GPS高精度的時(shí)鐘的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

 摘要：介紹采用GPS、OEM接收板來實(shí)現(xiàn)精密時(shí)鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和方法，給出基本的硬件電路和軟件流程。

1 概述

GPS（Global Positioning System）全球定位系統(tǒng)是利用美國的24顆GPS地址衛(wèi)星所發(fā)射的信號(hào)而建立的導(dǎo)航、定位、授時(shí)的系統(tǒng)。美國政府已承諾，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，GPS系統(tǒng)將向全世界免費(fèi)開放。目前，GPS系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用在導(dǎo)航、大地測(cè)量、精確授時(shí)、車輛定位及防盜等領(lǐng)域。因此，開展對(duì)GPS系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，將極大地提高生產(chǎn)力，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。本文旨在通過利用GPS所提供的精確授時(shí)的功能，采用單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)適合于需要精確授時(shí)的高精度時(shí)鐘系統(tǒng)。

GSU-16是日本光電（KODEN）公司生產(chǎn)的并行11通道GPS OEM接收板，由于采用了先進(jìn)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)手段，它具有尺寸小、功耗低、性能穩(wěn)定、性價(jià)比高等優(yōu)良特性。利用它，可以方便、快速地開發(fā)出各種GPS應(yīng)用系統(tǒng)。其主要性能指標(biāo)如下：

接收通道——11通道并行接收，可同時(shí)跟蹤11顆衛(wèi)星；

授時(shí)精度——小于400ns，無累計(jì)誤差；

數(shù)據(jù)更新時(shí)間——1s；

體積和重量——65mm×35mm，約重40g（含鋰電池）；

數(shù)據(jù)輸出格式——NMEA-0183 v2.0；RTCM-sc104 v2.0；

環(huán)境工作溫度——-30～+75℃；

正常工作參數(shù)——電壓5（1±0.05）V；電流100mA；功耗100mW。

2 GSU-16的硬件接口和軟件接口

（1）硬件接口

GSU-16同時(shí)提供12腳接口（J3）和5腳接口（J4）。本設(shè)計(jì)中采用5鏈接口J4，各引腳的功能如表1所列。

表1

GSU-16的RD1腳為RS232C的通信接口，其邏輯電平為TTL電平。這樣能夠很方便地與各種單片機(jī)連接連接，無須電平轉(zhuǎn)換。同時(shí)，12腳接口還提供了高精度的秒脈沖輸出，可用于需要更高精度定時(shí)服務(wù)的測(cè)量系統(tǒng)。在此，我們僅使用其時(shí)鐘信息，故只需在其輸出的ASCII數(shù)據(jù)中直接提取即可。

（2）軟件接口

GSU-16的通信波特率為4800，1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無奇偶校驗(yàn)。通常使用NMEA-0183格式輸出，數(shù)據(jù)代碼為ASCII碼字符。

NMEA-0183是美國海洋電子協(xié)會(huì)為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式，目前廣泛使用V2.0版本。由于該格式為ASCII碼字符串，比較直觀和易于處理，在許多高級(jí)語言中都可以直接進(jìn)行判別、分離，以提取用戶所需要的數(shù)據(jù)。

NMEA-0183主要語句中，最常見的幾種格式為：

GPGGA GPS定位數(shù)據(jù)

GPGLL 地址位置和經(jīng)緯度

GPZDA 日期和時(shí)間

GPVTG 方位角對(duì)地速度

例如，GPZDA為時(shí)間和日期輸出語句，其標(biāo)準(zhǔn)格式如下：

又如，$GP GGA為定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸出語句，其標(biāo)準(zhǔn)格式如下：

在具體使用時(shí)，可以在收到一條消息后，用軟件來判別消息引導(dǎo)頭是否為“$GPZDA”或“$GPGGA”來確認(rèn)收到的消息正確與否，然后從消息中提取世界時(shí)，一定要注意將提取到的世界時(shí)加上8小時(shí)才是北京時(shí)間，而且軟件還必須對(duì)16：00～24：00世界時(shí)作相應(yīng)的處理，以轉(zhuǎn)換為正確的北京日期和時(shí)間。

3 應(yīng)用電路和程序設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)該時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)，我們采用的單片機(jī)是Motolola公司的MC68HC08的通用芯片MC68HC908GP32。該芯片以它的高性能、低功耗、低價(jià)位獲得了廣泛的應(yīng)用，其主要特性為：

①32KB片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器，具有在線可編程能力和保密功能；

②512B片內(nèi)RAM；

③增強(qiáng)型串行通信口和串行外圍接口；

④支持C語言。

其接口電路可按圖1設(shè)計(jì)，程序流程如圖2所示。

單片機(jī)初始化程序樣例如下：

SCBR EQU $0019

SCC1 EQU $0013

SCC2 EQU $0014

SCC3 EQU $0015

SCS1 EQU $0016

SCS2 EQU $0017

SCDR EQU $0018

TEMP EQU $40 ；定義1個(gè)字節(jié)的臨時(shí)存儲(chǔ)空間

ORG $8000 ；定義程序的起始位置

INIT：LDA#%00100010；初始化開始

STA SCBR ；波特率定義

LDA #%01000000

STA SCC1

LDA #%00001100

STA SCC2

LDA #%00000000

STA SCC3

START：JSR GETDATA ；接收1個(gè)字符

STA TEMP ；將其存放臨時(shí)空間

CMP #$"$"；判是否為“$”符，如不是轉(zhuǎn)START

……

；判是否為GPZDA信息模塊，如不是則轉(zhuǎn)START重新接收

……

；數(shù)據(jù)接收與處理模塊

……

；時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)與顯示模塊

……

；返回START重新接收下一組消息

GETDATA：BRCLR 5，SCS1，GETDATA

LDA SCRA

RTS

4 結(jié)論

時(shí)間信號(hào)的準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到人們的日常生活、工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、GPS定位技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和礅，以及GPS OEM板價(jià)格的降低，已經(jīng)具備了為各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域提供高精度授時(shí)的可能性。

GPS精密時(shí)鐘主要應(yīng)用于城市重要公共建筑，如車站、碼頭、公園、交通路口、標(biāo)志建筑等場(chǎng)所和電信行業(yè)的移動(dòng)及固定電話報(bào)時(shí)等方面。它是供了準(zhǔn)確的公眾時(shí)間，為人們的日常生活提供便利，避免了因時(shí)鐘不準(zhǔn)確而帶來的不便。同時(shí)，也為GPS系統(tǒng)的應(yīng)用開拓了一個(gè)較好的用途，具廣泛的現(xiàn)實(shí)意義。