmp dcf77_start
;-------------------------------------------------------------------------------
[Dcf77]
$EXTERNAL Dcf77_soft
Dcf77:
*lds Status,{Dcfstatus} ;Status laden
dcf77_start:
Die dcf77.lib stellt sich für Bascom so dar, dass drei Unterprogramme enthalten sind:
- Dcf77 => DCF-Decoder OHNE Softclock
- Dcf77_soft => DCF-Decoder MIT Softclock
- Dcf77_init => Initialisierung des DCF-Decoders
Dies sind die Definitionen für die dcf77.lib. Wenn die Bascom-Softclock unabhängig vom DCF-Decoder läuft (ein Uhrenquarz ist z.B. an den M32 angeschlossen), kann man das Unterprogramm Dcf77 nutzen. Im aktuellen Test-Beispiel wird diese Möglichkeit nicht genutzt. Dcf77_soft ist der eigentliche DCF-Decoder, der 40x pro Sekunde aufgerufen werden muss. Mit "rcall Softclock" wird zuerst die Softclock (s. Abschnitt 7!) ausgeführt. Dann wird der Decoder beim Label dcf77_start: (siehe Abschnitt 2!) gestartet.
- dcf77.lib - Abschnitt 2
dcf77_start:
*lds Counter,{DCF77Counter} ;Pausenzeit-Zähler laden
*lds Parity,{DCF77Parity} ;Fehler-Flag + 1-Zähler laden
sbis PIND,PIND3 ;Input-Pin für DCF-Empfänger
rjmp dcf77_5 ;low: Bit auswerten!
inc Counter ;high: Pausenzeit zählen!
brne dcf77_3
dcf77_1:
sbr Parity,&B10000000 ;Fehler-Flag setzen
*sts {DCF77Parity},Parity
andi Status,&B11000000 ;Statusbits 0..5 löschen
dcf77_2:
clr Counter ;Pausenzeit-Zähler zurücksetzen
dcf77_3:
*sts {DCF77Counter},Counter
*sts {Dcfstatus},Status
dcf77_4:
ret
dcf77_5:
Beim Label dcf77_start: werden zunächst zwei Variablen in Register geladen (Pausenzeit-Zähler und Fehler-Flag/1-Zähler). Dann erfolgt mit "sbis PIND,PIND3" die Abfrage des Eingangs, an den der DCF-Empfänger angeschlossen ist. Wenn der Eingang "high" (1) ist, ist gerade Pause (100% Sendeleistung) und der Pausenzeit-Zähler wird erhöht (inc Counter). Solange der nicht überläuft, wird zu Label dcf77_3 verzweigt. Da werden die Register wieder gesichert und das war's. Wenn die Pause andauert, wird auf diese Weise alle 25ms der Pausenzeit-Zähler hochgezählt. Bei seinem Überlauf nach über 6 Sekunden wird am Label dcf77_1: das Fehler-Flag gesetzt und der Zähler zurückgesetzt (clr Counter). So ein Überlauf sollte aber eigentlich nicht vorkommen. Wenn ein solcher oder anderer Fehler im Verlauf der weiteren Decodierung (mit einem Sprung zu dcf77_1) dennoch vorkommt, werden zusätzlich die Bits 0..5 im Statusregister gelöscht. Zur Bedeutung dieser Bits siehe den Kommentar in Abschnitt 1 unter ".def Status = r16"!
Wenn am Eingang Pind.3 "low"-Pegel (0) anliegt, dann dürfte es sich um eine Sekundenmarke (25% Sendeleistung) handeln. Das bedeutet, dass der Pausenzeit-Zähler jetzt ausgewertet werden kann, und es erfolgt der Sprung zum Label dcf77_5: (siehe Abschnitt 3!).
- dcf77.lib - Abschnitt 3
dcf77_5:
tst Counter ;Auswertung fertig?
breq dcf77_4 ;ja: Ende!
*lds Impulse,{DCF77Impulse} ;nein: Auswerten!
