基于A(yíng)RM的GPS同步授時(shí)系統設計

摘要：基于國際航海標準NMEA-0183為數據協(xié)議，以保證電力系統精準授時(shí)為目的，通過(guò)ARM微控制器STM32f103rbt6和高精度GPS接收模塊NEO-5Q為核心控制數據采集和傳輸，實(shí)現了GPS同步授時(shí)的設計方案。系統采用GPS接收模塊接收衛星發(fā)送的標準數據串，通過(guò)微控制器對GPIRMC最小定位信息中的時(shí)間數據進(jìn)行篩選和處理，最后經(jīng)上位機授時(shí)軟件對本地計算機進(jìn)行成功校時(shí)，保證了系統的可行性。
關(guān)鍵詞：NMEA-0183；Codex-M3；STM32f103；CPS

時(shí)間同步在工業(yè)應用中是十分重要的基礎工作，特別是對時(shí)間要求較高的電力系統。近年來(lái)，電力系統大多采用不同廠(chǎng)家的計算機監控系統、諧波分析系統、故障錄波裝置、微機保護、電能質(zhì)量計費系統等，時(shí)間數據大多是設備提供自己獨立的時(shí)鐘，而時(shí)鐘因產(chǎn)品質(zhì)量差異，在對時(shí)精度上都會(huì )有一定的偏差，從而使整個(gè)系統不能在統一的時(shí)間基礎上進(jìn)行數據的分析和比較，給事故后采取正確的故障分析判斷帶來(lái)很大的困難。
由于電力系統傳統的時(shí)間同步方法只能保證全系統時(shí)鐘誤差在毫秒級，很難達到目前要求的精度。GPS同步授時(shí)系統具有授時(shí)精度高、范圍廣、可靠性高全天候且又不受各種干擾影響的特點(diǎn)，因此，采用GPS同步授時(shí)系統比采用傳統的時(shí)鐘設備有著(zhù)明顯的優(yōu)勢，并且可廣泛應用于對時(shí)統精度較高的行業(yè)中。

1 GPS同步授時(shí)系統原理
如圖1所示，整個(gè)系統以Cortex-M3為內核的ARM微處理器STM32f103rbt6為核心，并采用瑞士U-Blox公司NEO-5Q GPS數據接收模塊接收衛星數據，微處理器從衛星數據中提取標準UTC時(shí)間碼同時(shí)將其轉換成標準北京時(shí)間碼傳輸給本地計算機，最后由上位機授時(shí)軟件對本地計算機進(jìn)行校時(shí)，完成授時(shí)過(guò)程。

1．1 ARM微處理器STM32f103rbt6
STM32f103rbt6是意法半導體公司一款基于Conex-M3內核的32位微控制器，它主要應用于智能儀表、變頻器、工控網(wǎng)絡(luò )、高端家電和操作界面等領(lǐng)域。STM32f103系列微控制器開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，有豐富的語(yǔ)句代碼庫，與ARM7TDMI相比運行速度最多可快35％且代碼最多可省45％。綜合考慮選用了此款微控制器為本系統的核心。
該微控制器特點(diǎn)如下：
1)Cortex-M3內核、哈佛總線(xiàn)結構(可達90 DMIPS)；
2)20 K字節的SRAM，128 K字節的Flash；主頻72 MHz，可在系統編程；
3)帶喚醒功能的低功耗模式、內部RC振蕩器、內置復位電路；
4)在待機模式下，典型的耗電值僅為2μA，非常適合電池供電的應用；
5)3個(gè)16位通用的定時(shí)器，1個(gè)系統時(shí)間定時(shí)器：24位自減型。
1．2 NEO-5Q GPS接收模塊
本系統選用較低功耗的NEO-5Q GPS超小型衛星接收模塊，此芯片為多功能獨立型GPS模組，以ROM為基礎構架，成本低，體積小，最多可搜尋32個(gè)衛星頻道，能夠從接收到的信息中提取并輸出2種時(shí)間信號：一是脈沖信號1PPS，其脈沖前沿與國際標準時(shí)間的同步誤差不超過(guò)1μs；二是經(jīng)串口輸出的時(shí)間信息，它在1PPS脈沖之間給出，用來(lái)說(shuō)明一個(gè)1PPS脈沖對應的UTC時(shí)間(年、月、日、時(shí)、分、秒)。NEO-5Q有UART和USB2．0兩種接口，數據全速傳輸可達12 Mbit／s，具有高精度時(shí)間信號、在惡劣環(huán)境下持續工作的優(yōu)點(diǎn)，可以達到系統要求。