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。
    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。
; D$ S: q! Z+ s5 i; `) TGSU-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℃;
( j1 ?. l' E# C! q( |- N正常工作参数——电压5（1±0.05）V;电流100mA;功耗100mW。
1 Z$ v0 q$ f! @
2 GSU-16的硬件接口和软件接口
( [7 R$ ]6 r8 B  R: F（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。
# O% [# L) J$ |$ F) ]! X/ m6 N
8 J+ R# _  e3 T: [% C8 s表1

接口编号	信号名称	功   能 ( ~. D+ S3 u7 E0 W. |2 Z1 e( ]5 I; u
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。
6 p2 d' _  |+ ?% M; S（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。
: g5 R( j  |+ T4 w  oNMEA-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：
% }! q7 B# L% z6 MGPGGA GPS定位数据
2 I; U) a; c% B" Z- O$ _9 R- u/ mGPGLL 地址位置和经纬度
GPZDA 日期和时间
GPVTG 方位角对地速度
2 v5 V8 i5 w( j* f, N例如,GPZDA为时间和日期输出语句,其标准格式如下：
- T# L( A3 v6 k& c; T
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。
8 G$ s( @* \/ \3 应用电路和程序设计
3 I. i7 R3 K! Q4 h0 ]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：
" g9 }# u$ H2 {, D0 c' ^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 S) K& p0 H/ Y( A# r) _: J7 h③增强型串行通信口和串行外围接口;
/ X# x! c; n: ^  }. X$ e$ \" ~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。
( J2 T% e2 p8 w; [& e单片机初始化程序样例如下：
7 R. i1 p; O$ A( qSCBR EQU $0019
SCC1 EQU $0013
: g3 K, H+ Z; w3 s+ X) V2 o- _" e; D9 S0 ZSCC2 EQU $0014
4 G9 h2 R$ c/ b6 |# b; H* U! T% @7 dSCC3 EQU $0015
  R& ]1 V2 v4 |! [' e' jSCS1 EQU $0016
SCS2 EQU $0017
0 d$ y3 ]  _$ m6 H  u* A4 T/ nSCDR EQU $0018
TEMP EQU $40 ;定义1个字节的临时存储空间
& ~# t0 S5 v6 Q& O: bORG $8000 ;定义程序的起始位置
INIT：LDA#%00100010;初始化开始
STA SCBR ;波特率定义
LDA #%01000000
/ Y8 H( p( _$ ^STA SCC1
LDA #%00001100
STA SCC2
LDA #%00000000
( n% A' Z1 i- B  ?5 V9 C8 W% HSTA SCC3
START：JSR GETDATA ;接收1个字符
  d  q8 E' c, KSTA TEMP ;将其存放临时空间
CMP #$"$";判是否为“$”符,如不是转START
/ ?3 |# m1 v1 a( N5 d9 }……
' q* P& v# ~/ o! l6 O;判是否为GPZDA信息模块,如不是则转START重新接收
) T/ e: h+ V' X1 u: E; S9 z……
" x8 C9 s5 c$ o;数据接收与处理模块
……
;时钟驱动与显示模块
……
+ w/ p* B6 W9 E3 a. s) b. v;返回START重新接收下一组消息
2 z* L1 U; u: W' _: {4 Z# b, @GETDATA：BRCLR 5,SCS1,GETDATA
LDA SCRA
* z, o- b! n' E/ z* jRTS
( h2 X* M+ X. f+ e' }
0 r. _6 |+ }  k4 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。
0 T& b4 |# D' \" ]& iGPS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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