*lds Shifter,{DCF77Shifter}
*lds ZL,{DCF77TAL}
*lds ZH,{DCF77TAH}
cpi Counter,LastBit0Max ;LastBit 0 obere Zeitgrenze + 1
brsh dcf77_1 ;überschritten: Fehler
cpi Counter,LastBit_Mid ;LastBit-Grenze
brlo dcf77_6
rjmp dcf77_20 ;75..78 = LastBit0
dcf77_6:
cpi Counter,LastBit1Min ;LastBit 1 untere Zeitgrenze
brlo dcf77_7
rjmp dcf77_19 ;71..74 = LastBit1
dcf77_7:
Da die Pause jetzt zuende ist, kann die Auswertung der Pausenlänge erfolgen. Das ist aber nur erforderlich, wenn es nicht schon geschehen (d.h. Counter = 0) ist. Die Auswertung beginnt zunächst mit dem Laden von Variablen in Register. Dann erfolgt der Test auf ein LastBit0 oder LastBit1. Die Pause eines LastBit0 ist ja 1900ms lang, der Counter erreicht dafür den Wert 76 (..77). Für ein LastBit1 mit der Pausenlänge 1800ms zählt der Counter bis 72 (..73).
Wie kommt es zu diesen Counter-Werten?
Bei einem Hochzählen des Counters alle 25ms (40Hz) errechnen sich 1900ms als 76 x 25ms und 1800ms als 72 x 25ms.
In diesem Abschnitt 3 wird also geprüft, ob das Ende des DCF-Telegramms vorliegt. Wenn das der Fall ist, erfolgt die Verzeigung nach dcf77_20 (LastBit0) oder dcf77_19 (LastBit1). Die Auswertung des Telegrammendes wird in Abschnitt 5 beschrieben!
Wenn die obere Zeitgrenze für ein LastBit0 (1975ms) erreicht oder überschritten ist, liegt ein Fehler vor (d.h. Sprung nach dcf77_1, s. Abschnitt 2!). Wenn die untere Zeitgrenze für ein LastBit1 (1775ms) unterschritten ist, dann kann es sich um die Pause eines DataBits (800/900ms) oder irgendeinen kürzeren Impuls (z.B. eine Störung) handeln. Das Programm verzweigt dann zum Label dcf77_7 (s. Abschnitt 4!), wo die Auswertung der DataBits erfolgt.
- dcf77.lib - Abschnitt 4
dcf77_7:
sbrc Parity,7 ;wenn Fehler aufgetreten, ...
rjmp dcf77_2 ;... dann Abbruch!
cpi Counter,Spike_Limit ;Störimpulsgrenze
brlo dcf77_2 ;Störimpuls wird ignoriert
cpi Counter,DataBit0Max ;Datenbit 0 obere Zeitgrenze + 1
brsh dcf77_1 ;überschritten: Fehler
cpi Counter,DataBit1Min ;Datenbit 1 untere Zeitgrenze
brlo dcf77_1 ;unterschritten: Fehler
*sts {DCF77Databit},Counter ;DataBit0/1-Pausenlänge für Debug
cpi Counter,DataBit_Mid ;Datenbit-Grenze
brlo dcf77_8 ;Bit1!
cpi Impulse,20 ;DataBit = 0 (35..38):
breq dcf77_2 ;Bit 20 = 0: Abbruch!
cpi Impulse,58 ;P3 (= 0) bei Schaltsekunde?
breq dcf77_2 ;Abbruch: LastBit 59 (= 0) folgt!
rjmp dcf77_10 ;andere 0-Bits: weiter
dcf77_8: ;DataBit = 1 (31..34):
cpi Impulse,21 ;DCF77-Bits 0..20 (= 1)?
brlo dcf77_9 ;keine Parität!
inc Parity ;sonst alle 1-Bits zählen
*sts {DCF77Parity},Parity
cpi Impulse,28
breq dcf77_10 ;Minutenparitätsbit nicht addieren!
cpi Impulse,35
breq dcf77_10 ;Stundenparitätsbit nicht addieren!
cpi Impulse,58 ;P3 (= 1) bei Schaltsekunde?
breq dcf77_2 ;Abbruch: LastBit 59 (= 0) folgt!
