基于GPS的高精度無誤差倒計(jì)時(shí)牌的設(shè)計(jì)

1 引言

    GPS是Global Positioning System的簡稱，是利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測時(shí)和測距的全球定位系統(tǒng)。它具有精度高、全天候和全球覆蓋能力。將GPS應(yīng)用于時(shí)鐘倒計(jì)時(shí)系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間顯示功能?；贕PS的高精度、倒計(jì)時(shí)牌是衛(wèi)星測時(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及通信技術(shù)三者的有機(jī)結(jié)合。從功能模塊上看，整個(gè)系統(tǒng)分為GPS測時(shí)接收系統(tǒng)和時(shí)鐘顯示系統(tǒng)。它主要完成以下功能：

    定時(shí)接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行識別和緩存；
    對GPS測時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，以使編碼格式適于接收；
    在給定時(shí)間內(nèi)刷新DS12C887型時(shí)鐘的時(shí)間；
    讀DS12C887時(shí)間，進(jìn)行倒計(jì)時(shí)換算并顯示。

2 硬件設(shè)計(jì)

    基于GPS的高精度倒計(jì)時(shí)牌的硬件結(jié)構(gòu)較為簡單，包括控制模塊和顯示模塊，如圖1所示。

2.1 控制模塊

    89C51型單片機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，完成對串行口控制器的初始化和數(shù)據(jù)讀寫，還要對接收的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行識別、轉(zhuǎn)儲及顯示。

    由于日本光電公司GSV－15型OEM GPS接收板傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以串行方式輸出一幀10位、波特率為4800bit，MCS－51型單片機(jī)串口輸入輸出格式匹配，所以利用單片機(jī)串行口直接從OEM接收數(shù)據(jù)。

    DS12C887具有提供較高精度年、月、日、時(shí)、分、秒時(shí)間的功能，對其校準(zhǔn)后，在掉電情況下，10年之內(nèi)仍能準(zhǔn)確的進(jìn)行計(jì)時(shí)，并且能與單片機(jī)直接相連。

2.2 顯示模塊

    本系統(tǒng)利用74HC595實(shí)現(xiàn)串行方式控制數(shù)碼管顯示，占用口線少，硬件結(jié)構(gòu)簡單。74HC595型串/并轉(zhuǎn)換移位寄存器具有鎖存和3態(tài)輸出功能。14腳（SER）為串行輸入端；12腳（RCLR）為移位時(shí)鐘端，上升沿將14腳數(shù)據(jù)移入寄存器；11腳（SRCLR）為鎖存時(shí)鐘端，上升沿鎖存數(shù)據(jù)；8腳（E）為3態(tài)輸出控制端，接低電平時(shí)輸出數(shù)據(jù)。

    單片機(jī)輸出數(shù)據(jù)和移位時(shí)鐘，在時(shí)鐘上升沿時(shí)將數(shù)據(jù)移入74HC595。P1.0輸出數(shù)據(jù)，在移位脈沖上升沿到來時(shí)數(shù)據(jù)移出。P1.1輸出移位脈沖。P1.2輸出鎖存脈沖。數(shù)據(jù)出現(xiàn)在并行輸出端上經(jīng)74HC07驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，由于數(shù)據(jù)已被鎖存，在傳送下一組數(shù)據(jù)時(shí)，前一組數(shù)據(jù)的內(nèi)容不變，以此方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送和顯示。由于在控制模塊中已用單片機(jī)的串行口接收OEM板內(nèi)容，所以在顯示模塊軟件中要將P1.0、P1.1、P1.2定義為模擬的串行口。這樣，P1.0、P1.2、P1.3就可作為串行口使用。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序

    包括對單片機(jī)自身機(jī)制的設(shè)置串行口的初始化等，如圖2所示。

3.2 GPS測時(shí)接收

    GPS測時(shí)接收數(shù)據(jù)由串行口接收，由單片機(jī)對其進(jìn)行讀入、識別、轉(zhuǎn)換及存儲等操作，在程序開始時(shí)，首先識別接收信號，看其是否是要接收的信號，OEM板接收的時(shí)間信號的字頭為GPZDA。由于接收的時(shí)間信號是ASCⅡ碼，所以要將接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)。由于接收的時(shí)間為格林威治時(shí)間，所以必須轉(zhuǎn)化為北京時(shí)間，然后將轉(zhuǎn)化后的時(shí)間寫入DS12C887中。DS12C887是一種比較準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)電路，不需要時(shí)刻接收GPS信號。筆者規(guī)定1小時(shí)接收1次GPS信號，其流程如圖3所示。

3.3 時(shí)鐘倒計(jì)時(shí)顯示
    在此程序中模擬串行口，讀DS12C887的數(shù)據(jù)，利用74HC595對其數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，流程如圖4所示。

3.4 倒計(jì)時(shí)子程序

    以計(jì)算從現(xiàn)在到2006年1月1日為例，單片機(jī)讀DS12C887的時(shí)間單元，并將其存放在以69H為起始的單元中。先讀取月份，利用查表的方法計(jì)算其下月份到預(yù)定時(shí)間的天數(shù)。然后再利用查表方式判斷其月份是31天、30天，28天或29天，然后將查表得到的天數(shù)減去讀取日期，這樣將二個(gè)天數(shù)相加就得到實(shí)際天數(shù)。進(jìn)行時(shí)、分、秒的計(jì)算時(shí)，首先把2006年1月1日0點(diǎn)0時(shí)0分0秒轉(zhuǎn)化為2006年12月31日23點(diǎn)59時(shí)60秒，這樣直接利用時(shí)、分、秒相減就得到相差的時(shí)、分、秒。倒計(jì)時(shí)流程如圖5所示。

4 結(jié)束語

    本文所述的基于GPS的高精度、無誤差倒計(jì)時(shí)牌經(jīng)調(diào)試運(yùn)行和參數(shù)整定后，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，連續(xù)長期運(yùn)行積累的誤差為零，當(dāng)時(shí)的時(shí)間精度誤差＜15ms。本系統(tǒng)的控制模塊結(jié)構(gòu)簡單，便于實(shí)際開發(fā)應(yīng)用。