（福建瑞达精工股份有限公司 福建福州 350000）
摘要：“十二五”是福建省推动科学发展、跨越发展，加快海西建设的关键时期，也是依靠科技进步和创新加快转变经济发展方式的关键时期。国家工业和信息化部制定并发布了《轻工业“十二五”发展规划》，文件在多个章节涉及到钟表行业未来的发展规划。在“重点行业技术改造工程”项目中，钟表业重点为多功能机械钟机芯、指针式电波表机芯、多针石英电子表机芯自动装配生产改造、运动计时仪器产业化。在“技术创新与产业化工程”项目中，钟表业重点为指针式石英钟表、电波表、高档机械钟表、高可靠性、高精确性短时间计量与控制仪器技术研发及产业化。
关键词：电波手表；光动能；全制式
2015年新年伊始，工业和信息化部、财政部、国家质量监督检验检疫总局、国家知识产权局联合发布《关于加快推进我国钟表自主品牌建设的指导意见》（简称《意见》）。
《意见》制定了关于加快推进我国钟表自主品牌建设的指导意见，提出推进品牌发展战略、增强自主创新能力、优化钟表产品结构等要求。
为加快我国钟表产业结构调整优化、提升国际地位、实现钟表强国梦，《意见》要求，到2020年，自主品牌高、中、低档钟表产品销售额比例从目前的1：14：85转变为3：22：75；形成5个左右国际知名品牌、20个左右国内知名品牌和2-3家技术先进、特色明显、品牌知名度高、经济效益稳步增长的大型钟表企业集团；鼓励和支持符合条件的钟表企业上市、发行债券，利用资本市场直接融资。
围绕着国家“十二规划”和四部委的指导《意见》进行“中国制造”式的全制式响闹背光电波手表开发，必将提高钟表行业国际竞争力，也将促进钟表行业的发展。
福建瑞达精工以市场为导向，以提升本企业自主创新能力、核心竞争力为目标，开发了光动能全制式响闹背光电波手表。根据科技查新结果表明，该类型的手表在国内尚无公开研究报道。这不仅提升了福建钟表行业的技术水平，而且为该产业的转型升级和产业结构战略性调整提供了实践依据和示范。
一、“电波钟表”原理
传统的“电子钟表”也称为“石英钟表”，其计时原理是靠固定频率（常用32.768KHz）的石英晶体振荡器，加电后产生周期性脉冲信号，通过电子电路或微控制器对脉冲信号的计数得到一定的时间周期（例如1秒或0.5秒）进行时间更新。时间更新后，数字式钟表通过控制驱动电路让显示屏显示更新的时间，指针式钟表则控制步进电机转过一个角度并通过机械传动系统带动表针也转过一个相应的角度。传统的“电子钟表”的走时精度取决于晶体振荡器的频率误差，由于石英晶体制造误差的存在以及使用环境温度等因素的影响，其工作频率不可能在理想状态下。这就造成我们依据石英晶体的频率所计算得到的时间周期与实际时间出现误差，这个误差虽然很小，但会不断地积累，日积月累就会非常可观。
“电波钟表”也是一种“电子钟表”，其基本计时原理与传统“电子钟表”完全一样。不同的是电波钟表增加了无线电接收装置，用来接收电波授时信号。授时信号是由政府委托的时间研究机构发播的，其时间基准是原子钟，原子钟是一个精度和稳定性非常高的原子振荡器，其积累误差一般在几十万年一秒钟，同时通过天文观测、国际比对等方式维持着国家的标准时间，并以各种手段提供授时服务，电波授时是其中一种。
授时信号是将标准时间以代码的形式加载到无线电波上，接收装置接收到电波信号后，经过一定的技术处理就得到了标准时间，并将钟表的时间校正到标准时间。这个过程称为“时间同步”或称为“校时”。因此，“电波钟表”虽然也存在由于晶体频率误差等因素所造成的走时误差，但每当接收授时信号校时成功后，钟表的时间就会回到标准时间上，也就是说钟表的计时只在一个较短的时间段里存在误差，不会造成误差的积累，因此只要石英晶体的频率精度和稳定性足够高，或者两次校时的时间间隔足够短，使钟表自行运行所产生的误差用肉眼无法分辩，我们就可以认为钟表的时间“绝对”准确，永无误差。