dcf77_9:
ld Counter,Z ;Counter = aktuelle DCF77Buffer Zelle
add Counter,Shifter ;addiere 1 an der aktuellen Bitposition
st Z,Counter ;zurückspeichern
dcf77_10:
lsl Shifter ;Shifter auf nächste Bitposition
*sts {DCF77Shifter},Shifter
cpi Impulse,7
brlo dcf77_16 ;DCF77-Bits 0..7 Zyklus
breq dcf77_15 ;letztes Bit 0..7 Zyklus
cpi Impulse,14
brlo dcf77_16 ;DCF77-Bits 8..14 Zyklus
brne dcf77_11
andi Status,&B11000111 ;Statusbits 3..5 löschen
sbr Status,&B00000001 ;Status 15. Impuls erreicht setzen
rjmp dcf77_15 ;letztes Bit 8..14 Zyklus
dcf77_11:
cpi Impulse,20
brlo dcf77_16 ;DCF77-Bits 15..20 Zyklus
breq dcf77_15 ;letztes Bit (DCF77-Bit 20)
cpi Impulse,28
brlo dcf77_16 ;Minuten-Zyklus
breq dcf77_17 ;Minutenparität
cpi Impulse,35
brlo dcf77_16 ;Stunden-Zyklus
breq dcf77_17 ;Stundenparität
cpi Impulse,41
brlo dcf77_16
breq dcf77_12 ;letztes Bit TAG
cpi Impulse,44
brlo dcf77_16
breq dcf77_12 ;letztes Bit WOCHENTAG
cpi Impulse,49
brne dcf77_16 ;nicht letztes Bit MONAT
dcf77_12: ;DCF77Buffer Zelle in DEZ wandeln:
ld Counter,Z ;Counter = aktuelle DCF77Buffer Zelle
mov Shifter,Counter ;Counter (BCD)
andi Shifter,&H0F
dcf77_13:
subi Counter,&H10
brcs dcf77_14
subi Shifter,&HF6
rjmp dcf77_13
dcf77_14: ;-> Shifter (DEZ)
st Z,Shifter ;DEZ in Zelle zurückspeichern
dcf77_15: ;aktuelle DCF77Buffer Zelle fertig:
ldi Shifter,1 ;Bitposition zurücksetzen
adiw ZL,1 ;nächste DCF77Buffer Zelle
*sts {DCF77Shifter},Shifter
*sts {DCF77TAL},ZL ;Adresse der nächsten Zelle speichern
*sts {DCF77TAH},ZH
dcf77_16:
inc Impulse ;nächstes DCF77-Bit
*sts {DCF77Impulse},Impulse
rjmp dcf77_2
dcf77_17: ;Parität Min./Std. Auswertung:
sbrc Parity,0
rjmp dcf77_2 ;Parität Fehler: Abbruch!
cpi Impulse,28 ;Minutenparität?
brne dcf77_18 ;nein: Stundenparität (35)
sbr Status,&B00000010 ;Status Minutenparität OK setzen
rjmp dcf77_12
dcf77_18:
sbr Status,&B00000100 ;Status Stundenparität OK setzen
rjmp dcf77_12 ;Parität Min./Std. OK
Die Auswertung der DataBits erfolgt in diesem Abschnitt 4 nur, wenn das Fehler-Flag (Parity.7) nicht gesetzt ist.
Mit den vier "cpi"-Befehlen werden jetzt die DataBits decodiert: Ganz kurze Impulse (unter 75ms) werden als Störimpulse ignoriert. Bei Über- oder Unterschreiten der Zeitlimits wird ein Fehler ausgelöst (Sprung zu dcf77_1). Der letzte Test (cpi Counter,DataBit_Mid) entscheidet, ob ein DataBit0 (weiter ab Befehl "cpi Impulse,20") oder ein DataBit1 (ab Label dcf77_8) vorliegt.
Zunächst der Fall "DataBit0":
Counter hat in diesem Fall einen Wert von 36 (..37), entsprechend 900ms Pausenlänge. Es wird mit "cpi Impulse,20" zunächst getestet, ob es sich um das DCF77-Bit 20 (S) handelt. Dieses Bit darf nicht "0" sein, deshalb erfolgt in diesem Fall ein Abbruch (breq dcf77_2). Das Register "Impulse" ist also der Zähler für die DCF77-Bits (0..58).
Dann wird mit "cpi Impulse,58" noch auf eine andere Abbruchbedingung getestet: Wenn das DCF77-Bit 58 ein DataBit0 ist, dann handelt es sich um die Sonderbedingung "Schaltsekunde". Es wird dann noch ein LastBit folgen, deshalb wird hier die Verarbeitung abgebrochen.
Für alle anderen DataBits0 geht's bei dcf77_10 weiter.
