基于ATmega128的GPS時(shí)鐘設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘  要：介紹了采用GPSOEM接收板的精確授時(shí)功能來實(shí)現(xiàn)精密時(shí)鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和方法，給出基本的硬件電路和軟件流程并基于ATmega128單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)GPS時(shí)鐘的提取并在LCD上顯示。
關(guān)鍵詞：GPS  ATmega128  高精度時(shí)鐘  液晶顯示

1.引言

GPS（Global Positioning System）全球定位系統(tǒng)是利用美國(guó)的24顆GPS地球衛(wèi)星所發(fā)射的信號(hào)而建立的導(dǎo)航、定位、授時(shí)的系統(tǒng)。目前，GPS系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用在導(dǎo)航、大地測(cè)量、精確授時(shí)、車輛定位及防盜等領(lǐng)域。

GPS授時(shí)功能是其主要功能之一。時(shí)間信號(hào)的準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到人們的日常生活、工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展。GPS時(shí)鐘為滿足精密定位和導(dǎo)航的需要，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)之初就建立了自己專用的時(shí)間系統(tǒng)，該系統(tǒng)簡(jiǎn)寫為GPST，它由GPS主控站的高精度原子鐘守時(shí)和授時(shí)。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、GPS定位技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，以及GPS OEM板價(jià)格的降低，GPS時(shí)鐘已經(jīng)具備了為各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域提供高精度授時(shí)的可能性。

本文旨在通過利用GPS所提供的精確授時(shí)功能，采用單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)適合于需要精確授時(shí)的高精度時(shí)鐘系統(tǒng)，并通過LCD進(jìn)行顯示。

2.GPS授時(shí)原理

GPS時(shí)間系統(tǒng)是由GPS系統(tǒng)定義和使用的時(shí)間系統(tǒng)。衛(wèi)星定位系統(tǒng)以時(shí)間為基本觀測(cè)量,由于衛(wèi)星高速飛行，因此要求時(shí)間系統(tǒng)必須十分精確，否則就會(huì)帶來很大的距離誤差。GPS時(shí)間系統(tǒng)以原子頻率標(biāo)準(zhǔn)作為時(shí)間基準(zhǔn)，以1980年1月6日0時(shí)作為起點(diǎn)。它不存在跳秒，它的時(shí)間與協(xié)調(diào)時(shí)秒以下的差異可以保持在100微妙內(nèi)，并定期公布誤差，在星歷文件中發(fā)布的衛(wèi)星鐘差就是相對(duì)GPS時(shí)間系統(tǒng)的鐘差。

GPS 授時(shí)的基本原理是: 衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息, 用戶接收到這些信息后,經(jīng)過計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置、三維方向以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息。這里只需要 GPS 授時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間信息。若設(shè)(x,y,z)為接收機(jī)的位置, (x_n,y_n,z_n)為已知衛(wèi)星的位置, 則解下列方程就可以得 x,y,z到和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間 T:

(x-x₁)²+(y-y₁)²+ (z-z₁)² =C²(T+ T-T₁ - ₁)

(x-x₂)²+(y-y₂)²+ (z-z₂)² =C²(T+ T-T₂ - ₂)

(x-x₃)²+(y-y₃)²+ (z-z₃)² =C²(T+ T-T₃ - ₃)

(x-x₄)²+(y-y₄)²+ (z-z₄)² =C²(T+ T-T₄ - ₄)

其中△T為用戶時(shí)鐘與 GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)差；T_n 為衛(wèi)星 n 所發(fā)射信號(hào)的發(fā)射時(shí)間； 為衛(wèi)星 n 上的原子鐘與GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)差^[1]。

3.本系統(tǒng)構(gòu)成及硬件軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 本設(shè)計(jì)采用GPS板介紹

本設(shè)計(jì)采用THALES-NACIGATION公司生產(chǎn)的A12 GPSOEM接收板，它采用了先進(jìn)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)手段，具有尺寸小、功耗低、性能穩(wěn)定、性價(jià)比高等優(yōu)良特性。利用它可以方便、快速地開發(fā)出各種GPS應(yīng)用系統(tǒng)。其主要性能指標(biāo)如下：

接收通道——12通道并行接收，可同時(shí)跟蹤12顆衛(wèi)星；

授時(shí)精度——小于400ns，無累計(jì)誤差；

數(shù)據(jù)更新時(shí)間——1s；

體積和重量——39mm×60mm×10mm，約重40g；

數(shù)據(jù)輸出格式——NMEA-0183 v2.0；RTCM-sc104 v2.0；

環(huán)境工作溫度——-30℃～+80℃；

正常工作參數(shù)——電壓5（1±0.05）V；電流70mA。

圖1  GPSOEM板A12

GPSOEM板提供硬件接口如表1所示：

表 1   GPS輸出接口定義

其輸出數(shù)據(jù)邏輯電平為 TTL 電平，這樣能夠很方便地與單片機(jī)相連。格式位默認(rèn)為：波特率4800，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無奇偶校驗(yàn)位。GPS輸出數(shù)據(jù)采用NME-0813格式輸出，數(shù)據(jù)代碼采用ASCII碼字符，本設(shè)計(jì)采用NME-0813中RMC格式，下面是GPS輸出的一組數(shù)據(jù)：$GPRMC,140736.00,A,3800.9040,N,11226.5364,E,00.0,355.6,121106,04,W,D*3B，其中140736.00代表14時(shí)07分36.00秒，121106代表06年11月12日，根據(jù)系統(tǒng)需要，我們需要提取這個(gè)數(shù)據(jù)。GPS所得時(shí)間為格林尼治時(shí)間（零時(shí)區(qū)），要得到北京時(shí)間（東八區(qū)）一定要將提取到的世界時(shí)加上 8 h 才是北京時(shí)間。

3.2 系統(tǒng)組成及其實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)選用ATmega128單片機(jī)，它有豐富的外部資源，利用它的USART1與GPS接收機(jī)通信：

   

其總體硬件連接如圖2所示。

圖2  GPS時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)

       液晶顯示器采用含控制器S1D15G14的3510i彩色液晶顯示，S1D15G14附帶有LCD電源驅(qū)動(dòng)電路的LCD驅(qū)動(dòng)器，可在單片上實(shí)現(xiàn)彩色顯示，能顯示4096色，分辨率是98x67。它與單片機(jī)ATmega128采用串口連接。

主程序提取GPS數(shù)據(jù)采用查詢方式^[2]，

圖3   程序流程圖

GPS時(shí)鐘在ATmega128上軟件實(shí)現(xiàn)^[3] (其中LCD函數(shù)為顯示函數(shù))：

              if(USART1_Receive() == '$')            // USART1_Receive()為串口接收函數(shù)

              {  while((gps_data_buff[counter ++] = USART1_Receive()) != '*'); 

              data = 1;  j = 0; i = 0 ;             //接收數(shù)據(jù)放入gps_data_buff[ ]數(shù)組當(dāng)中

                     for (i=0;i<69;i++)  

                     {if(gps_data_buff[i] == ',')

                            {     data ++ ; j = 0;

                            }

                            switch(data)

                            {     case 1: break;

                                   case 2: time[j ++] = gps_data_buff[i + 1];time[j] = '