基于GPS15xL-W塔鐘控制系統(tǒng)的研究

摘要：針對傳統(tǒng)塔鐘走時存在累積誤差的缺點，提出一種基于GPS15xL-W的塔鐘控制系統(tǒng)，采用89C54RD+單片機作為主控芯片，介紹了系統(tǒng)的硬件電路和工作原理，并給出了相應的軟件設計方法，實現(xiàn)了塔鐘控制系統(tǒng)自動校時功能，從而消除了塔鐘控制系統(tǒng)走時的累積誤差，保證塔鐘控制系統(tǒng)走時的高精度。研究結果表明：該系統(tǒng)運行可靠，具有很好的實用性。
關鍵詞：GPS；自動校時；自動追時；單片機；累積誤差

    隨著城市建設的快速發(fā)展，建筑物上的塔鐘越來越多。目前實現(xiàn)塔鐘自動校時的方式主要有3種：(1)利用收音機接收的報時信號進行校時；(2)利用電視機接收的電視信號進行校時；(3)利用短波接收機接收陜西天文臺的短波授時信號進行校時。然而這3種校時方式所采用的校時信號極易受到外界干擾，可能導致長時間分離不出有效的校時信號。解決這一問題的最好辦法就是采用全球定位系統(tǒng)。近年來，隨著電子技術的發(fā)展，GPS接收機的造價愈來愈低，而且接收的衛(wèi)星信號準確可靠不易受外界環(huán)境干擾，而且其安裝不受地域的限制，一般裝有塔鐘的地方均可安裝，完全滿足了塔鐘控制系統(tǒng)的使用要求。本文介紹了基于GPS15xL-W的塔鐘控制系統(tǒng)。

1 GPS授時原理
    GPS(Global Positioning System全球定位系統(tǒng))是美國于1994年全面建成，集衛(wèi)星導航、定位和定時于一體的多功能系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)主要由三部分組成：空間部分、地面控制系統(tǒng)部分、用戶設備部分?？臻g部分由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成，均勻分布在6個軌道面上，使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4顆以上的衛(wèi)星，并能在衛(wèi)星中預存導航信息。GPS衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時間信息，用戶接收到這些信息后，經(jīng)過計算可求出接收機的三維位置、三維方向、運動速度以及時間信息。本系統(tǒng)中獲知時間信息即可。
    若設接收機的位置為(X，Y，Z)，已知衛(wèi)星的位置為(Xn，Yn，Zn)，其中n=1，2，3，4，則解以下4個方程便可計算出接收機的位置(X，Y，Z)和標準時間T。
   
    式中，C-光速；△T-用戶時鐘與GPS主時鐘標準時間的時差；Tn-衛(wèi)星n發(fā)射信號的發(fā)射時間；τn-衛(wèi)星n上的原子鐘與GPS主時鐘標準時間的時差。
    用戶利用GPS接收機就能全天候、實時、連續(xù)不斷地接收到其發(fā)出的信號，通過對接收的信號進行解碼和處理，從而獲取精確的時間信息，包括1PPS，即秒脈沖信息，其脈沖前沿與國際標準時間(格林威治時間，UTC)的同步誤差不超過1μs，以及經(jīng)RS232串口輸出的與秒脈沖前沿相對應的UTC時間。

2 硬件設計
2．1 系統(tǒng)硬件電路構成
    本系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：單片機控制系統(tǒng)(89C54RD+)、步進電機驅(qū)動電路、GPS接收電路、電源電路、調(diào)節(jié)控制鍵盤電路、顯示電路、報時電路，如圖1所示。

    系統(tǒng)中的塔鐘由步進電機帶動走時，STC89C54RD+以GPS時間信息為基準，輸出步進電機的控制信號。GPS接收機選取美國GARMIN的產(chǎn)品GPS15xL-W模塊，該GPS接受模塊體積小，功耗低，授時精度可達±50 ns(典型值)，可以輸出兩種時間信號，一種是間隔為1 s的同步脈沖信號1PPS，其脈沖前沿與UTC的同步誤差不超過1μs，另一種為包含在串口輸出信息的與1PPS秒脈沖相對應的UTC絕對時間。主控器采用宏晶公司的STC89C54RD+增強型51單片機，通過MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片與GPS15xL-W連接，獲得接收機接收的時間信息，作為塔鐘的時基信號源，送入單片機的RXD端，單片機的P1．0—P1．3設計為輸出端，提供步進電機的步進脈沖信號、方向控制信號以及脫機使能信號。
    由于步進電機需220 V交流電帶動，停電時步進電機不能工作，塔鐘不再走時，因此，系統(tǒng)中引入高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘。電路當檢測到即將停電時(由電源監(jiān)視及檢測電路實現(xiàn))，CPU首先將當前時間寫入DS1302提供的RAM中，然后CPU內(nèi)部所有功能部件都停止工作，僅DS1302芯片由電池供電繼續(xù)走時。上電后，CPU從DS1302中讀取時間數(shù)據(jù)，計算出塔鐘停走的時間，輸出步進電機控制信號，從而控制步進電機帶動塔鐘指針走動，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動追時功能。
    同時，根據(jù)要求，MCU可對塔鐘上的相關設備：霓虹燈、語音芯片(ISD4004)、擴音器等進行控制。另外，通過按鍵，可設置塔鐘的走時基準點。塔鐘的時間數(shù)據(jù)可通過LCD顯示。
2．2 步進電機驅(qū)動電路
    2M2260是一款等角度恒力矩細分型步進電機驅(qū)動器。該驅(qū)動器內(nèi)部采用類似伺服控制原理的電路，此電路可以使電機低速運行穩(wěn)定，幾乎沒有震動和噪音，由于驅(qū)動器工作電壓高，使電機在高速時力矩大大高于其它二相、五相混合式及傳統(tǒng)式步進電機。步進脈沖停止超過100 m／s，驅(qū)動電流自動減半。定位精度最高可達12800步／轉(zhuǎn)。圖2為單片機與2M2260的連接圖。單片機I／O口與步進電機驅(qū)動器之間通過MC1413連接，可增大單片機輸出的驅(qū)動電流。