二“电波钟表”技术背景
“授时”是国家为了统一时间，满足军事、科学、工农业生产及民众日常生活对精确时间的需求，委托国家时频研究机构向社会和公众发播标准时间和标准频率的基础性和公益性事业。早在上世纪初，人们就开始利用无线电波进行时间传输即“授时”。并逐步形成了一个全球性的时间信号台站网络。这些台站大多以长波（低频）发射信号，但接收装置复杂、成本高昂，主要应用于军事和导航。
长波授时一个重要里程碑是1973年德国DCF77发播台进行的BCD时码发播试验并与1988年正式发播。随后美、英、日等国也先后建立了长波时码发播台用于民用授时服务。如美国NIST的WWVB、英国NPL的MSF、德国PTB的DCF77、日本NICT的JJY等。中国的授时机构是“中国科学院国家授时中心”，2007年7月在河南商丘建成“国家授时中心BPC低频时码发射台”，发播频率68.5KHz，该发射台目前电波有效覆盖半径1500Km，每天发播20小时，主要为电波钟表产业提供技术支撑。
时码发播是将时间信息（年、月、日、星期、时、分等）以特定的编码方式对标准频率进行调制，接收机接收到信号后，滤除载频还原成BCD时码数字信号，经微处理器解码后可得到完整的时间信息。时码发播结合快速发展的现代微处理器和自动控制技术，使普通钟表实现自动校时成为可能。自德国“荣汉斯”制造出第一台由长波无线电控制的自动校时钟表（即“电波钟表”）后，世界各大钟表厂商投入重金研发“电波钟表”产品，目前在欧美日等发达国家和地区，“电波钟表”几乎占据了整个钟表市场的半壁江山。“电波钟表”是现代无线通讯技术、微处理器技术、自动控制技术和显示技术的完美结合，被称之为石英钟表的“终结者”。
三.“电波钟表”技术现状
1.长波授时信号
长波授时信号的载频一般在20KHz-100KHz，用1Hz的时码方波进行调制就形成了长波授时信号。载频是由原子钟导出的精确频率，可做为标准频率源。时码包含有时间、日期等信息，可标定准确时间。下图是长波授时信号的调制方式：（日本JJY调制方式与此反向）
3.接收机芯片
目前已有多家半导体厂商推出用于“电波钟表”的长波时码接收芯片，以下为几款典型芯片
4.微控制器芯片
适合电波钟表数据处理和控制的MCU芯片主要有EPSON S1C63系列和TENX TM87系列
S1C63系列MCU是EPSON公司生产的四位高性能MCU芯片，以S1C63000CPU为核心，丰富指令集，高速数据处理和控制能力，低电压、低功耗，完善的外围电路。S1C63654是专门为电波钟表而设计，特点如下：
4K掩膜ROM；
1KX4位EPPROM；
512X4数据ROM；
8个输入口
4个输出口
8个I/O口
最大32X6个LCD驱动段；
时钟定时器
1/1000秒表定时器，直接键中断，断点数据捕捉功能；
16位可编程定时计数器；
PWM输出
音频输出；
R/F电路用于温度和湿度测量；
內置看门狗电路；
内置电源电压检测电路；
工作电压1.8-3.6V
CPU操作电流2.5uA
HALT状态消耗电流0.65uA；
S1C63656是S1C63654的增强型，增大了ROM和RAM，增加了两个电机控制口，可直接控制驱动步进电机，用于指针式电波钟表.
