DCF77-Empfänger an USB:

Korrekte PC-Zeit nicht nur im Fieldday

Die korrekte Zeiteinstellung ist für den Funkamateur insbesondere im Contest, bei Fieldday-Aktivitäten oder bei einigen digitalen Betriebsarten - z.B. WSJT - von Bedeutung. Unabhängig von der lokalen Internetversorgung bietet ein DCF77-Empfänger an der USB-Schnittstelle des PC zu jeder Zeit die korrekte PC-Zeiteinstellung.

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig sendet seit dreißig Jahren über den Sender Mainflingen südöstlich von Frankfurt das DCF77-Zeitzeichensignal. Es "beliefert" Bahnhofsuhren, Medien (TV) und unzählige private "Funkuhren" zuverlässig mit der aktuellen Zeit. Es entlastet deren Besitzer von der lästigen Umstellung von Sommer- auf Winterzeit. DCF77-Empfänger sind sehr preiswert und dank des Senders ebenso exakt wie die Cäsium-Atomuhr, die den DCF77-Sender steuert. Das Signal auf der Langwellenfrequenz (Trägerfrequenz) von 77,5 kHz ist in einem Umkreis von bis zu 2000 km rund um Mainflingen zu empfangen. Dies ist dank der enormen Sendeleistung von 50.000 Watt möglich, wobei die abgestrahlte Leistung sich jedoch auf 30 KW reduziert. Finanziert wird das Projekt aus Steuermitteln.

Besteht ein Anschluss an das Internet, ist der Zugang zur korrekten Zeit mittels eines kleinen Programms nur einen Mausklick weit entfernt - und schon ist die PC-Uhr sekundengenau justiert. Dies ist unabdingbar für den Funkbetrieb über JT65, einer digitalen Betriebsart, die sich auf ein festes Zeitraster stützt. Auch im Contest ist es wünschenswert, dass die Logs zumindest minutengenau ins Logbuch übernommen werden. Voraussetzung dazu ist die korrekte PC-Zeit.

Ein wenig schwieriger stellt sich der Zugang zur Zeit im Fieldday oder während einer Dxpedition dar: Für Funkgeräte und Computer ist dank Stromerzeuger zwar genug "Saft" vorhanden, ein Zugang zum Internet lässt sich jedoch - bis zur flächendeckenden Versorgung über Hot-Spots in DL - nur schwer realisieren. Diese kleine Bauanleitung kommt daher vielleicht ganz recht: Ein DCF77-Empfänger, der den PC über die USB-Schnittstelle mit der Zeit versorgt und von dieser mit Spannung beliefert wird.

Sehr viel gab es nicht zu programmieren: Die Software für Atmel AVR-Prozessoren hat D. Ottensmeyer vor einiger Zeit bereits in Basic und Assembler erstellt, getestet und kostenfrei im Internet frei zur Verfügung gestellt. Den DCF77-Empfänger liefert Pollin.de oder Reichelt.de für etwas über zehn Euro. Was noch fehlt, ist eine Platine, ein USB-Chip, und ein Prozessor. Alles wird durch ein kleines Windows-Programm komplettiert, das die per USB angelieferten Daten auf Mausklick an die PC-Systemuhr übermittelt.

So lief die erste, provisorisch aufgebaute DCF77-Platine bestehend aus Conrad DCF77-Empfängerplatine und einer kleinen Atmel Experimentierplatine für einen Atmel Mega8 schon nach gut einer Stunde Bastelei. Der Versuch, kleinere Atmel-Prozessoren zu nutzen, schlug wegen des fehlenden Timers2 fehl. So bleibt es bei dem dennoch preiswerten AT MEGA8, obwohl dessen integrierter Analog-Digital-Wandler hier nicht zur Anwendung gelangt.

Die Schaltung

Schauen wir auf das Schaltbild: Zwei Funktionsblöcke, bestehend aus dem USB-Chip FT232RL (links) und dem Prozessor (rechts) bilden fast die gesamte Schaltung. Ein optionales LC-Display kann angeschlossen werden und ist über den Port C und D des Prozessors verbunden. Unterhalb des Prozessors ist der vierpolige Anschluss der DCF77-Empfängerplatine zu sehen. Zwei 10k-Widerstände dienen als Pull-Up's für das digitale DCF77-Signal. Dieses hat TTL-Pegel, wenn die RX-Platine über Pin2 mit 5 Volt versorgt wird. Pin 1 ist auf Masse gelegt. Pin 4 liefert das invertierte DCF77-Signal, das mit dem Prozessor PortD.3 verbunden ist. Zur Programmierung des Prozessors mit der benötigten DCF77-Software ist ein 10-poliger ISP-Anschluss nach der Atmel-Standardbelegung "STK200" vorhanden.

