GPS高精度的時鐘的設(shè)計和實現(xiàn)

 摘要：介紹采用GPS、OEM接收板來實現(xiàn)精密時鐘系統(tǒng)的設(shè)計思路和方法，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)射的信號而建立的導航、定位、授時的系統(tǒng)。美國政府已承諾，在今后相當長的一段時間內(nèi)，GPS系統(tǒng)將向全世界免費開放。目前，GPS系統(tǒng)廣泛地應用在導航、大地測量、精確授時、車輛定位及防盜等領(lǐng)域。因此，開展對GPS系統(tǒng)的研究和應用，將極大地提高生產(chǎn)力，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。本文旨在通過利用GPS所提供的精確授時的功能，采用單片機技術(shù)，設(shè)計適合于需要精確授時的高精度時鐘系統(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，由于采用了先進半導體設(shè)計手段，它具有尺寸小、功耗低、性能穩(wěn)定、性價比高等優(yōu)良特性。利用它，可以方便、快速地開發(fā)出各種GPS應用系統(tǒng)。其主要性能指標如下：

接收通道——11通道并行接收，可同時跟蹤11顆衛(wèi)星；

授時精度——小于400ns，無累計誤差；

數(shù)據(jù)更新時間——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同時提供12腳接口（J3）和5腳接口（J4）。本設(shè)計中采用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連接連接，無須電平轉(zhuǎn)換。同時，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服務的測量系統(tǒng)。在此，我們僅使用其時鐘信息，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個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，無奇偶校驗。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)會為海用電子設(shè)備制定的標準格式，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，在許多高級語言中都可以直接進行判別、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 日期和時間

GPVTG 方位角對地速度

例如，GPZDA為時間和日期輸出語句，其標準格式如下：

又如，$GP GGA為定位導航數(shù)據(jù)輸出語句，其標準格式如下：

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

3 應用電路和程序設(shè)計

在設(shè)計該時鐘系統(tǒng)時，我們采用的單片機是Motolola公司的MC68HC08的通用芯片MC68HC908GP32。該芯片以它的高性能、低功耗、低價位獲得了廣泛的應用，其主要特性為：

①32KB片內(nèi)Flash存儲器，具有在線可編程能力和保密功能；

②512B片內(nèi)RAM；

③增強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，程序流程如圖2所示。

單片機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個字節(jié)的臨時存儲空間

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個字符

STA TEMP ；將其存放臨時空間

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

……

；時鐘驅(qū)動與顯示模塊

……

；返回START重新接收下一組消息

GETDATA：BRCLR 5，SCS1，GETDATA

LDA SCRA

RTS

4 結(jié)論

時間信號的準確與否，直接關(guān)系到人們的日常生活、工業(yè)生產(chǎn)和社會發(fā)展。由于計算機技術(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板價格的降低，已經(jīng)具備了為各個應用領(lǐng)域提供高精度授時的可能性。

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