2014-08-11

2013-08-29 新作「無線LAN対応NTP時計」はこちら

更新履歴

2014-06-30 ファームウェア改良
2013-09-08 ファームウェア不具合修正

NTP時計

概要

AVRマイコンATMEGA328PとATTINY2313、イーサネットコントローラENC28J60を使用した、大型デジタル床置き時計です。

ヤフオクで購入した、大型青色LEDを搭載した電波時計が、あまりにも不甲斐ないのです。

数時間毎に電波を受信して時刻合わせをするのだが、1回の時刻合わせに10分くらいかかる。
時刻合わせ中は時計の表示が消える。
電波時計のくせに、2分くらい遅れる。

そこで、7セグメントLEDだけ再利用して、ネットワーク（NTPサーバ）から時刻を取得する、正確な時計を作ってみました。

制作

分解

中国製です。

ふたを開けたところ。

LED表示基板

7セグメントLEDを外して、基板に配置しました。

年月日時分秒を表示するための基板を5つに分けます。

制御用マイコンはATTINY2313を使用します。

回路図(PDF)

基板図(PDF)

時計制御基板

マイコンはATMEGA328P、イーサネットコントローラはENC28J60を使用します。

回路図(PDF)

基板図(PDF)

組み立て

木製（MDF板）の土台に配置します。

時計制御基板を土台の背面に取り付けます。

LED表示基板と配線します。

ATMEGA328Pのから各表示基板へ

ATTINY2313（表示基板）のSPI入力部分

前面の様子。

アクリル板のフロントパネルを取り付けて完成です。

ファームウェア

ntpclock-20140630.zip

2014-06-30: LED表示基板（ATTINY2313）用ファームウェアをちょっと修正
- 最近のgccでコンパイルが通らなくなっていたので、記述方法を修正。
- ダイナミック点灯の周波数を500Hzから1kHzに変更。
- ７セグLEDの１個当たりのデューティー比を25%から10%に変更。
2013-09-08: DHCPに関する不具合を修正
- ルータ（DHCPサーバ）の機種によって、IPアドレスを自動取得するのが失敗する問題に対処しました。

時計制御基板（ATMEGA328P）用と、LED表示制御基板（ATTINY2313）用に分かれています。さらに、LED表示制御基板は、年、月日、時、分、秒の5種類あります。

ntpclock.hex	時計制御基板（ATMEGA328P）用	インターネット接続し、時刻を取得する。また、各表示基板に表示すべき数字情報を送信する。
clock_led_year.hex	LED表示制御基板（ATTINY2313）用その1	「年」を表示する。
clock_led_day.hex	LED表示制御基板（ATTINY2313）用その2	「月日」を表示する。
clock_led_hour.hex	LED表示制御基板（ATTINY2313）用その3	「時」を表示する。
clock_led_min.hex	LED表示制御基板（ATTINY2313）用その4	「分」を表示する。
clock_led_sec.hex	LED表示制御基板（ATTINY2313）用その5	「秒」を表示する。

ATMEGA328P

ファームウェアntpclock.hexを書き込みます。ヒューズビットは、Low=0xe6、High=0xd9、Ext=0xffを設定します。

クロック周波数は19.6608MHzです。外付けの水晶発振子を使用します。

ATTINY2313

ファームウェアは、各エレメント毎に、clock_led_*.hexを書き込みます。ヒューズビットは、Low=0xe4を設定します。

クロック周波数は8MHzです。チップ内蔵のオシレータを利用します。

動作の仕組み

ブロック図

blockdiagram

ATMEGA328PとENC28J60とは、マイコン搭載のSPI機能で通信します。ATMEGA328Pと各ATTINY2313とは、ソフトウェア制御によるSPIで通信します。

時計制御回路の動作

電源ON
タイマの初期化
I/Oポートの初期化
イーサネットコントローラの初期化
DHCPでIPアドレスを取得
DNSでNTPサーバ（ntp.nict.jp）のアドレスを取得
NTPサーバにクエリパケットを送信
表示を更新

