Синхронизируем время на модуле DS3231 с компьютером

Доброго дня любителям самоделок и просто точных и качественных вещей вроде модуля часов реального времени DS3231. Пора поделиться с вами опытом синхронизации времени между модулем часов и компьютером – чуть ли не единственным способом выставить время более или менее точно. Заходите, почитайте (ну, или видео работы девайса посмотрите).

Зачем всё это нужно?

Начну с вопроса, ответ на который очевиден: что самое важное в любых часах? Разумеется, это точность хода. Какими бы многофункциональными и эстетичными не были любые часы, они – барахло, если идут неточно. Поэтому, если говорить о точности, ни для кого не секрет, что на данный момент модуль DS3231 – один из самых конкурентоспособных модулей на рынке: он относительно дёшев, достаточно точен, в отличие от, например, «доисторического» DS3107, и относительно невелик. Поэтому применение этого модуля в самоделках – абсолютно логичный и предсказуемый шаг. Осталась мелочь – научиться выставлять на нём время достаточно точно и с минимальными трудозатратами. Этим я и хочу поделиться.

Если часы – точные, как часто понадобится синхронизация?

Давайте прикинем: модуль часов имеет заявленную точность до 2 ppm в диапазоне температур от 0 до 40 градусов Цельсия (а в большинстве жилищ температура именно такая).

Что такое «ppm»? PPM – аббревиатура от «Parts Per Million» – «частей на миллион». Возьмём за единицу измерения секунду и посчитаем:

60сек * 60мин *24 часа * 365 дней = 31 536 000 секунд в году.

На каждый из этих миллионов 2 секунды может уходить в ту или иную сторону. 31,5 миллион делим на миллион и умножаем на 2: получаем 63 секунды в год (максимум). Приемлемый вариант? Весьма. Но 1 раз в полгода я бы синхронизировал время, чтобы оно укладывалось в 1 минуту.

Какими способами вообще можно устанавливать время на часах модуля?

Традиционно, начиная с модуля DS3107, время устанавливалось при помощи скетча для Arduino из числа примеров использования библиотеки. Алгоритм такой: открываем скетч, жмём «компилировать и закачать», и при первом запуске контроллера время устанавливается. Остался вопрос: какое время? Откуда Arduino может узнать, какое именно время устанавливать? А очень просто – время компиляции скетча. Однако с таким подходом я вижу несколько недостатков:

• время компиляции зависит от «мощи» компьютера;
• время закачивания зависит от скорости передачи скомпилированного скетча в плату Arduino;
• закачанный скетч – «одноразовый» (устаревает сразу же после закачивания в Arduino).

Как можно «извернуться», чтобы обойти эти ограничения? Ну, например, зная (экспериментально установив) время компилирования, можно «загнать» часы на компьютере на это время вперёд. Потом запустить компиляцию, прошить плату, и время установится. Плюс метода – относительная простота. Минусы – относительно неудобно, относительно неточно, одноразовый способ.

Что ещё можно придумать? Можно, например, выставлять требуемое время в скетче вручную, предусмотреть кнопку, нажатие на которую в нужный момент выставит «руками» указанное время, например, через 2 минуты от текущего момента: пока «зальётся» скетч, пока подготовимся отследить вручную тот самый нужный момент нажатия кнопки, как раз та пара минут и пройдёт. А дальше, глядя на часы в компьютере, дожидаться «того самого» момента, чтобы нажать кнопку. Плюсы – сложнее предыдущего способа, но всё ещё относительно просто, однако точнее, чем первый способ. Минусы – этот способ ещё неудобнее, дольше, всё равно скетч «одноразовый».

Кто виноват и что делать?

Задав себе эти два риторических вопроса, я полез в Интернет искать, кто уже написал синхронизацию времени модуля часов с компьютером. И, как известно, кто ищет – тот всегда находит. Нашёлся вариант с Instructables. В теории всё просто: обычный «батник» парсит текущее полное время, полученное «первым» способом (потому что кроме самого времени нужна ещё и дата), увеличивает время на 2 секунды, и «гоняет» пустой цикл до момента, когда настанет это новое, «плюс_две_секундное», время, чтобы «вышвырнуть» данные в COM порт. Причём «новое плюс_две_секундное» время отслеживается другим способом (через %time%, если кому интересно). Но о «косяках» такого решения позже. Данные, «вышвырнутые» в COM порт, Arduino парсит и после этого устанавливает время в модуле. Вроде всё просто, логично и удобно. Но есть очень нехорошее слово «НО». Всё это писал вроде бы немец, и региональные стандарты в Windows у него отличаются от «наших», а в частности, дробная часть отделяется точкой, а не запятой. При запуске с отечественными региональными стандартами «батник» не работает, потому что в нём время выхода из пустого цикла описывается условием сравнения с XX:XX:XX.xxx. Ну так надо вместо точки поставить запятую – и всё, «я всё починил». А вот и не всё (можете проверить, кто ещё помнит, что за такое зло – программировать в «батниках»). Нужно исправлять «батник» более серьёзно. И я его исправил, используя «маты-перематы» и «мануалку» для DOS. «Батник» исправил, но скетч всё равно не работал – время не устанавливалось. То есть данные в порт слались, Arduino их видел, но «что-то пошло не так».