Abb. Bestückungsplan: Rot gezeichnet die Drahtbrücken. L1 und D1 werden nicht bestückt, ebenso nicht die Klemme ADC-IN.

Vier der sechs analogen Eingänge sind über Lötpunkte zugänglich, Kanal Null des AD-Wandlers ist zudem mit einer Zenerdiode vor Überspannung geschützt. Diese Diode - wie auch übrigens L1 - sind nicht zu bestücken, da der AD-Wandler hier wie gesagt nicht zum Einsatz kommt. Diese "überflüssigen" Eingänge schlagen sozusagen zwei Fliegen mit einer Klappe: Auf diese Weise ist das Leiterplattenlayout auch für einen völlig anderen Zweck nutzbar.

Abb. Layout: Die Platine misst 90x56 mm.

Ein Blick auf die Beschaltung des FT232RL zeigt, dass die wichtigsten Signale der seriellen Schnittstelle des FT232RL auf Lötpads gelegt wurden, doch hier werden sie nicht genutzt. L2 besitzt die Lötflächen eines SMD-Bauelementes, ist aber dafür gedacht, einen Ferritring zur Entstörung zu montieren. Steht dieser nicht zur Verfügung, reicht zur Not eine simple Lötbrücke aus etwas Draht. Die Bestückung der Vorwiderstände samt LEDs an Pin 22 und 23 ist optional. Die LED signalisieren den Datentransfer über USB. Für die USB-Anbindung sind neben dem SMD-IC selbst also nur zwei SMD-Kondensatoren und die USB-Printbuchse vom Typ B zu bestücken!

Abb. LCD-Anschluss: So liegt der Anschluss der LCD. Im Bild sind Pin 1 und 16 markiert.

Abb.: Pinbelegung des LC-Displays, wie es für dieses Projekt geeignet ist. Von den Datenleitungen werden nur die oberen vier genutzt.

SMD bestücken

Allen Bastlern, die bisher noch nicht SMD bestückt haben, sollen hier die Ängste genommen werden: Kurz: Zuerst IC positionieren, dann ein IC-Pin an einer Ecke anheften. IC neu positionieren, sofern nötig. Nun einen IC-Pin auf der gegenüber liegenden Seite anlöten. Zum Löten SMD-Lot verwenden! Sitzt der IC korrekt, die bisherigen Pins nachlöten und dann alle weitere Pins. Es macht nichts, wenn die Lötspitze des Lötkolbens breiter ist als die zu lötenden IC-Pins! Kurzschlüsse zwischen den "Beinchen" sind mit etwas Entlötlitze schnell und sauber entfernt. Dazu Entlötlitze auf die entsprechende Stelle legen, zwei Sekunden mit dem heißen Lötkolben Entlötlitze auf die IC-Pins drücken, dann beides entfernen - fertig.

Abb.: Verwendet wird eine USB-Buchse Typ B für Printmontage.

Bestückung

Zuerst wird das USB-IC auf die Leiterplatte gelötet. Es folgen die verbleibenden SMD-Bauelemente, schließlich folgen die Drahtbrücken (Silberdraht 0,6 mm) und die weiteren Bauelemente. Die USB-Buchse Typ B wird eingepasst und dessen Metallgehäuse mit Masse verbunden. Dem Prozessor gönnt man einen Sockel in Form zweier preiswerter 14-poliger IC-Sockel. Bevor der Prozessor auf der Platinen seinen Platz findet, soll zuerst geprüft werden, ob der USB-Funktionsblock arbeitet: Die Platine ist über ein USB-Kabel (Typ: A-B) an den PC anzuschließen. Unter Windows sollte nun eine neue Hardware erkannt werden. Das Betriebssystem fordert (sofern noch nicht installiert) zur Installation eines Treibers auf, den es bei [3] kostenlos zum Download gibt. In der Gerätesteuerung ist zu erfahren, welchen COM-Port Windows dem Gerät zugewiesen hat.

Ansicht der Platine von unten

Abb.: So liegen die SMD-Bauelemente: 1: Das Gehäuse der USB-Buchse ist mit Masse zu verbinden. 2: Hier fehlt noch ein kleiner Ferritring. 3: Pin 1 des USB-IC.