S1C63708是EPSON公司推出的专用于太阳能电波钟表的产品，最低操作电压0.9V，内置太阳能电池电源管理模块，适用于太阳能电池系统。
TM87系列MCU是TENX公司生产的四位低成本MCU芯片，精简指令集，完善的外围电路，是目前中低挡钟表类产品应用最多的MCU芯片，代表产品为TM8726
TM8726特点如下：
4K掩膜ROM；
512X4数据ROM；
4X4个I/O口
最大41X9个LCD驱动段；
时钟定时器
6X2位可编程定时计数器；
PWM输出
音频输出；
R/F电路用于温度和湿度测量；
內置看门狗电路；
内置EL驱动
工作电压2.4-5.5V
四、电波手表发展现状
电波手表技术发展迅猛，德国和日本在电波钟表技术及产品的研发上已先行一步，尤其是以西铁城、精工、卡西欧为代表的日本手表行业，已投入大量人力、财力进行产品研发和市场推广。
目前，在欧、美、日等发达国家，电波钟表几乎占据了整个手表市场的50%，大有取代普通电子钟表之势，而仅西铁城和卡西欧的电波手表已占全世界电波手表产量的90%以上。2007年，西铁城和卡西欧开始在我国市场推广电波手表。
虽然德国和日本是电波手表开发的鼻祖，且他们的产品整体水平目前处于世界领先。但存在一些缺陷和不足：1、对电波信号输入回路及信号的处理技术尚不成熟，接收灵敏度和抗干扰能力不够，现有电波手表只适合在日本和德国等发射信号强度大、地域狭小的地区推广应用，而在中国和美国这样地域广大的国家和地区难以推广；2、现有电波钟表普遍采用接收信号时指针停走的方式，这是指针式电波钟表推广应用的致命问题，德国UTS虽然在指针运行状态接收信号作了尝试，但效果不好。
福建瑞达精工对长波信号传输、信号输入回路及信号的处理技术方面做了大量研究和实践，使得电波手表的接收信号能力较德国和日本的产品更强。
五、开发的必要性
目前，国际钟表业的格局是：瑞士占据高端；日本占据中端；中国占据低端。中国钟表产量占全球的85%以上，产值却仅占10%左右。而对于高附加值的光动能电波钟表，国际上仅有德国、美国、英国、日本等四国开展相关的研究，本项目《光动能全制式响闹背光电波手表的研发及产业化推广》将全面领导福建传统钟表产业升级、钟表企业技术升级、钟表行业科技升级的战略转型，是福建省钟表行业在中国钟表业中的奠定领军地位的良好机会。
电波手表及无线长波授时技术，不单纯是新的手表计时技术，更可能将以全新的观念来改变人们的传统思维方式和生活习惯，其产业化应用也并不局限于传统的手表计时领域，标准时间模块（芯片）可能会衍生到任何显示时间的产品中，如程控交换机、计算机、家电电器、汽车钟、打卡钟及军事等方面，为该项目的扩大推广预留出了十分广阔的发展空间。
六、钟表产业在我省经济发展中的地位
中国钟表制造业已成为全球独具竞争力的制造中心。钟表行业向中高端发展，必须以研发设计、功能创新、渠道拓展为基础，不断提升产品竞争力，以创新产品提高产品附加值。
福建钟表业是福建省在传统产业中起步最早、发展最成功的产业之一，改革开放三十年，福建时钟制造已悄然跃居全国第一名，其中福州地区的钟表产业集聚居我省第一位。目前，福建已发展成为全国第二大的钟表制造基地，福建的钟表及配件的年出口量占国际市场的25%以上。多年来，福建钟表业不断提升技术积累和品牌影响力，已形成钟表研发、生产制造、营销的上下游完整产业链。
福州市现有上下游钟表企业近300家，时计出口交货量、出口交货值已连续5年保持全国第一，产业外向度高。钟表产业在福州经济发展中起着重要作用。
七、开发内容
