基于GPS的授時(shí)服務(wù)器的設(shè)計(jì)

 引言

        全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）自從建成以來(lái)，得到了廣泛的應(yīng)用，在航天、軍事、經(jīng)濟(jì)、通信、電力、交通等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。授時(shí)系統(tǒng)的功能是使鐘表或測(cè)量?jī)x器的時(shí)鐘與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間達(dá)到精確同步。通?？捎迷隅妬?lái)保證儀器的時(shí)間與國(guó)標(biāo)時(shí)間達(dá)到精確同步，但是原子鐘價(jià)格昂貴。常用的授時(shí)方法主要有無(wú)線電授時(shí)、衛(wèi)星授時(shí)、網(wǎng)絡(luò)授時(shí)等。其中利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行物體定位、時(shí)鐘授時(shí)與同步數(shù)據(jù)采集控制,可以達(dá)到傳統(tǒng)測(cè)量控制手段所不及的精確程度，同時(shí)可以獲得本地定位信息等數(shù)據(jù)。這種衛(wèi)星定位授時(shí)同步技術(shù)在航空航海、陸上交通、科學(xué)考察、極地探險(xiǎn)、地理測(cè)量、氣象預(yù)報(bào)、設(shè)備巡檢、系統(tǒng)監(jiān)控等方面得到廣泛應(yīng)用。GPS時(shí)鐘采用世界協(xié)調(diào)時(shí)-UTC，在GPS衛(wèi)星上載有與UTC時(shí)間同步的銫原子鐘，成為一種空間的時(shí)間基準(zhǔn)，用戶可接收GPS衛(wèi)星的時(shí)間服務(wù)信號(hào)，校正本機(jī)時(shí)鐘，與GPS時(shí)鐘同步，完成時(shí)間傳遞任務(wù)，稱為GPS授時(shí)。

2 工作原理

        GPS授時(shí)服務(wù)器主要由AT89S52單片機(jī)、LCM顯示模塊和GPS OEM 模塊 GPS25-LVS以及輸出模塊等組成。它能夠顯示經(jīng)緯度、北京時(shí)間、速度等實(shí)時(shí)信息，其系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。

 
        單片機(jī)作為主控制器，對(duì)GPS25-LVS模塊進(jìn)行初始化，GPS25-LVS模塊接收衛(wèi)星傳送的信號(hào)，輸出NMEA-0183格式語(yǔ)句，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的解算處理，最后送至LCM液晶顯示模塊進(jìn)行顯示，同時(shí)由輸出模塊提供多種電氣特性的秒脈沖（1PPS）信號(hào)。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 GPS OEM模塊的選擇

        GARMIN公司的GPS25-LVS系列OEM板[4]采用單一5V供電，內(nèi)置保護(hù)電池，RS232、TTL兩種電平自動(dòng)輸出NMEA 0183 2.0格式(ASCII字符型)語(yǔ)句，是目前應(yīng)用最廣泛的GPS接收處理板之一，能滿足各種導(dǎo)航和授時(shí)領(lǐng)域的需求。具有很高的性價(jià)比和強(qiáng)有力的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，其主要性能特點(diǎn)如下：

并行12通道，可同時(shí)接收12顆衛(wèi)星
定位時(shí)間：重捕<2sec，熱啟動(dòng)為15sec，冷啟動(dòng)45sec，自動(dòng)搜索90sec
定位精度：15mRMS/差分時(shí)<5m
可接收實(shí)時(shí)差分信號(hào)用于精確定位，信號(hào)格式為RTCM SC-104，波特率自適應(yīng)。
1PPS秒脈沖信號(hào)輸出，精度指標(biāo)高達(dá)10-6秒
雙串口（TTL）輸出，波特率可由軟件設(shè)置(1200～9600)
靈敏度：-166Dbw
天線接口：50ohm MCX 接頭有源天線(5V)

3.2 GPS25-LVS 模塊的數(shù)據(jù)輸出格式

        GPS25-LVS的通信波特率默認(rèn)值為4800，1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無(wú)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(guó)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(yǔ)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)。GPS25-LVS系列OEM板可輸出12句語(yǔ)句，分別是GPGGA，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG，LCGLL，LCVTG，PGRME，PGRMF，PGRMT，PGRMV，GPGLL。

3.3 GPS OEM 與AT89S52 的連接

        GPS25-LVS OEM 板有2個(gè)串行口, 其串口2 用來(lái)接收RTCMSC2104 版本2. 1 的GPS 差分信息，相位數(shù)據(jù)輸出。串口1 是異步串行數(shù)據(jù)通信接口，因此可與AT89S52 單片機(jī)進(jìn)行異步串行數(shù)據(jù)通信。由于串口配置的電平為標(biāo)準(zhǔn)的RS-232電平，而AT89S52 單片機(jī)的輸出電壓為0～5V 的TTL 電平,二者的電壓規(guī)范不一致，所以不能直接進(jìn)行通訊. 為使TTL 電平與RS-232 標(biāo)準(zhǔn)兼容，采用了MAXIM 公司的多路發(fā)送，接收集成芯片MAX232，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與OEM 板的串行通信。GPS25-LVS OEM板初始化后，還會(huì)輸出秒脈沖信號(hào)。1pps信號(hào)由CPLD處理后一路作為單片機(jī)的外部中斷源，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間信息的同步處理，另外也用來(lái)監(jiān)測(cè)信號(hào)是否正常。

