GPS高精度的时钟的设计和实现

Taio

GPS高精度的时钟的设计和实现

( o( e3 F0 @7 L% D  k+ v    摘要：介绍采用GPS、OEM接收板来实现精密时钟系统的设计思路和方法,给出基本的硬件电路和软件流程。
    关键词：GPS GPS OEM 串口通信
1 概述
GPS（Global Positioning System）全球定位系统是利用美国的24颗GPS地址卫星所发射的信号而建立的导航、定位、授时的系统。美国政府已承诺,在今后相当长的一段时间内,GPS系统将向全世界免费开放。目前,GPS系统广泛地应用在导航、大地测量、正确授时、车辆定位及防盗等领域。因此,开展对GPS系统的研究和应用,将极大地提高生产力,并产生巨大的经济效益。本文旨在通过利用GPS所提供的正确授时的功能,采用单片机技术,设计适合于需要正确授时的高精度时钟系统。
GSU-16是日本光电（KODEN）公司生产的并行11通道GPS OEM接收板,由于采用了先进半导体设计手段,它具有尺寸小、功耗低、性能稳定、性价比高等优良特性。利用它,可以方便、快速地开发出各种GPS应用系统。其主要性能指标如下：
接收通道——11通道并行接收,可同时跟踪11颗卫星;
授时精度——小于400ns,无累计误差;
2 H# I: J; K4 l  m' _$ w0 [9 d数据更新时间——1s;
体积和重量——65mm×35mm,约重40g（含锂电池）;
数据输出格式——NMEA-0183 v2.0;RTCM-sc104 v2.0;
& m+ U1 K1 U) j环境工作温度——-30～+75℃;
正常工作参数——电压5（1±0.05）V;电流100mA;功耗100mW。

3 e" C) k  W8 ?5 c2 GSU-16的硬件接口和软件接口
# ^- J' s$ s9 n$ H! f* d（1）硬件接口
GSU-16同时提供12脚接口（J3）和5脚接口（J4）。本设计中采用5链接口J4,各引脚的功能如表1所列。

表1
$ U, V# U3 Y  I6 }

接口编号	信号名称	功   能
1	GND	电源地
2	backup in	备份电源输入,3V时消耗2μA
3	SD1	串行输出
4	RD1	串行输入
5	+5V	主供电电源输入

GSU-16的RD1脚为RS232C的通信接口,其逻辑电平为TTL电平。这样能够很方便地与各种单片机连接连接,无须电平转换。同时,12脚接口还提供了高精度的秒脉冲输出,可用于需要更高精度定时服务的测量系统。在此,我们仅使用其时钟信息,故只需在其输出的ASCII数据中直接提取即可。
（2）软件接口
8 Q1 }4 M8 _6 T/ g& A! K* MGSU-16的通信波特率为4800,1个起始位,8个数据位,1个停止位,无奇偶校验。通常使用NMEA-0183格式输出,数据代码为ASCII码字符。
NMEA-0183是美国海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式,目前广泛使用V2.0版本。由于该格式为ASCII码字符串,比较直观和易于处理,在许多高级语言中都可以直接进行判别、分离,以提取用户所需要的数据。
- M+ i/ X5 w% D' c3 d; m/ k3 X% F# C$ {NMEA-0183主要语句中,最常见的几种格式为：
GPGGA GPS定位数据
2 q8 E; `1 C, oGPGLL 地址位置和经纬度
GPZDA 日期和时间
3 u9 F2 b' ^3 L" F+ T1 O" KGPVTG 方位角对地速度
& j' A! p( x7 Q7 n例如,GPZDA为时间和日期输出语句,其标准格式如下：
" }. _- ~( d+ D; }. A
5 u8 V5 m: I: U: A1 h; q又如,$GP GGA为定位导航数据输出语句,其标准格式如下：

# s" l+ q- u3 }9 K7 j/ H+ M& i在具体使用时,可以在收到一条消息后,用软件来判别消息引导头是否为“$GPZDA”或“$GPGGA”来确认收到的消息正确与否,然后从消息中提取世界时,一定要注意将提取到的世界时加上8小时才是北京时间,而且软件还必须对16：00～24：00世界时作相应的处理,以转换为正确的北京日期和时间。
3 应用电路和程序设计
+ Y; A4 J" D# V1 w. r在设计该时钟系统时,我们采用的单片机是Motolola公司的MC68HC08的通用芯片MC68HC908GP32。该芯片以它的高性能、低功耗、低价位获得了广泛的应用,其主要特性为：
: R" j" ]( U$ d# @: Q6 @3 I0 t①32KB片内Flash存储器,具有在线可编程能力和保密功能;
②512B片内RAM;
7 ~6 l8 f5 n' Z, v③增强型串行通信口和串行外围接口;
! r" _7 t% P" f5 y6 _④支持C语言。
8 s0 w2 |+ v) H- d9 }  K其接口电路可按图1设计,程序流程如图2所示。
3 M% F  E% n6 D6 F+ b单片机初始化程序样例如下：
SCBR EQU $0019
SCC1 EQU $0013
, s1 r+ S( d( y. i/ B3 M; pSCC2 EQU $0014
SCC3 EQU $0015
7 Q$ S( s+ w1 zSCS1 EQU $0016
SCS2 EQU $0017
& a: Y& O7 G6 X7 R( m! p! xSCDR EQU $0018
4 x5 d0 i) x0 Z8 N, s6 r) G- ]5 NTEMP EQU $40 ;定义1个字节的临时存储空间
ORG $8000 ;定义程序的起始位置
INIT：LDA#%00100010;初始化开始
STA SCBR ;波特率定义
/ C) I; I% _! f. K6 o" VLDA #%01000000
) k( C, _9 p- b* Y5 a/ B- E' mSTA SCC1
2 S: r( c0 m' }/ Q3 ~7 @LDA #%00001100
STA SCC2
. B+ a) \5 s5 @9 M$ ZLDA #%00000000
STA SCC3
START：JSR GETDATA ;接收1个字符
STA TEMP ;将其存放临时空间
CMP #$"$";判是否为“$”符,如不是转START
- p% w. M" D0 }" |……
;判是否为GPZDA信息模块,如不是则转START重新接收
; h& i' f) o8 f: M+ K……
# O6 _8 S8 r6 f4 n) D2 V* ];数据接收与处理模块
! }' |" I+ \  e6 ]# \7 ?……
;时钟驱动与显示模块
; c4 L0 q. K/ Q3 l……
9 K, \$ _) w# f' z" p7 `, Q;返回START重新接收下一组消息
GETDATA：BRCLR 5,SCS1,GETDATA
: S# w- P' x0 d* k: K* XLDA SCRA
RTS
" u& _7 Y# s  ^6 a0 R2 a1 u
/ M, E, K3 P0 u4 ]0 r8 Z4 结论
时间信号的准确与否,直接关系到人们的日常生活、工业生产和社会发展。由于计算机技术、网络技术、通信技术、GPS定位技术等相关技术的发展和礅,以及GPS OEM板价格的降低,已经具备了为各个应用领域提供高精度授时的可能性。
5 p2 b& n8 |% B! p7 oGPS精密时钟主要应用于城市重要公共建筑,如车站、码头、公园、交通路口、标志建筑等场所和电信行业的移动及固定电话报时等方面。它是供了准确的公众时间,为人们的日常生活提供便利,避免了因时钟不准确而带来的不便。同时,也为GPS系统的应用开拓了一个较好的用途,具广泛的现实意义。
! S( u  f. J1 g) q( \

wu6886

看看
8 ]+ s) c0 j9 b