基于GPS15xL-W塔鐘控制系統的研究

摘要：針對傳統塔鐘走時(shí)存在累積誤差的缺點(diǎn)，提出一種基于GPS15xL-W的塔鐘控制系統，采用89C54RD+單片機作為主控芯片，介紹了系統的硬件電路和工作原理，并給出了相應的軟件設計方法，實(shí)現了塔鐘控制系統自動(dòng)校時(shí)功能，從而消除了塔鐘控制系統走時(shí)的累積誤差，保證塔鐘控制系統走時(shí)的高精度。研究結果表明：該系統運行可靠，具有很好的實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：GPS；自動(dòng)校時(shí)；自動(dòng)追時(shí)；單片機；累積誤差

隨著(zhù)城市建設的快速發(fā)展，建筑物上的塔鐘越來(lái)越多。目前實(shí)現塔鐘自動(dòng)校時(shí)的方式主要有3種：(1)利用收音機接收的報時(shí)信號進(jìn)行校時(shí)；(2)利用電視機接收的電視信號進(jìn)行校時(shí)；(3)利用短波接收機接收陜西天文臺的短波授時(shí)信號進(jìn)行校時(shí)。然而這3種校時(shí)方式所采用的校時(shí)信號極易受到外界干擾，可能導致長(cháng)時(shí)間分離不出有效的校時(shí)信號。解決這一問(wèn)題的最好辦法就是采用全球定位系統。近年來(lái)，隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，GPS接收機的造價(jià)愈來(lái)愈低，而且接收的衛星信號準確可靠不易受外界環(huán)境干擾，而且其安裝不受地域的限制，一般裝有塔鐘的地方均可安裝，完全滿(mǎn)足了塔鐘控制系統的使用要求。本文介紹了基于GPS15xL-W的塔鐘控制系統。

1 GPS授時(shí)原理
GPS(Global Positioning System全球定位系統)是美國于1994年全面建成，集衛星導航、定位和定時(shí)于一體的多功能系統。GPS系統主要由三部分組成：空間部分、地面控制系統部分、用戶(hù)設備部分?？臻g部分由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成，均勻分布在6個(gè)軌道面上，使得在全球任何地方、任何時(shí)間都可觀(guān)測到4顆以上的衛星，并能在衛星中預存導航信息。GPS衛星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數和時(shí)間信息，用戶(hù)接收到這些信息后，經(jīng)過(guò)計算可求出接收機的三維位置、三維方向、運動(dòng)速度以及時(shí)間信息。本系統中獲知時(shí)間信息即可。
若設接收機的位置為(X，Y，Z)，已知衛星的位置為(Xn，Yn，Zn)，其中n=1，2，3，4，則解以下4個(gè)方程便可計算出接收機的位置(X，Y，Z)和標準時(shí)間T。

式中，C-光速；△T-用戶(hù)時(shí)鐘與GPS主時(shí)鐘標準時(shí)間的時(shí)差；Tn-衛星n發(fā)射信號的發(fā)射時(shí)間；τn-衛星n上的原子鐘與GPS主時(shí)鐘標準時(shí)間的時(shí)差。
用戶(hù)利用GPS接收機就能全天候、實(shí)時(shí)、連續不斷地接收到其發(fā)出的信號，通過(guò)對接收的信號進(jìn)行解碼和處理，從而獲取精確的時(shí)間信息，包括1PPS，即秒脈沖信息，其脈沖前沿與國際標準時(shí)間(格林威治時(shí)間，UTC)的同步誤差不超過(guò)1μs，以及經(jīng)RS232串口輸出的與秒脈沖前沿相對應的UTC時(shí)間。

2 硬件設計
2．1 系統硬件電路構成
本系統主要由以下幾部分組成：?jiǎn)纹瑱C控制系統(89C54RD+)、步進(jìn)電機驅動(dòng)電路、GPS接收電路、電源電路、調節控制鍵盤(pán)電路、顯示電路、報時(shí)電路，如圖1所示。

系統中的塔鐘由步進(jìn)電機帶動(dòng)走時(shí)，STC89C54RD+以GPS時(shí)間信息為基準，輸出步進(jìn)電機的控制信號。GPS接收機選取美國GARMIN的產(chǎn)品GPS15xL-W模塊，該GPS接受模塊體積小，功耗低，授時(shí)精度可達±50 ns(典型值)，可以輸出兩種時(shí)間信號，一種是間隔為1 s的同步脈沖信號1PPS，其脈沖前沿與UTC的同步誤差不超過(guò)1μs，另一種為包含在串口輸出信息的與1PPS秒脈沖相對應的UTC絕對時(shí)間。主控器采用宏晶公司的STC89C54RD+增強型51單片機，通過(guò)MAX232電平轉換芯片與GPS15xL-W連接，獲得接收機接收的時(shí)間信息，作為塔鐘的時(shí)基信號源，送入單片機的RXD端，單片機的P1．0—P1．3設計為輸出端，提供步進(jìn)電機的步進(jìn)脈沖信號、方向控制信號以及脫機使能信號。