dissabte, 21 de gener de 2012

Nou projecte: GPSDO

En aquest post us descriuré els avanços d'un nou projecte electrònic que tinc en ment: un rellotge de gran precisió control·lat per GPS, que intentaré construir des de zero basant-me en implementacions simil·lars vistes a la xarxa.

Els rellotges mecànics, com hem vist en altres entrades, utilitzen elements com molles i volants d'inèrcia per tal de mantenir una oscil·lació estable, que convenientment tractada gràcies als nombrosos engranatges és transformada en l'hora mostrada al dial. Les desviacions dels millors rellotges mecànics estan al voltant d'un segon diari, és a dir, aproximadament 10 parts per milió. No obstant això, les oscil·lacions varien fortament amb la temperatura i amb les condicions exteriors (posició del rellotge, temps des de l'última revisió...).

Els rellotges de quars estàndar utilitzen cristalls d'aquest material tallats amb gran precisió, que ressonen típicament a 32.768 vegades per segon, oferint una referència estable i menys dependent de les condicions exteriors, però que varia lleugerament per efecte de la temperatura.
Les desviacions diàries d'un rellotge de quars sense sistemes de compensació de la temperatura ronden el mig segon diari, és a dir, unes cinc parts per milió, mentre que els millors rellotges de gamma alta termocompensats poden assolir desviacions de 10 segons a l'any, és a dir, 0,3 parts per milió.

Més precisos són els rellotges atòmics a bord dels satèl·lits GPS. Aquests sistemes, basats en la ressonància dels àtoms de rubidi o de cesi, poden assolir precisions de l'ordre de 5 parts per cent bilions (5·10^-14), i el més important, són capaços de transmetre la informació del temps a qualsevol receptor de GPS del món, gratuïtament. L'hora dels satèl·lits GPS és corregida constantment per tal d'adaptar-la a l'hora atòmica internacional, limitant la diferència d'aquestos dos valors a uns pocs nanosegons.

Buscant un poc per Internet vaig trobar diversos receptors que podrien adaptar-se al projecte, i un d'ells és un mòdul GPS de la casa Motorola, concretament un Oncore UT+, el qual està especialment adaptat a l'extracció del senyal de temps que acompanya a les transmissions GPS, donant una sortida d'un impuls per segon a l'inici de cada segon sobre una de les pates del connector. El mòdul rebut és el següent:


Aquest mòdul requerix d'una antena adaptada a la recepció GPS, d'una alimentació a 5V en corrent continua, i d'un adaptador de nivells per a poder comunicar-se amb l'ordinador a través del port sèrie. L'antena la vaig poder trobar a Internet, mentre que l'alimentació i les comunicacions del mòdul es faran gràcies a una targeta auxiliar que hauré de desenvolupar i fabricar. Cal dir que aquest instrument és capaç de rebre tant la posició com l'hora dels satèl·lits, i de transferir la informació amb una gran precisió al senyal de sortida. L'incertesa del mòdul és d'uns 150 ns en mode de recepció complet, valor que disminueix a 50 ns si només capta l'hora, és a dir, una precisió de 0,15 a 0,05 parts per milió.

Tota la configuració inicial del mòdul GPS es farà amb l'ordinador, preparant aquest per a que la seua sortida de pulsos cada segon estiga òptimament aliniada amb el temps atòmic, considerant els efectes del retard ocasionat pels cables i pel propi mòdul. Per a arribar a aquest punt hauré de determinar la meua posició amb molta exactitud fent una sèrie de mesures amb aquest durant un temps suficientment llarg per tal d'extraure una mitjana i poder després posar el sistema en mode de recepció d'hora únicament.

En aquest punt tenim un sistema capaç de rebre l'hora i de crear un senyal en forma de puls cada segon amb una gran precisió. No obstant això cal tenir en compte que el senyal GPS varia al llarg del dia per les condicions atmosfèriques i per la posició relativa dels satèl·lits respecte al receptor, fet que provoca que l'imatge de l'hora rebuda no tinga la mateixa precisió que l'hora atòmica realment tramesa.

El meu objectiu és atenuar aquestes variacions per tal d'augmentar la precisió tant com siga possible. Intentaré per tant utilitzar un oscil·lador més estable que el senyal rebut pel mòdul GPS a curt termini, per exemple un oscil·lador de quars control·lat per temperatura (Oven Controlled X (crystal) Oscillator), de freqüència ajustable per tensió. Aquest tipus d'implementació em permetrà tenir bona estabilitat a curt, i una excel·lent precisió a llarg termini.

Recapitulant, compararé la sortida d'un oscil·lador de quars control·lat per temperatura amb una mitjana del senyal rebut pel mòdul GPS, ajustant i regulant l'oscil·lador per tal de limitar la diferència de temps entre ells. Aquesta efecte suavitzador de la mitjana em permetrà avançar fins les precisions de l'ordre de 10^-9 a 10^-11, i en condicions especials fins al 10^-12. Per a tenir una referència cal dir que un oscil·lador capaç de mantindre la freqüència amb una precisió de 10^-9 varia 0,03 segons a l'any.

Tot el treball d'ajust el farà un microcontrolador que gestionarà els diferents senyals i generarà les correccions pertinents per optimitzar el funcionament del sistema, adaptant-lo a les condicions externes. Aquest microcontrolador serà un PIC, previsiblement de la família 18F o dsPIC, muntat sobre una targeta que caldrà desenvolupar, a més del codi.

Com heu pogut veure, el projecte és llarg i complex, per això l'he dividit en tasques:

1- Desenvolupar la targeta auxiliar de comunicacions per al mòdul
2- Fabricar la targeta principal de control amb el microcontrolador
3- Escriure el codi del regulador
4- Comparar la precisió del sistema amb un estàndar apropiat (rellotge de Rubidi o Cesi)
5- Portar a terme correccions per tal de millorar la precisió fins al límit esperat (10^-12)

Us mantindré informats de tots els avanços d'aquest projecte, i us anime a escriure els vostres comentaris!

1 comentari:

Unknown ha dit...

Aquest mega-projecte sembla molt interessant, i mes tenint em compte que començaràs pràcticament desde zero. Estarem a la espera de noves entrades. La precissió a la que vols arribar es com a mínim admirable.