GPS高精度的时钟的设计和实现

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GPS高精度的时钟的设计和实现

1 ~: s: H8 v" W2 v/ J6 {, r2 a    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。
2 l; v0 A' o8 l3 G, t3 `/ B9 YGSU-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：
( S$ s8 w1 l) y, C' d$ |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;
数据更新时间——1s;
体积和重量——65mm×35mm,约重40g（含锂电池）;
- u; m, R6 \, z$ z3 E数据输出格式——NMEA-0183 v2.0;RTCM-sc104 v2.0;
1 a) y5 T2 P( Y0 Z' U环境工作温度——-30～+75℃;
4 u4 q2 b: D5 z  N' t+ _正常工作参数——电压5（1±0.05）V;电流100mA;功耗100mW。

( [6 ~) x& s  c3 X, t3 }+ N- G2 GSU-16的硬件接口和软件接口
: [/ E1 G- `- T0 I$ Y3 M/ m（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。

$ P9 [, l5 o( M) g, H0 R% k表1
) F$ I/ s) M  d, X; x# Y

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 ~+ ^/ B% ]; d4 h6 H（2）软件接口
GSU-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。
NMEA-0183主要语句中,最常见的几种格式为：
7 V# e& F. @* I, `4 GGPGGA GPS定位数据
' ^: @* u, A* E8 ~5 g7 ?GPGLL 地址位置和经纬度
5 v7 Q7 U' [" w) L4 b# {  }GPZDA 日期和时间
( z% m$ e2 W% Z* C; H1 T& I; i9 P7 qGPVTG 方位角对地速度
/ i9 D, q, u' r  K  f例如,GPZDA为时间和日期输出语句,其标准格式如下：
0 @# \! Q# X& z( i1 d
# i+ Y8 O' h% w# T4 q9 w又如,$GP GGA为定位导航数据输出语句,其标准格式如下：
) B, Y: y) j( g3 B0 r  y7 `
5 C  R" m; q4 P4 M/ s, L在具体使用时,可以在收到一条消息后,用软件来判别消息引导头是否为“$GPZDA”或“$GPGGA”来确认收到的消息正确与否,然后从消息中提取世界时,一定要注意将提取到的世界时加上8小时才是北京时间,而且软件还必须对16：00～24：00世界时作相应的处理,以转换为正确的北京日期和时间。
/ m: E  W: ^0 q( |9 E& R$ @+ M$ h3 应用电路和程序设计
% `$ T  I4 }9 m. v4 d* {" N& n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：
①32KB片内Flash存储器,具有在线可编程能力和保密功能;
②512B片内RAM;
" b+ i2 Z3 X% F; P: r1 L: l& j5 K③增强型串行通信口和串行外围接口;
④支持C语言。
其接口电路可按图1设计,程序流程如图2所示。
单片机初始化程序样例如下：
SCBR EQU $0019
7 o! v# e; l# m+ y# y( oSCC1 EQU $0013
: D* W$ f; t% W1 K5 Y9 MSCC2 EQU $0014
SCC3 EQU $0015
% T" p. L1 @, i. Y5 }5 nSCS1 EQU $0016
5 O. C! X6 j/ ~- ]4 f2 j% fSCS2 EQU $0017
1 k: B+ q+ l6 m9 D  z& \SCDR EQU $0018
TEMP EQU $40 ;定义1个字节的临时存储空间
- G# e9 I+ g8 n0 `1 a3 J# }ORG $8000 ;定义程序的起始位置
4 Y+ h: v% C; ?! k9 n0 lINIT：LDA#%00100010;初始化开始
STA SCBR ;波特率定义
! v4 F# W4 v+ ^. m, z& N: }7 m& f- fLDA #%01000000
, l' |9 J' N7 r/ W; J! |STA SCC1
LDA #%00001100
STA SCC2
8 w0 h) t- M3 ?! |3 ]LDA #%00000000
STA SCC3
START：JSR GETDATA ;接收1个字符
8 o1 m! {/ M( F8 r$ n2 }; vSTA TEMP ;将其存放临时空间
CMP #$"$";判是否为“$”符,如不是转START
……
5 j8 y* w9 p: X3 ~. B;判是否为GPZDA信息模块,如不是则转START重新接收
……
9 G( |# B0 Z* \3 }0 A9 t5 v; R0 M7 K;数据接收与处理模块
……
;时钟驱动与显示模块
" S9 V" r. k, e2 H! Z) A, b' V( D……
* l6 q$ F, @: L0 p; D;返回START重新接收下一组消息
GETDATA：BRCLR 5,SCS1,GETDATA
) s. m6 U1 x5 f  y( t" I# `( ?LDA SCRA
RTS

5 L7 Q) L) t; j5 U4 结论
7 D/ R$ x! S; [6 n& H; v% b8 N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。
( B; v- I, A; wGPS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。

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