光动能全制式响闹背光电波手表应用了多项现代技术，包括时间频率技术、通讯技术、计算机技术、微电子技术、精密仪器技术和太阳能电池技术，其工作原理涉及标准授时信号的编码、发射、传播及接收和译码等技术。首先国家授时中心的无线电时间信号发射台以原子钟时间为基准，发射标准时间信号，通过空间电波进行传播，再通过电波钟表的内置天线接受系统和微处理器（计算机）处理后显示标准时间，按其显示方式又分指针式和数字式两种显示方式。主要有5个技术研发项目项，2个产业化推广策略。
5个技术研发项目项分别是：
a.电波机芯的整体设计方案；
b.电路设计和软件开发；
c.机械传动和操控方式设计；
d.精密度的保证；
e.整体功耗的控制与降低。
7.1电波机芯的整体设计方案开发
电波信号接收灵敏度是电波机芯水平的核心考核关键指标。接收灵敏度的提升，不仅可以扩大电波钟表地域推广与应用范围，同时可以提升电波机芯的总体性能并简化后续系列相关设计的难度。整体设计方案是保证接收灵敏度的关键，是一个系统工程，涉及材料、结构、电路、软件。
本专题的研究主要包括：（1）对天线的研究，通过寻找、比较、测试，选用适应于特定波长的铁氧体软磁材料，设计用于各种类型钟表的天线结构和尺寸，形成系列规格，供各种类型和尺寸的电波钟表选用；（2）研究各种机械零部件和电子元器件的材料和布局对信号输入回路、主要是选频回路的应响，确定对天线参数的补偿方法和补偿量；（3）分析单电机和双电机控制驱动的优缺点，确定控制和驱动方式；（4）通过分析比较，选择接收芯片和控制芯片，确定软硬件配置。
7.2电路设计和软件开发
根据整体设计方案，进行具体接收电路的设计，确定元器件型号和参数，根据整体设计方案确定的芯片开发软件。该项内容必须基于反复大量的实验，除必须的通用测试仪器仪表，需要研制专用的仪器仪表和装置，所有硬件和软件测试，必须同时在电磁屏蔽环境中和实际电磁环境中进行，以确保设计的可靠性。
7.3机械传动和操控方式的研究和设计
指针式电波手表的机械传动系统比传统石英手表复杂的多，机械操控系统也必须全自动，该项内容主要包括：（1）基于双电机驱动的机械传动系统设计，即秒针和分针、时针分别控制驱动；（2）研发指针位置检测装置。指针式电波手表是根据接收到的标准时间信号与钟表本身的计时进行比较，计算出误差值，通过操控机械系统使指针追赶或等待标准时间，以消除误差。为了保证指针的瞬时位置与钟表本身的计时一致，指针位置检测装置是必须的，也是指针式电波手表的关键技术之一，其设计和加工都有相当的难度。
7.4精密度的保证
控制指针式电波手表机芯机械传动系统自身的走时精准度，该项目标通过机械传动系统的材料试验与选择及充分发挥钟表行业所特有的“精密加工”工艺与技术来提高机芯走时精准度的水平。
7.5整体功耗的控制与降低
该项研发包括两个方面：（1）改进马达设计，调整脉冲宽度，拟采用自反馈式马达设计，同时提高加工工艺水平，从而降低功耗；（2）一步到位采用“太阳能”供电，以“太阳能”为动力源的设计运行，彻底解决电波钟表功耗大的问题，免除用户更换电池的麻烦，消除废旧电池对环境的污染。
八、开发的可行性
该项目已经通过试验确定了关键技术及创新点实施的可行性，分别是：
1．软件滤波及抗干扰；
2．自反馈式驱动电机技术；
3.高灵敏度的磁传感器型天线；
1）软件滤波及抗干扰
无线电授时信号经过长距离传输后，受各种因素的影响，波形已严重变形，并且叠加了各种杂波，电波表接收到信号后，要滤出杂波恢复原形，同时避免电波表本身电磁系统对其二次污染，是电波表技术的关键和难点。