Dann der Fall "DataBit1" (ab Label dcf77_8):
Counter hat in diesem Fall einen Wert von 32 (..33), entsprechend 800ms Pausenlänge. Ab den Labeln dcf77_8 und dcf77_9 passieren zwei wichtige Dinge mit den DataBits1:
- Mit "inc Parity" werden die 1-Bits gezählt, um die Parität berechnen zu können. Dabei gibt es eine Ausnahme: Die DCF77-Bits 0..20 werden nicht berücksichtigt.
- Ab dem Label dcf77_9 wird das Bit im Zeit-Zwischenspeicher abgelegt. Der Zwischenspeicher besteht aus 9 Bytes (Bascom: Dcf77buffer(9)). In der Lib werden die einzelnen "Zellen" des Zwischenspeichers durch den Z-Pointer adressiert. Mit "ld Counter,Z" wird zuerst die aktuelle Zelle (z.B. die Minute oder das Jahr) in das Register Counter geladen. Dann wird mit "add Counter,Shifter" eine "Maske" addiert. In dieser Maske ist immer nur 1 Bit gesetzt, und zwar an der Stelle, an der das aktuelle DCF77-Bit in die aktuelle Zelle eingefügt werden muss. Beispiel: Das DCF77-Bit 46 ist das zweite Monatsbit. Die Maske Shifter wäre in diesem Fall binär 00000010. Addiert man diese Maske zur aktuellen Zelle des Zwischenspeichers, dann wird Bit 1 hier gesetzt. Wenn das DCF77-Bit 47 folgt und auch ein DataBit1 ist, ist die Maske 00000100, und auch dieses Bit wird richtig in den Zwischenspeicher eingefügt. Mit "st Z,Counter" wird der Inhalt von Counter im Zwischenspeicher gesichert.
Die Sicherung im Zwischenspeicher gilt nicht für zwei DCF77-Bits: Die Paritätsbits P1 (28) und P2 (35) dürfen nicht in die aktuelle Zelle kopiert werden. Mit "cpi Impulse,58" wird eine weitere Ausnahmebedingung abgefangen: Die Schaltsekunde. Ist P3 ein DataBit1, dann wird noch ein LastBit0 folgen, also hier zunächst ein Abbruch.
Ab dem Label dcf77_10 werden die DataBits0 und DatBits1 wieder gemeinsam weiterverarbeitet. Hier wird zunächst der Shifter in die nächste Bitposition geschoben (lsl Shifter). Danach gibt es mehrere Einzeltests: Von "cpi Impulse,7" bis "cpi Impulse,49" werden einige Positionen von DCF77-Bits abgefragt. Bei manchen DCF77-Bits gibt es eigentlich nichts mehr zu tun: Wenn ein DCF77-Bit irgendwo mitten in einer Zelle angekommen ist, muss nur noch der Zähler "Impulse" hochgezählt werden (dcf77_16). Etwas anderes ist es, wenn das LETZTE DCF77-Bit einer Zelle (z.B. 20 oder 41) decodiert wurde: Hier muss entweder nur die Maske in Shifter auf binär 00000001 (Label dcf77_15) zurückgesetzt und der Z-Pointer auf die nächste Zelle ("adiw ZL,1") gesetzt werden, ODER der Inhalt der aktuellen Zelle muss vorher noch (Label dcf77_12 bis dcf77_14) vom BCD- ins Dezimal-Format umgewandelt werden.
Die Paritätsbits 28 und 35 sind noch auszuwerten (ab Label dcf77_17): Wenn die Minuten- oder Stunden-Parität UNGERADE ist (Parity.0 = 1), erfolgt der Abbruch. Ist die Parität o.k., wird das zugehörige Statusbit (Bit 1 oder Bit 2) gesetzt.
In diesem Abschnitt 4 hat der Decoder die Hauptarbeit geleistet. Aber wie geht's von hier aus weiter? Das Telegrammende wird in Abschnitt 3 festgestellt, von dort verzweigt der Decoder zum nächsten Abschnitt 5 (Label dcf77_19, dcf77_20)!
IN ARBEIT ... WIRD FORTGESETZT ... IN ARBEIT ... WIRD FORTGESETZT ...
Quellen
- Quelle1
- Piester, Hetzel, Bauch; Zeit- und Normalfrequenzverbreitung durch DCF77; PTB-Mitteilungen 114, Heft 4; 2004
- Quelle2
- Wikipedia
- Quelle3
- DCF77
- Quelle4
- Wolfgang Back
--Dirk 13:04, 10. Dez 2006 (CET)