    圖3為2M2260的信號波形及時序。驅(qū)動器上電后兩秒給步進電機發(fā)送脈沖。驅(qū)動器對步進脈沖要求是低電平為0～0．5 V，高電平為4～5 V，脈沖寬度大于2．5 μs。ENA-接電源地時，驅(qū)動器正常工作，否則，驅(qū)動器停止工作，電機處于自由狀態(tài)。電機正常工作時，若DIR-輸入為低電平，電機沿順時針方向轉(zhuǎn)，反之，電機沿逆時針方向轉(zhuǎn)動。
2．3 報時系統(tǒng)
    報時系統(tǒng)硬件原理見圖4。報時系統(tǒng)由一塊ISD4004語音芯片、揚聲器及外圍電路構成。ISD4004有兩個信號輸入端，一個是錄音信號的同相輸入端ANA IN+，另一個是錄音信號的反相輸入端ANA IN-。ISD4004被啟動后，發(fā)出報時信號，首先是音樂，接著是打點聲。此信號送入LM386，經(jīng)過放大后，推動揚聲器發(fā)聲。

3 軟件設計
    系統(tǒng)軟件設計采用模塊式，設計包括：初始化模塊，串口中斷接收模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，顯示模塊，鍵盤處理模塊，走時模塊。圖5為主程序流程圖。系統(tǒng)初始化模塊包括串口初始化、液晶顯示初始化。串行中斷接收GPS_OEM板的“$ GPRMC”語句。每當正確接收到“$ GPR MC”語句就更新一次顯示，同時送出塔鐘走時的控制信號。

    單片機上電復位，通過串行接口RXD與GPS15XL-W接收機通訊，獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)；另一方面步進電機的指針快速走時，若查詢到按鍵1按下，則此時的位置為塔鐘的走時基準點。若查詢到按鍵2按下，則指針快速走到當前時刻，繼而正常走時。單片機通過P1口與塔鐘控制系統(tǒng)通訊實現(xiàn)塔鐘校時。單片機接收GPS接收機發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，從中篩選出所需要的時間信息。傳送時間信息的指令是$GPRMC，是命令頭，其ASCII碼是24，47，50，52，4D，43，2C。緊隨命令頭的是UTC時間，hhmmss(時分秒)格式。
    此外，單片機接收到的時間數(shù)據(jù)為UTC時間(格林威治時間)，UTC時間與世界各地的時間有時差，例如，UTC時間比北京時間晚8 h，因此，將接收到的UTC時間加上8 h，即為北京時間。在對小時加8的時候，要注意對日期的影響，因為日期涉及到閏年等問題。
    步進電機每獲得一個脈沖指針轉(zhuǎn)過1．8°，但是塔鐘轉(zhuǎn)盤一圈360°，秒針走過一小格，即6°，但是連續(xù)給步進電機三個脈沖，指針只能走5．4°，因此，為了減小誤差，給步進電機發(fā)送脈沖的時序為3—4—3，即單片機按三個脈沖、四個脈沖和三個脈沖給步進電機發(fā)送脈沖，塔鐘指針走過5．4°、7．2°和5．4°，照此循環(huán)發(fā)送，所以每三秒鐘就可以消除指針轉(zhuǎn)動的誤差。
    因此，在軟件設計中，首先判斷當前的時刻的秒值與三相除所得余數(shù)，余數(shù)為0和2，則發(fā)送3個脈沖，若余數(shù)為1，則發(fā)送4個脈沖，以此類推。秒針每轉(zhuǎn)過一圈為一分，即分針走過一小格；分針每轉(zhuǎn)過一圈為一小時，即帶動時針走一大格。塔鐘按上述情況走時。GPS時間信息每秒鐘校正一次塔鐘走時，從而保證塔鐘走時的高精度。

4 結論
    因采用了GPS作為塔鐘走時的標準時鐘源，解決了塔鐘走時不準確的問題，控制系統(tǒng)硬件設計簡單，抗干擾性強，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具有很好的實用性。