我们通过多年的研究和经验积累，研发出软件滤波、软件抗干扰等独有技术，使时码解码效率和解码可靠性超过国外，而且简化了硬件电路。这一技术已成功应用到我们现有数字显示的电波表上，效果很好。
2）自反馈式驱动电机技术
光动能全制式响闹背光电波手表机芯的机械传动机构是由一个或多个步进电机驱动的，在不接收信号时，表的主要功耗就是步进电机的功耗。步进电机是由控制电路给出脉冲信号驱动的，即每给一个脉冲，步进电机的转子就会转过一个角度，进而通过机械传动机构带动指针转动。为了使步进电机可靠运转，普通步进电机需要一个宽脉冲，宽脉冲对于步进电机正常运转所需的脉冲宽度有一个较大的富裕量，较大的富裕量造成了电能的浪费。
我们拟采用自反馈式驱动电机.即在已有驱动线圈的基础上增加了感应线圈，使其组成自耦线圈。该线圈通过感应侦测，耦合到驱动控制电路的输入端，驱动控制电路通过运算判别，输出相适应的驱动信号给电机，使电机能根据不同的算式对象，分别输出不同的扭力，带动轻负载或重负载，而不致于产生停走和浪费电能的现象。这种步进电机不仅用于电波表，对于传统石英表技术改进和升级也有积极意义。
3）高灵敏度的磁传感器型天线
天线是电波表信号输入回路中最重要的部件。提高天线的性能，是在现有电波表技术水平下提升接收灵敏度最有效的途径。长波无线电波的优势之一是可以采用铁氧体磁棒天线作为信号输入端。现有电波表天线均采用中波铁氧体材料。用中波铁氧体代替长波铁氧体，使得同样结构尺寸的天线接收灵敏度大为降低，要达到理想的接收灵敏度就不得不增大天线的结构尺寸，电波表机芯往往受到空间限制而不允许采用大尺寸天线。本项目通过寻求、比较、测试、研究适用于特定波长的天线材料，将铁氧体、磁棒环天线和其临近的金属表壳看成一个天线单元，通过线网法计算金属表壳的电流分布，从而得到铁氧体磁棒天线的辐射方向图、输入阻抗等最佳参数。
九、产品推广策略
1.形成下游配件、加工市场配套
光动能全制式响闹背光电波手表的投产，所使用的配件以及加工，在我省将形成产业链，带动下游配件的产业以及加工业的兴起，对带动我省轻工业的发展，具有积极意义。
2.产业化推广技术路线
2.1 生产制造标准与工艺的确定
对车间环境的要求、设计、电波源的布局、强度、生产工艺等方面建立统一的标准与要求，以保证产品品质控制的一致性。
通过实践与摸索、制定了符合ISO9001体系的管理手册与程序文件，生产与制造管控措施，以便该项目的产业化推广。
2.2 品控程序及检测方法的制定
“品控程序及检测方法的制定”是产业化推广必备的基本条件之一。通过实践，全面提交了IQC、PQC、FQC程序与标准，并制定了标准化检测的条件与检测方法。
2.3 工业设计与产品转化
研发的目的在于推广与应用，通过该项目研发，可设计一系列的光动能全制式响闹背光电波手表。
十、功能及主要技术指标
该指针或液晶显式电波手表，带有响闹和背光功能，可接收中国、英国、美国、日本、德国信号，辅助光能供电。
1.主要功能
• 可接收中国、英国、美国、日本、德国信号；
•具备闹钟功能；
• 具备背光功能；
• 无光情况下可工作大于180天（6个月）；
•时区可设置24个城市；
• 有充电和低电压警告符号；
• 在黑暗中3天，手表处于睡眠状态；
• 按任意键或照明键激活睡眠功能。
2.主要技术指标
作者简介：
蒋维，男，美国密西根大学学士，主要从事钟表计时产品研发
论文作者:蒋维
论文发表刊物:《电力设备》2015年4期供稿
论文发表时间:2015/12/7
标签：电波论文; 钟表论文; 手表论文; 信号论文; 时间论文; 长波论文; 技术论文; 《电力设备》2015年4期供稿论文;