Давайте взглянем, что шлёт «батник» в Arduino и в каком формате (справочно).

case 83:   //S = second
case 68:   //D = Minute  (Daghigheh in Persian)
case 72:   //H = Hour
case 84:   //T = Day Of Month (Tag in German)
case 77:   /// M = Month
case 74:   /// J = Year (Jahr in German)

Данные шлются в формате S**~D**~H**~T*~M**~J****~, где ~ — 2 байта перевода каретки. Итого, 31 байт. Вроде немного, пришлются данные быстро.

Однако есть и неудобство – как видим, не шлётся день недели. Только день месяца. Для реализации часов с будильниками, зависящими от дней недели, будет «косяк». День недели придётся выставлять «ручками» в скетче, что опять намекает на некоторую «одноразовость» скетча, его неполноценность.

Складывая факторы – неполноценность скетча «с завода», его отказ нормально работать, необходимость исправления «батника» для «наших» широт – я решил разрабатывать всё свое. А раз так, то я могу устранять недостатки и оптимизировать формат данных.

Software и hardware.

Для того, чтобы всё заработало, нужны 2 составляющие: программа для Windows и аппаратно-программная связка Arduino.

Сначала общие данные по протоколу обмена. Коль скоро я стал волен выбирать формат данных для пересылки, я решил, что пересылка 31 байта информации не рациональна, и сократил передаваемые данные до 4 байт. И что, хватило? Что можно поместить в 4 байта? Да, хватило. Поместилось все, что надо. Уверен, многие догадались, что это за 4 байта. Кто не догадался – процитирую фрагмент статьи из Википедии:

UNIX-время (POSIX-время) — система описания моментов во времени, принятая в UNIX и других POSIX-совместимых операционных системах. Определяется как количество секунд, прошедших с полуночи (00:00:00 UTC) 1 января 1970 года (четверг).
UNIX-время представлено целым числом, которое увеличивается с каждой прошедшей секундой без необходимости вычислений для определения года, месяца, дня, часа или минуты для удобства восприятия человеком. Современное UNIX-время согласуется с UTC — отсчет происходит в секундах СИ.

Итак, целое число, хранящее UNIX время, занимает 4 байта, чего хватит до 2 147 483 648 секунд. А потом возможны потенциальные проблемы. Почему потенциальные? Потому что это порог, при достижении которого число может быть интерпретировано, как отрицательное (что и произошло с айфонами многих любопытных товарищей в своё время). Может, но не обязательно будет – зависит от того, растут ли руки программистов из места, предусмотренного природой. Указанное число секунд соответствует 03:14:08 19-янв-2038. До этого времени можно неспешно переходить на 64-битную версию ОС, где время станет храниться в 8-байтной переменной, чего без проблем хватит на следующие 292 миллиарда лет. Существует вероятность, что на наш век этого хватит. А потом придётся обновляться до 128-битной версии UNIX.

Какие проблемы я решил, придя к такому варианту? Первое, сильно снизил количество передаваемых байт, что на миллисекунды увеличивает точность установки времени. Здорово, правда? И второе: я (вероятно) облегчил совместимость с Linux. К моему стыду, я никак не могу привыкнуть к Linux, и пользуюсь в основном только Windows. Для этой самой Windows я могу написать программу пересылки, а для Linux – нет. Но полагаю, что в Linux можно получить значение UNIX-времени намного легче, чем в Windows, и переслать это число в COM порт.

Никаких дополнительных данных, вроде дня недели и так далее, передавать не требуется. Только UNIX время. Всё остальное делается в Arduino.

Теперь немного конкретики непосредственно о первой составляющей – программе для Windows. Программа написана в старой-доброй Delphi. При запуске всплывающее окно просит выбрать COM порт для отправки данных. Выбираем. Остальные настройки следует оставить «дефолтными».

