GPS高精度的时钟的设计和实现

 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。

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、精确授时、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所提供的精确授时的功能，采用单片机技术，设计适合于需要精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；

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；

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。

2 GSU-16的硬件接口和软件接口

（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

 

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

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：

GPGGA GPS定位数据

GPGLL 地址位置和经纬度

GPZDA 日期和时间

GPVTG 方位角对地速度

例如，GPZDA为时间和日期输出语句，其标准格式如下：

又如，$GP GGA为定位导航数据输出语句，其标准格式如下：

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

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；

③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

SCC1 EQU $0013

SCC2 EQU $0014

SCC3 EQU $0015

SCS1 EQU $0016

SCS2 EQU $0017

SCDR EQU $0018

TEMP 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

LDA #%01000000

STA SCC1

LDA #%00001100

STA SCC2

LDA #%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

……

；判是否为GPZDA信息模块，如不是则转START重新接收

……

；数据接收与处理模块

……

；时钟驱动与显示模块

……

；返回START重新接收下一组消息

GETDATA：BRCLR 5，SCS1，GETDATA

LDA SCRA

RTS

4 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。

GPS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。