Zur Programmierung des Prozessors ist die Platine sowohl an USB (zur Spannungsversorgung) als auch an einen AVR-Programmer anzuschließen. Mit AVRDUDE ist die Prozedur in Sekundenschnelle erledigt und der Prozessor "brummt. Zu beachten ist, dass neben dem Flash-Speicher die Fusebits so programmiert werden, dass die CPU mit 8 MHz getaktet wird. Wer sich das sparen möchte, kann programmierte Prozessoren und geätzte Platinen hier erwerben (siehe unten).

Wer den DCF77-RX ohne PC betreiben möchte, versorgt die Platine über einen USB-Stecker Typ B mit 5 Volt und nutzt ein LC-Display zur Anzeige. Der auf der Platine vorgesehene Anschluss passt für LCD mit 14- und 16-poligen, einreihigen Anschluss. Pin1 ist auf der Platine markiert. Pin 15 und 16 sind für LCD mit Hintergrundbeleuchtung vorgesehen. Auf dieses nette Feature sollte man im Hinblick auf den Stromverbrauch jedoch verzichten.

Abb.: Erster Test mit Hyperterm: Noch sendet die Uhr nicht die korrekte Uhrzeit ...

Abb.: ... und hier ist der Übergang zur richtigen Zeit bzw. Datum zu sehen. Bei ungestörtem Empfang dauert das ca. 2 Minuten.

Software

Für erste Tests kann Hyperterm oder das im Download erhältliche Programm DCF-Uhr2 verwendet werden. Falls der Empfang funktioniert, sieht das kleine Windows-Programm mit Namen DCF-Uhr besser aus. Nach Einstecken des USB-Kabels an die Platine und anschließendem Start des Windows-Programms erscheint bei vom PC ungestörten Empfang die korrekte Uhrzeit nach ca. 2 Minuten. Manchmal gelingt der Empfang von Zeit und Datum erst nach fünf Minuten. Funktioniert ein korrekter Empfang nicht innerhalb von zehn Minuten nicht, ist es ratsam, ein USB-Kabel von drei bis fünf Metern Länge zu verwenden und die Platine vom Desktop-PC möglichst zu entfernen. Notebooks stören meist weniger und sind nicht so kritisch.

Abb.: Das ist das Windows-Programm DCF77-Uhr. Zuerst die COM-Schnittstelle einstellen, schon beginnt der Empfang.

Abb.: So sieht es aus, wenn die Platine ausreichend Empfang hat. Mit einem Mausklick wird die PC-Uhr gestellt.

Die Bedienung der DCF-Uhr ist sehr simpel: Nach dem Start die COM-Schnittstelle wählen, die Windows zuvor zugewiesen hat. Bei korrektem Empfang ist die Übernahme von Datum und Zeit auf die PC-Systemuhr mit Mausklick möglich. Das war's schon. Es sei erwähnt, dass die kleinen Programme nichts in die Windows-Registry schreiben und nicht installiert werden müssen.

Abb.: Für erste Teste sollte diese Software genutzt werden: Sie zeigt zusätzlich die von der Platine empfangenen Texte an.

Die DCF77-Empfängerplatine gibt es z.B. bei Conrad Electronic, Hirschau, www.conrad.de, den Treiber für den USB-IC FT232R bei http://www.ftdichip.com/Drivers/VCP.htm.

Nachtrag von OM Jürgen

Hier noch eine Info: Bei Nutzung der Pollin-DCF77-Empfängers: Ohne Impulsformung des Ausgangs-Pulses ist die Synchronisation unsicher. Habe deswegen mit einem Trigger (4093) für "geordnete Verhältnisse" gesorgt.Allerdings wird der H-Pegel des 4093 nur erreicht, wenn die Empfänger-Masse über 3 Si-Dioden hochgelegt wird. Damit wird auch die vorgegebene Betriebsspannung des Moduls (3,3V) ermöglicht. Die Dioden werden mittels 2,2k gegen Plus "vorgeströmt".Vielleicht hilft diese Info einmal jemandem, der sich mit dem o.a.g.Modul herumärgert. Hier das Schaltbild:


Download von Dateien zu diesem Projekt

Schaltbild, Layout, Bestückungsplan, Basic-Source etc. und anderes: hier geht es zum Download.


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Copyright Michael Wöste