基于GPS的授時(shí)服務(wù)器的設計

引言

全球定位系統（global positioning system, GPS）自從建成以來(lái)，得到了廣泛的應用，在航天、軍事、經(jīng)濟、通信、電力、交通等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。授時(shí)系統的功能是使鐘表或測量?jì)x器的時(shí)鐘與國際標準時(shí)間達到精確同步。通?？捎迷隅妬?lái)保證儀器的時(shí)間與國標時(shí)間達到精確同步，但是原子鐘價(jià)格昂貴。常用的授時(shí)方法主要有無(wú)線(xiàn)電授時(shí)、衛星授時(shí)、網(wǎng)絡(luò )授時(shí)等。其中利用導航衛星進(jìn)行物體定位、時(shí)鐘授時(shí)與同步數據采集控制,可以達到傳統測量控制手段所不及的精確程度，同時(shí)可以獲得本地定位信息等數據。這種衛星定位授時(shí)同步技術(shù)在航空航海、陸上交通、科學(xué)考察、極地探險、地理測量、氣象預報、設備巡檢、系統監控等方面得到廣泛應用。GPS時(shí)鐘采用世界協(xié)調時(shí)-UTC，在GPS衛星上載有與UTC時(shí)間同步的銫原子鐘，成為一種空間的時(shí)間基準，用戶(hù)可接收GPS衛星的時(shí)間服務(wù)信號，校正本機時(shí)鐘，與GPS時(shí)鐘同步，完成時(shí)間傳遞任務(wù)，稱(chēng)為GPS授時(shí)。

2 工作原理

GPS授時(shí)服務(wù)器主要由AT89S52單片機、LCM顯示模塊和GPS OEM 模塊 GPS25-LVS以及輸出模塊等組成。它能夠顯示經(jīng)緯度、北京時(shí)間、速度等實(shí)時(shí)信息，其系統原理見(jiàn)圖1。

單片機作為主控制器，對GPS25-LVS模塊進(jìn)行初始化，GPS25-LVS模塊接收衛星傳送的信號，輸出NMEA-0183格式語(yǔ)句，經(jīng)過(guò)單片機的解算處理，最后送至LCM液晶顯示模塊進(jìn)行顯示，同時(shí)由輸出模塊提供多種電氣特性的秒脈沖（1PPS）信號。

3 硬件設計

3.1 GPS OEM模塊的選擇

GARMIN公司的GPS25-LVS系列OEM板[4]采用單一5V供電，內置保護電池，RS232、TTL兩種電平自動(dòng)輸出NMEA 0183 2.0格式(ASCII字符型)語(yǔ)句，是目前應用最廣泛的GPS接收處理板之一，能滿(mǎn)足各種導航和授時(shí)領(lǐng)域的需求。具有很高的性?xún)r(jià)比和強有力的市場(chǎng)競爭力，其主要性能特點(diǎn)如下：

并行12通道，可同時(shí)接收12顆衛星
定位時(shí)間：重捕2sec，熱啟動(dòng)為15sec，冷啟動(dòng)45sec，自動(dòng)搜索90sec
定位精度：15mRMS/差分時(shí)5m
可接收實(shí)時(shí)差分信號用于精確定位，信號格式為RTCM SC-104，波特率自適應。
1PPS秒脈沖信號輸出，精度指標高達10-6秒
雙串口（TTL）輸出，波特率可由軟件設置(1200～9600)
靈敏度：-166Dbw
天線(xiàn)接口：50ohm MCX 接頭有源天線(xiàn)(5V)

3.2 GPS25-LVS 模塊的數據輸出格式

GPS25-LVS的通信波特率默認值為4800，1個(gè)起始位，8個(gè)數據位，1個(gè)停止位，無(wú)奇偶校驗。通常使用NMEA-0183格式輸出，數據代碼為ASCII碼字符。NMEA-0183是美國海洋電子協(xié)會(huì )為海用電子設備制定的標準格式，目前廣泛使用V2.0版本。由于該格式為ASCII碼字符串，比較直觀(guān)和易于處理，在許多高級語(yǔ)言中都可以直接進(jìn)行判別、分離，以提取用戶(hù)所需要的數據。GPS25-LVS系列OEM板可輸出12句語(yǔ)句，分別是GPGGA，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG，LCGLL，LCVTG，PGRME，PGRMF，PGRMT，PGRMV，GPGLL。

3.3 GPS OEM 與AT89S52 的連接

GPS25-LVS OEM 板有2個(gè)串行口, 其串口2 用來(lái)接收RTCMSC2104 版本2. 1 的GPS 差分信息，相位數據輸出。串口1 是異步串行數據通信接口，因此可與AT89S52 單片機進(jìn)行異步串行數據通信。由于串口配置的電平為標準的RS-232電平，而AT89S52 單片機的輸出電壓為0～5V 的TTL 電平,二者的電壓規范不一致，所以不能直接進(jìn)行通訊. 為使TTL 電平與RS-232 標準兼容，采用了MAXIM 公司的多路發(fā)送，接收集成芯片MAX232，實(shí)現單片機與OEM 板的串行通信。GPS25-LVS OEM板初始化后，還會(huì )輸出秒脈沖信號。1pps信號由CPLD處理后一路作為單片機的外部中斷源，以實(shí)現時(shí)間信息的同步處理，另外也用來(lái)監測信號是否正常。

3.4 矩陣鍵盤(pán)及LCM顯示

設計2×4 矩陣鍵盤(pán)，可以在系統運行時(shí)響應用戶(hù)的操作。按鍵有 “菜單”、“向上”、“向下”和“清除”等功能。單片機程序運行中實(shí)時(shí)檢測按鍵操作，當有按鍵按下后，進(jìn)行去抖、掃描等操作，取得按鍵的鍵值,根據鍵值和當前狀態(tài)，執行不同代碼以實(shí)現鍵盤(pán)復用。