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

    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。
9 A. b; X% F3 z: }    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;
数据更新时间——1s;
8 X1 A+ P: n+ i* Q, C$ F/ r+ t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℃;
- j2 T1 m4 w9 T2 Z  K$ k正常工作参数——电压5（1±0.05）V;电流100mA;功耗100mW。
$ v2 v8 w" M, l( b) P2 m2 v, d
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。

0 ~, H* v: A% T. E9 X# f表1
8 i) K3 w% J2 p0 ?0 U& \$ m

接口编号	信号名称	功   能 ( l# o6 B! R" F
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。
+ B+ {4 r4 A1 c  m6 y  n" m8 \6 z（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：
  y: }0 u  S5 [, h" K" `3 kGPGGA GPS定位数据
8 ]+ S$ G3 L% H- r$ R. XGPGLL 地址位置和经纬度
GPZDA 日期和时间
/ R# {. q5 F* B# xGPVTG 方位角对地速度
! r( H- g+ K! {2 `& J5 I6 B8 h例如,GPZDA为时间和日期输出语句,其标准格式如下：
, N9 `, G" i) x! }3 A6 J
& r1 @$ f4 `; f# V& c# H又如,$GP GGA为定位导航数据输出语句,其标准格式如下：
0 m& l; G0 B$ w( N9 ~1 i' b0 L
: ]- _, n: v+ |1 T& [% J6 x5 ?! p4 Z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, e" S% i; K, `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：
, ]+ G! z( g" xSCBR EQU $0019
SCC1 EQU $0013
SCC2 EQU $0014
SCC3 EQU $0015
1 A2 _* v9 W7 r  b  D% v4 CSCS1 EQU $0016
, D4 [% D; R( l; j& }' JSCS2 EQU $0017
SCDR EQU $0018
$ z. G' B$ l  x- W( a2 FTEMP EQU $40 ;定义1个字节的临时存储空间
ORG $8000 ;定义程序的起始位置
+ c% D1 R7 l) v5 r% `6 IINIT：LDA#%00100010;初始化开始
* H5 u3 ?) S9 p7 J, b8 h! tSTA SCBR ;波特率定义
: E4 e, B+ z3 M! D' {LDA #%01000000
STA SCC1
( U6 v, T- u: H% xLDA #%00001100
& h; D/ Y* J# l. n" rSTA SCC2
LDA #%00000000
STA SCC3
START：JSR GETDATA ;接收1个字符
& K3 Z  x- P: o: [' XSTA TEMP ;将其存放临时空间
CMP #$"$";判是否为“$”符,如不是转START
: G2 h. B$ X' u9 J……
* V# X, _: d6 x5 I& ^' W* z5 \) M! ^! m0 y;判是否为GPZDA信息模块,如不是则转START重新接收
……
% o: j- g, g0 G9 m/ B4 o- {;数据接收与处理模块
$ ?6 S# d$ R& d……
% `" m, F9 b! c2 P) b/ k0 e;时钟驱动与显示模块
' V. q0 |* X0 a8 B1 E5 a……
9 }* v2 n* W  {2 N! E/ Q" k;返回START重新接收下一组消息
GETDATA：BRCLR 5,SCS1,GETDATA
- ~" ]/ R5 L& X3 zLDA SCRA
RTS

$ P6 d& O& }! m: }# D4 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。
3 \* U5 V' u! `: jGPS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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