基于GPS的授時服務(wù)器的設(shè)計

 引言

        全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）自從建成以來，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。授時系統(tǒng)的功能是使鐘表或測量儀器的時鐘與國際標(biāo)準(zhǔn)時間達(dá)到精確同步。通常可用原子鐘來保證儀器的時間與國標(biāo)時間達(dá)到精確同步，但是原子鐘價格昂貴。常用的授時方法主要有無線電授時、衛(wèi)星授時、網(wǎng)絡(luò)授時等。其中利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行物體定位、時鐘授時與同步數(shù)據(jù)采集控制,可以達(dá)到傳統(tǒng)測量控制手段所不及的精確程度，同時可以獲得本地定位信息等數(shù)據(jù)。這種衛(wèi)星定位授時同步技術(shù)在航空航海、陸上交通、科學(xué)考察、極地探險、地理測量、氣象預(yù)報、設(shè)備巡檢、系統(tǒng)監(jiān)控等方面得到廣泛應(yīng)用。GPS時鐘采用世界協(xié)調(diào)時-UTC，在GPS衛(wèi)星上載有與UTC時間同步的銫原子鐘，成為一種空間的時間基準(zhǔn)，用戶可接收GPS衛(wèi)星的時間服務(wù)信號，校正本機(jī)時鐘，與GPS時鐘同步，完成時間傳遞任務(wù)，稱為GPS授時。

2 工作原理

        GPS授時服務(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、北京時間、速度等實時信息，其系統(tǒng)原理見圖1。

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

3 硬件設(shè)計

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兩種電平自動輸出NMEA 0183 2.0格式(ASCII字符型)語句，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)航和授時領(lǐng)域的需求。具有很高的性價比和強(qiáng)有力的市場競爭力，其主要性能特點如下：

并行12通道，可同時接收12顆衛(wèi)星
定位時間：重捕<2sec，熱啟動為15sec，冷啟動45sec，自動搜索90sec
定位精度：15mRMS/差分時<5m
可接收實時差分信號用于精確定位，信號格式為RTCM SC-104，波特率自適應(yīng)。
1PPS秒脈沖信號輸出，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個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，無奇偶校驗。通常使用NMEA-0183格式輸出，數(shù)據(jù)代碼為ASCII碼字符。NMEA-0183是美國海洋電子協(xié)會為海用電子設(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，在許多高級語言中都可以直接進(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個串行口, 其串口2 用來接收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，實現(xiàn)單片機(jī)與OEM 板的串行通信。GPS25-LVS OEM板初始化后，還會輸出秒脈沖信號。1pps信號由CPLD處理后一路作為單片機(jī)的外部中斷源，以實現(xiàn)時間信息的同步處理，另外也用來監(jiān)測信號是否正常。

3.4 矩陣鍵盤及LCM顯示

        設(shè)計2×4 矩陣鍵盤，可以在系統(tǒng)運(yùn)行時響應(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)行中實時檢測按鍵操作，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)行不同代碼以實現(xiàn)鍵盤復(fù)用。

        在系統(tǒng)中, 使用HTM4002A的點陣圖形液晶模塊，該模塊使用S6A0069控制驅(qū)動器，內(nèi)置國標(biāo)一、二級字庫，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，無需負(fù)壓。

3.5 邏輯電路及輸出

        邏輯電路主要由CPLD來實現(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秒脈沖時不起作用，在失去GPS信號時代替GPS給單片機(jī)提供秒脈沖輸出。如圖2所示，信號1即為本地秒脈沖，它是依據(jù)前1S的1PPS信號上升沿為起始時刻，定時1S得到的，同時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的GPS秒脈沖，所以加了一段延時△t，而在檢測到失去GPS信號時，就要去掉△t，以代替GPS秒脈沖。信號2為EPM-7128輸出的一個窄脈沖信號，用來屏蔽脈沖干擾，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被屏蔽。這樣就實現(xiàn)了防止GPS信號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的輸出，為各種應(yīng)用提供便捷的解決方案。

4 軟件設(shè)計

        本系統(tǒng)采用C51編程[2]實現(xiàn)，主程序流程見圖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，采集的起始時刻未必是一幀數(shù)據(jù)的開始時刻，所以在數(shù)據(jù)采集時，必須先判斷字頭塊，在接收到字頭塊后，開始采集數(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)存儲器里，用循環(huán)方式順次從程序存儲器里取出數(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)對接收的信息進(jìn)行判斷，由于接收到的時間是協(xié)調(diào)世界時（UTC），因此在此時間上加上8小時才是準(zhǔn)確的北京時間，并對時間信息做相應(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)世界時進(jìn)行授時，其操作簡便，實用性強(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信號正常時具有較高的精度，授時系統(tǒng)經(jīng)實驗室測試，誤差小于100ns，結(jié)果較為滿意。在GPS信號失效時也能保證相當(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采用精度更高的時鐘信號，結(jié)果將會更為理想。