ようやく、基板剥き出しだったRaspberry Pi ZERO 2 Wで動く自作GPS時計が、ケースに入りました。それも3Dプリンターで自作したケースです。
3Dプリンターは面白い。電子工作に使用するスペーサーの大きさも自由に作れる。既製品のスペーサーでは、長さ高さが合わずワッシャー入れたりしていましたよね。
ケースなんかオリジナルが作れる。まぁ、樹脂製だけだし、3DCADで設計するのも案外面倒だけど。それは工夫次第。その工夫を考え思い着いた時が楽しい。
電子工作関係だけで無く、身の回りの小物を作る事も出来るし。そう私の場合、小物ばかりです。
自作GPS時計と簡素に表現するけど、中身はラズパイと1PPS出力付のGNSS受信機キット（このキットは秋月電子の取り扱いでしたが、2023年10月2日現在、秋月電子では取り扱いしていません）を組み合わせたStratum 1 相当のNTPサーバーです。それに7セグLEDで時刻を表示させています。
↓ Raspberry Pi 4（ラズパイ4）使用が1台目、Radpberry Pi Zero 2（ラズパイゼロ2）使用の方が2台目です。
2台目と言っても、時刻表示用基板は古い設計（私の素人設計でJLCPCBに発注）。その基板に7セグLEDや電子部品がハンダ付されたまま放置。最近入手したラズパイゼロ2を使用してみた訳です。
2台同時に作動させると、時刻表示が正しく刻まれている事を容易に確認出来て良い。
↓ 別PC（上記で取り上げたラズパイゼロ2やラズパイ4では無いPC）でntpq -pを実行した結果。以下の画像は数ある結果の1つに過ぎない。だからまーまー良い時もある。けど、jitterだけは何時も悪い。
↑ Wi-Fi接続のみで有線接続出来ないラズパイゼロ2は有線接続のラズパイ4と比べてdelay、offset、jitterが共に悪い。ラズパイゼロ2もラズパイ4も同じルーターに接続、ラズパイゼロ2はWi-Fi（IEEE802.11n（Wi-Fi4）2.4GHz帯）に、ラズパイ4は有線で接続している。pingで往復時間を比べると最大往復時間は3桁もWi-Fi接続のラズパイゼロ2が遅い。
これらの事から、Stratum 1のNTPサーバーとしては、やっぱり有線接続が望ましい？
基準時計に対してそれぞれの時計のズレを比較しました。
その比較する時計は、中古で550円のオーディオタイマー パイオニア DT-11（背面に50Hzと60Hzの切替スイッチ有り）と、数年前に千円位で購入したチプカシのA164Wです。基準にする時計はラズパイと1PPS出力付きGNSS受信キットで自作したStratum 1相応のNTPサーバーです。
↓ 次の画像は、先月2月18日にオーディオタイマーとチプカシの時刻を合わせてから31日間放置した状態です。この撮影時、チプカシは15.7秒遅れていますが、オーディオタイマーは僅か1.4秒早まっただけ。この31日間、オーディオタイマーは最大で3.7秒早まり2.8秒遅れただけです。但し私が気まぐれにデータ取りした範囲での事ですが。
↓ 31日間放置中。
↑ これを見た貴方の様に「このチプカシ16.6秒遅れじゃね？」と思った方々に申し上げますと。チプカシの表示が36秒なので、52.6 – 36 = 16.6秒遅れの様に見えますが、実際は動画のコマ送りで確認すると15.7秒遅れなのです。
↓ 私が気まぐれにデータ取りした散布図。何が気まぐれかと言うとサンプリング周期です。気が向いた時にデータ取りしていたので変動に偏りがあると思います。しかし個別のデータの精度は60fps動画をコマ送りしてデータ取りしたので、多分プラスマイナス0.1秒以内かと。
↓ 31日間（以下の画像は、後日121.1日間の物に入れ替えました。サンプル数は166）に渡る時刻のズレを0.1秒単位でプロット。基準の時計は自作したStratum 1 NTPサーバーです。この時計の0.1秒表示用7セグLEDの表示遅延は0.01秒以下（多分）
商用電源の周波数はやや変動するらしいので、このオーディオタイマーの様な商用電源周波数を利用する時計は、リセットするタイミングが、商用電源周波数変動の中間値で有れば、寄り正しい時刻を刻むのかなぁ。
数十年前の思い出なのですが、ジャンク購入したパタパタ時計が殆ど狂わなくて、「なんかすげ〜じゃん」と思った事が有りました。
前回のプリント基板発注は人生初でした。そしてまた、調子に乗って改良したプリント基板を前回と同じJLCPCBに発注しました。
なんの基板かと言うと、前回と同じ。でも全く同じでは無くて、GPIO Fan用の端子を追加したり、ラズパイ本体に有る電源コネクタに頼らず、この基板にGPIO給電用のUSB Cコネクタを設けたり、7セグLEDを前回より大きい物にしたりして、基板の大きさも前回よりひと回り大きく100mm x 62mmになりました。基板の大きさは2ドルで収めたいので100mm x 100mm以内にしました。
↓ プリント基板 表面
↓ プリント基板 裏面
↑ この基板を見て言いたい事は有るでしょうが、素人設計なので良しとしましょう。ベタグランドにもっとビアが必要かもとか、ノイズのアンテナにならない様にしようとか。私も勉強の為にそれらを意識して設計しようと思いましたが、結構面倒だし、この回路は高周波なんか無いしブレッドボードでも問題無く動くので程々にしました。
今月21日夜にガーバーデータをPCB工場にアップロードして、今年最後の今日12月31日午前に私のプリント基板が届きました。届くのは正月明けかなぁと思っていたので嬉しい。今週の月曜日に発送されて、2ドルちょっとの送料で香港から5日で届いた。今回利用した送料の安いOCS Expressはいい。勿論今回利用したプリント基板工場（JLCPCB）も、また利用したい。
↓ 届いたプリント基板
↑ ランドが金メッキ（無電解金メッキ ENIG）だったら、もっといい感じだったんだろうけど、追加料金$15.80だから我慢。この基板は追加料金ゼロのHASL(with lead)です。
設計は素人の私ですが、プリント基板製造はプロなので見た目は素晴らしいです。この品質で製造に$2、香港からの送料が$2.03、合計$4.03、日本円合計が546円。たったの546円でプリント基板が出来てしまう。自分で蛇目基板に配線したりエッチングするより遥かに良いと私は思う。
「これでハンダ付すれば良いだけ」って、ちょっと待って。実物を手にするとランド間隔が狭い！
ランド間隔は狭い所で2.54mmなんだけど、こんなに狭かったか？ 拡大鏡が必須です。
PCB設計中はPCモニターに拡大して見ていたせいか、実物は小さい！
↓ この基板をRaspberry Pi 4に乗せてみました。基板の乗せられた部品はまだハンダ付されていませんけど。