1時間に2回（毎時29分30秒と59分30秒）時刻の更新をします。

ATMEGA328Pは、プログラムメモリが32kB、データ用SRAMが2kBしかありませんので、TCP/IPの全機能を実装するには小さすぎます。以下のプロトコルに限定して実装しました。データ通信はUDPのみで、TCPには対応していません。また、パケットサイズは、イーサネットの規定では最大1518バイトですが、本機では、最大384バイトに制限しています。

ARP（IPアドレスからMACアドレスを問い合わせる、または応答する）
ICMP（pingに応答する）
DHCPクライアント（IPアドレスを取得する）
DNSクライアント（名前からIPアドレスを解決する）
UDP

MACアドレスは、本来、世界にただ一つになるように設定する必要がありますが、同一LAN内で重複しなければいいと考えて、とりあえずFE:FF:FF:00:00:01を設定しています。この装置を同一LAN内に複数設置する場合は、MACアドレスを個別に設定する必要があります。本機はEEPROM等を搭載しておらず、ATMEGA328Pのファームウェアに定数で書き込んでありますので、変更するには再コンパイルが必要です。

※ 個人使用のためのMACアドレスの割り当て方

通信内容

パケットキャプチャ（Wireshark）で通信内容を表示させてみました。

カレンダー計算

NTPサーバから送られてくるデータは、1900年1月1日（UTC）からの積算秒数で表されます。これをユリウス通日に変換し、タイムゾーン値を加算した後、グレゴリオ暦に変換します。

※ 参考：「プログラマのためのSQL 第4版」第38章：ユリウス日付

void convert_cjd_to_ymd(unsigned long j, int *year, int *month, int *day)
{
	int y, m, d;
	y = (j * 4 + 128179) / 146097;
	d = (j * 4 - y * 146097 + 128179) / 4 * 4 + 3;
	j = d / 1461;
	d = (d - j * 1461) / 4 * 5 + 2;
	m = d / 153;
	d = (d - m * 153) / 5 + 1;
	y = (y - 48) * 100 + j;
	if (m < 10) {
		m += 3;
	} else {
		m -= 9;
		y++;
	}
	*year = y;
	*month = m;
	*day = d;
}

表示データ送信プロトコル

ATMEGA328PからATTINY2313へ送信するデータのプロトコルを説明します。

ATMEGA328PのPORT.D.0がクロック、PORT.D.1がデータです。

表示する数字の桁位置と文字を1バイトのデータで送信します。

spi

クロックの推奨周波数は100kHzです。速すぎると、ATTINY2313側で受信できません。遅すぎると、タイムアウトして、これも受信できません。タイムアウトさせないための最低周波数は1kHzです。

ビット	7	6	5	4	3	2	1	0
内容	桁位置				数字

桁位置は0～13、数字は0～9です。

桁位置

0	秒の1の位
1	秒の10の位
2	分の1の位
3	分の10の位
4	時の1の位
5	時の10の位
6	日の1の位
7	日の10の位
8	月の1の位
9	月の10の位
10	年の1の位
11	年の10の位
12	年の100の位
13	年の1000の位

各ATTINY2313は、自分が表示すべき桁位置のデータが送られてきたら数字を更新して、それ以外のデータは無視します。

設計情報

電圧

安定化された5VのスイッチングACアダプタを使用します。

LED表示回路は5Vで動作します。

ATMEGA328PとENC28J60は3.3Vですが、手持ち部品の中に、適当な3.3Vのレギュレータが無かったので、ダイオード2本を直列につないで3.4V程度まで降下させています。

電流

電源投入直後の数秒間は770mA程度流れます。NTPサーバから時刻の取得が成功し、平常動作になると670mAくらいで安定します。ACアダプタは1A以上のものを使用します。

電解コンデンサ

ENC28J60のデータシートにはVCAP端子に低ESRなコンデンサを使うよう書かれていましたので、三洋OS-CONを使用しました。実験時には、安価な汎用品を使用しましたが、それでも正常に動いていたようですので、あまり気にしなくてもいいのかもしれません。