3.4 矩陣鍵盤及LCM顯示

        設(shè)計(jì)2×4 矩陣鍵盤，可以在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)響應(yīng)用戶的操作。按鍵有 “菜單”、“向上”、“向下”和“清除”等功能。單片機(jī)程序運(yùn)行中實(shí)時(shí)檢測(cè)按鍵操作，當(dāng)有按鍵按下后，進(jìn)行去抖、掃描等操作，取得按鍵的鍵值,根據(jù)鍵值和當(dāng)前狀態(tài)，執(zhí)行不同代碼以實(shí)現(xiàn)鍵盤復(fù)用。

        在系統(tǒng)中, 使用HTM4002A的點(diǎn)陣圖形液晶模塊，該模塊使用S6A0069控制驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置國(guó)標(biāo)一、二級(jí)字庫(kù)，該液晶模塊不僅顯示字符、漢字，而且也可以顯示連續(xù)、完整的圖形。 該模塊使用單電源5V供電，無(wú)需負(fù)壓。

3.5 邏輯電路及輸出

        邏輯電路主要由CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用了Altera的 MAX 7000S系列的EPM-7128，基于電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）的MAX7000產(chǎn)品采用先進(jìn)的CMOS工藝制造，提供從32到512個(gè)宏單元的密度范圍，速度達(dá)3.5 ns的管腳到管腳延遲。支持在系統(tǒng)可編程能力（ISP），可以在現(xiàn)場(chǎng)輕松進(jìn)行重配置。

        EPM-7128產(chǎn)生本地秒脈沖，它在有GPS秒脈沖時(shí)不起作用，在失去GPS信號(hào)時(shí)代替GPS給單片機(jī)提供秒脈沖輸出。如圖2所示，信號(hào)1即為本地秒脈沖，它是依據(jù)前1S的1PPS信號(hào)上升沿為起始時(shí)刻，定時(shí)1S得到的，同時(shí)為了在一定誤差情況下使自產(chǎn)生的脈沖不至于覆蓋正常工作時(shí)的GPS秒脈沖，所以加了一段延時(shí)△t，而在檢測(cè)到失去GPS信號(hào)時(shí)，就要去掉△t，以代替GPS秒脈沖。信號(hào)2為EPM-7128輸出的一個(gè)窄脈沖信號(hào)，用來(lái)屏蔽脈沖干擾，它分布在GPS秒脈沖上升沿兩側(cè)，與GPS秒脈沖進(jìn)行與操作。在窄脈沖之外的脈沖干擾就會(huì)被屏蔽。這樣就實(shí)現(xiàn)了防止GPS信號(hào)失效和抗干擾脈沖功能。

        輸出模塊包括MAX232、DS90C031、74HC245等多種芯片，它們將EPM-7128的輸出轉(zhuǎn)換為232、差分及TTL等多種電氣特性的秒脈沖信號(hào)的輸出，為各種應(yīng)用提供便捷的解決方案。

4 軟件設(shè)計(jì)

        本系統(tǒng)采用C51編程[2]實(shí)現(xiàn)，主程序流程見(jiàn)圖3.首先初始化，OEM板輸出的數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)流的形式輸出，采集的起始時(shí)刻未必是一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始時(shí)刻，所以在數(shù)據(jù)采集時(shí)，必須先判斷字頭塊，在接收到字頭塊后，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。設(shè)定單片機(jī)的波特率為4800bit/s，使其與GPS OEM 板的傳輸波特率一致。給OEM 板發(fā)送一條指令，使其發(fā)送的0183 數(shù)據(jù)格式為“＄GPGGA”，該指令預(yù)先存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器里，用循環(huán)方式順次從程序存儲(chǔ)器里取出數(shù)據(jù)就可循環(huán)發(fā)送，然后OEM 板將輸出相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)。單片機(jī)對(duì)接收的信息進(jìn)行判斷，由于接收到的時(shí)間是協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC），因此在此時(shí)間上加上8小時(shí)才是準(zhǔn)確的北京時(shí)間，并對(duì)時(shí)間信息做相應(yīng)的處理，然后進(jìn)行顯示。

5 結(jié)論

        本文采用的GPS OEM 板的串口輸出的協(xié)調(diào)世界時(shí)進(jìn)行授時(shí)，其操作簡(jiǎn)便，實(shí)用性強(qiáng)，并且提供了豐富的秒脈沖接口，能滿足大多數(shù)用戶的要求。在GPS信號(hào)正常時(shí)具有較高的精度，授時(shí)系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，誤差小于100ns，結(jié)果較為滿意。在GPS信號(hào)失效時(shí)也能保證相當(dāng)?shù)木_性，但其精度和穩(wěn)定度與恒溫晶振的頻率精度和穩(wěn)定度有直接的關(guān)系，如果CPLD采用精度更高的時(shí)鐘信號(hào)，結(jié)果將會(huì)更為理想。