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

/ T9 U/ l! ^$ A( A" z2 W- y    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。
2 F; `/ c7 Z- U* Q    关键词：GPS GPS OEM 串口通信
1 概述
. X4 U) s! \) P  r9 BGPS（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：
, i# C5 e7 G, c* b9 ?9 C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;
: A. J- |. F( r+ Z$ [体积和重量——65mm×35mm,约重40g（含锂电池）;
% w2 O$ g7 H+ W: Z+ A& J数据输出格式——NMEA-0183 v2.0;RTCM-sc104 v2.0;
环境工作温度——-30～+75℃;
; j( D% G$ X. t4 H( L- Z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
# X- H" a3 ^4 w1 M; p（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 N) c: q  j8 g" r1 ^表1
0 w1 n3 F- V$ |) U+ V: t0 X

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 c# o: r& U; l% U5 @5 M* C（2）软件接口
6 r$ N- e- b% P" w9 @0 QGSU-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。
* W8 r) D2 G+ u. I# H/ P: @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。
% A, M5 j" I2 i. n+ YNMEA-0183主要语句中,最常见的几种格式为：
* L* V$ e/ o, p( i. mGPGGA 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：
* A" w+ P: J# e' b# V7 r
* O. P4 M: B  a: D/ E0 d又如,$GP GGA为定位导航数据输出语句,其标准格式如下：
+ z* y. f) {6 z, v
在具体使用时,可以在收到一条消息后,用软件来判别消息引导头是否为“$GPZDA”或“$GPGGA”来确认收到的消息正确与否,然后从消息中提取世界时,一定要注意将提取到的世界时加上8小时才是北京时间,而且软件还必须对16：00～24：00世界时作相应的处理,以转换为正确的北京日期和时间。
3 应用电路和程序设计
在设计该时钟系统时,我们采用的单片机是Motolola公司的MC68HC08的通用芯片MC68HC908GP32。该芯片以它的高性能、低功耗、低价位获得了广泛的应用,其主要特性为：
5 @+ a/ O* q8 }/ T, ?$ d: k①32KB片内Flash存储器,具有在线可编程能力和保密功能;
# u$ h! a5 i* D# n2 N②512B片内RAM;
: {2 W+ W7 U6 y3 N③增强型串行通信口和串行外围接口;
+ z% H, Y& t: I) H$ m9 u7 z% l④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
8 K3 N; m* A4 m( o8 p( _2 RSCC2 EQU $0014
SCC3 EQU $0015
SCS1 EQU $0016
$ o5 [! r7 ]# W0 uSCS2 EQU $0017
SCDR EQU $0018
1 ?* m+ S3 A3 e& J% ?8 XTEMP EQU $40 ;定义1个字节的临时存储空间
ORG $8000 ;定义程序的起始位置
2 u: P$ `$ F2 P7 fINIT：LDA#%00100010;初始化开始
STA SCBR ;波特率定义
LDA #%01000000
STA SCC1
% J6 {4 _3 p/ I" U7 U8 G/ r# h3 W4 CLDA #%00001100
STA SCC2
( k, n" J( D; ~& f: xLDA #%00000000
6 z& z: U! c* j% v2 \4 cSTA 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
……
+ S, L; m+ x' ?# u: V6 E: N;判是否为GPZDA信息模块,如不是则转START重新接收
……
3 r# |" P+ V" h; A( r' `1 e1 x;数据接收与处理模块
……
;时钟驱动与显示模块
9 h" l# I, D) ?6 m% o……
2 d; I: v6 q, ]' M1 u8 y2 M;返回START重新接收下一组消息
% A  U5 o0 A1 \+ P1 y* X4 M0 sGETDATA：BRCLR 5,SCS1,GETDATA
LDA SCRA
RTS
! `) ^2 y% O4 Z. G+ r/ R
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。
$ d4 X6 }* g2 ^' V& k& x& I# gGPS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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