Как работает программа? Она пересчитывает из формата времени Windows данные для формата UNIX, то есть число секунд с полуночи 1 января 1970 года. Затем добавляет 3 секунды и «впадает» в пустой цикл (очевидно, длительностью уже менее тех самых добавочных 3 секунд), выход из которого происходит в нужное количество секунд, как можно ближе к 000 миллисекундам. Иначе говоря, отслеживается наступление самого начала той секунды времени, значение которого должно будет переслаться в Arduino. Согласитесь, пересылать данные о том, что, например, сейчас XXXXXXXXX5 секунд тогда, когда на самом деле уже, например, XXXXXXXXX5 и 756 тысячных (например) секунд, было бы не правильным. Именно для этого нужно отслеживать самое начало секунды для старта передачи данных. После передачи данных программа дружелюбно сообщает статус «Done :)». На этом миссия программы завершается.


Вторая составляющая – аппаратно-программная часть – Arduino. Существует 2 разновидности «железа» для этого проекта: «полная» версия с экраном и кнопкой, и «урезанная» версия для быстрой установки времени модуля, собранная из «г**на и палок». Про их отличия – ниже. «Полная» версия состоит из Arduino Nano, экрана 1602 с «переходником» с I2C в экран, опциональной кнопкой ресета Arduino и пин-хедера(female) для подключения модуля часов. Также, опционально, из корпуса девайса с «няшной» наклейкой. «Урезанная» версия состоит из Arduino (Uno, Nano, Pro Mini + «правильный» переходник на USB с DTR) и 4 проводов для подключения модуля часов.


Как видно из схем, «полная» версия, в дополнение к «урезанной», содержит кнопку для reset'а и экран 1602 с «переходником». Обе версии абсолютно одинаковы по основному функционалу – устанавливать время. Экран нужен лишь для отображения этапов процесса и, по окончании процесса установки времени, отображения свежеустановленных времени, даты и дня недели. Причём данные к тому времени будут уже считываться из самого модуля часов. В «урезанной» версии роль экрана выполняет встроенный в плату Arduino светодиод: по окончании процесса установки нового времени он начнет светиться. Вот и вся индикация.

Для чего же кнопка ресет? Для того, что в полной версии после установки времени Arduino войдёт в бесконечный цикл по отображению того самого свежеустановленного времени, то есть, по сути, станет часами. Причём часами, сделанными на скорую руку, в связи с чем они не смогут заменить нормальные часы в силу нескольких причин (выборка секунд реализована через delay, пропадёт отображение времени при отключении питания). Ведь цель – убедиться, что время синхронизировано верно, не более того. Следовательно, для синхронизации следующего модуля часов без ресета не обойтись (точнее, можно обойтись, если «передёрнуть» USB кабель). Другими словами, назначение кнопки – сугубо утилитарное. При желании, можно обойтись и без неё.

Как же прошивать Arduino, ведь версии «железа» две, а скетч один? Для компиляции «правильной» версии прошивки в заголовке скетча нужно установить желаемое значение параметра fullVersion: true для «полной» версии, или false — для «урезанной». Компилятор таким образом определит, для какой версии «железа» компилировать прошивку.

Итак, схема подключения есть, нужен код скетча. Обратите внимание, что для нормальной работы скетча с «полной» версией нужна библиотека LiquidCrystal I2C by Frank de Brabander (устанавливается из репозитория при помощи Менеджера Библиотек). Также нужна библиотека для поддержки модуля часов, причём не любая :). Качать здесь: https://github.com/jarzebski/Arduino-DS3231. С библиотеками разобрались.


Пара фото «полной» версии готового девайса.


Ну и, наконец, видео работы девайса «в бою»:

Где скачать скетч и программу?

Скетч качать здесь (Dropbox).
Программу для Windows качать здесь (Dropbox).

«Плюсы» и «минусы».

Сформулировать «плюсы» и «минусы» в данном случае тяжело. Следовательно, каждый решает для себя сам, что – хорошо, а что – плохо.

---

Итого.

Мне очень понравилось, как теперь устанавливается время в модулях! При необходимости установить время мне не приходится вспоминать каждый раз, какой же там скетч мне нужен и задумываться, насколько точно будет установлено время в модуле. Более того, скоро будет обзор самодельных часов, куда я встроил такой метод синхронизации – настолько метод мне понравился. Надеюсь, кому-то из читателей метод также придётся кстати.

Проект — свободный, некоммерческий. Каждый вправе использовать данные из обзора в любых целях, кроме коммерческих.

Всем добра.