GPS授時(shí)技術(shù)在高速公路誘導燈全路段同步閃爍上的應用 　

作者 劉皓蔚 江西方興科技有限公司(江西 南昌 330025)

劉皓蔚(1992-)，女，工程師，研究方向：高速公路機電工程。

摘要：利用GPS高精度授時(shí)技術(shù)實(shí)現高速公路誘導燈全路段同步閃爍，本文通過(guò)硬件電路和軟件流程描述了該技術(shù)的同步原理。本文采用型號為NEO-6M的GPS模塊對誘導燈控制電路的時(shí)鐘信號進(jìn)行校準，達到所有誘導燈在同一個(gè)時(shí)鐘節拍下閃爍，從而實(shí)現全路段所有誘導燈同步閃爍。

引言

　　我國幅員遼闊、地理氣候多樣，許多高速公路要經(jīng)過(guò)深山老林和湖泊沼澤，而這些地方一年四季中經(jīng)常容易形成濃霧和團霧，急需一個(gè)能主動(dòng)的安全行車(chē)誘導系統。安裝在公路兩邊的誘導燈能清晰的顯示公路的走向和輪廓，提高駕駛員對路面的辨識能力，但是，由于傳統的誘導燈沒(méi)有時(shí)鐘同步，每個(gè)誘導燈各自閃各自，不能同步閃爍，反而眼花繚亂，干擾駕駛員視線(xiàn)，影響交通安全。

　　GPS除了具有導航、定位等功用，其衛星上的精確原子鐘還可實(shí)現精確的授時(shí)。目前，需時(shí)間控制精度很高的應用領(lǐng)域，如電力、郵電、通訊、交通、航運、氣象等都被GPS高精度、全天候、全球覆蓋、方便靈活和經(jīng)濟可靠的定時(shí)系統吸引[1]。為了解決誘導燈同步閃爍的問(wèn)題，利用GPS高精度授時(shí)功能對路段上的所有誘導燈控制電路的時(shí)鐘進(jìn)行同步，實(shí)現誘導燈在同一個(gè)時(shí)鐘節拍下閃爍，從而解決誘導燈閃爍同步的問(wèn)題。

1 硬件設計

　　GPS同步誘導燈采用太陽(yáng)能和蓄電池的供電方式，控制電路主要由單片機、GPS模塊、GPS模塊電源控制電路、光照度傳感器和LED驅動(dòng)電路組成，電路框圖如圖1所示，單片機采用TI公司的低功耗單片機MSP430G2333，GPS模塊采用NEO-6M。單片機通過(guò)串口接收GPS模塊時(shí)鐘數據，當GPS模塊同步到衛星信號時(shí)，輸出1PPS秒脈沖，該秒脈沖信號輸入到單片機的外部中斷，用于同步單片機的內部時(shí)鐘。GPS模塊的電源通過(guò)場(chǎng)效應開(kāi)關(guān)管由單片機控制，每間隔30分鐘打開(kāi)GPS模塊，當GPS時(shí)鐘同步后，關(guān)閉GPS模塊的電源，達到降低功耗的目的。

1.1 GPS模塊

　　GPS模塊采用NEO-6M，它是瑞士UBLOX公司生產(chǎn)的一款高性能GPS模塊，不僅能提供基于經(jīng)緯度的位置信息，而且還能提供精確的GPS授時(shí)服務(wù)。該GPS模塊能夠配置輸出的秒脈沖，授時(shí)精度高達納秒級，遠超該誘導燈對時(shí)間精度的要求。在不移動(dòng)位置的情況下運行，該GPS模塊在只有一顆衛星可見(jiàn)度的情況下就可以進(jìn)行授時(shí)，這意味著(zhù)即使在GPS衛星信號條件不利或天空可見(jiàn)度不佳的情況下也能準確的授時(shí)。另外，模塊還提供NMEA0183標準報文通過(guò)串口輸出時(shí)間和經(jīng)緯度信息。

　　GPS模塊電路圖如圖2所示，NEO-6M為24個(gè)引腳貼片封裝的GPS模塊，通過(guò)串口和1PPS秒脈沖與單片機連接，場(chǎng)效應管V103為GPS模塊電源的開(kāi)關(guān)管，當GPS_PWR為低電平時(shí)開(kāi)關(guān)管導通。

1.2 LED驅動(dòng)電路

　　LED驅動(dòng)芯片采用PT4115，它是一款連續電感電流導通模式的降壓恒流源，用于驅動(dòng)一顆或多顆串聯(lián)或并聯(lián)的LED。采用SOT89-5封裝和ESOP8封裝，PT4115輸出電流可以通過(guò)外部采樣電阻調節，最大可達1.2A。根據不同的輸入電壓和外部器件，PT4115可以驅動(dòng)高達數10W的LED。PT4115內置功率開(kāi)關(guān)管，采用高端電流采樣設置LED驅動(dòng)電流，并通過(guò)DIM引腳可以實(shí)現模擬調光和很寬范圍的PWM調光。當DIM的電壓低于0.3V時(shí)，功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，PT4115進(jìn)入極低工作電流的待機狀態(tài)。

　　LED驅動(dòng)電路如圖3所示，J203連接由40個(gè)LED并聯(lián)組成的誘導燈，外部采樣電阻R206為100mΩ，誘導燈最大輸出電流為1A，通過(guò)單片機PWM輸出信號LED_PWM_Y實(shí)現誘導燈無(wú)極調光，配合光照度傳感器自動(dòng)調節誘導燈亮度。夜間光線(xiàn)較暗時(shí)降低誘導燈亮度，避免誘導燈太亮導致駕駛員看著(zhù)刺眼，影響交通安全;白天光線(xiàn)較強時(shí)為自動(dòng)調高誘導燈亮度，提高可視度。

2 軟件設計

　　單片機軟件設計主要包括主程序、定時(shí)器中斷程序、1PPS外部中斷程序和串口數據接收程序，主程序包括上電復位后單片機各外設初始化、GPS模塊電源打開(kāi)、誘導燈亮度控制和時(shí)間數據解析和轉換等功能。為降低誘導燈功耗，GPS模塊電源每間隔30分鐘打開(kāi)一次，時(shí)鐘同步后關(guān)閉電源。定時(shí)器為10ms定時(shí)周期，30分鐘定時(shí)時(shí)間到，打開(kāi)GPS模塊電源，同時(shí)，根據誘導燈閃爍周期控制誘導燈亮或滅。1PPS外部中斷主要功能是接收到來(lái)自GPS模塊有效的1PPS秒脈沖信號后置相應的標志位，并對定時(shí)器進(jìn)行時(shí)間校準。該單片機程序的1PPS外部中斷程序和串口數據接收程序都比較簡(jiǎn)單，所以軟件流程圖只描述主程序和定時(shí)器中斷程序，軟件流程圖如圖4所示。

3 結論

　　利用GPS授時(shí)技術(shù)實(shí)現高速公路誘導燈全路段同步閃爍，不需要專(zhuān)門(mén)鋪設時(shí)鐘同步線(xiàn)，不僅節省工程施工費用，而且，由于誘導燈為太陽(yáng)能供電，無(wú)其他有線(xiàn)連接，不存在線(xiàn)路故障導致同步失效，系統還具有穩定性強等特點(diǎn)。

　　另外，GPS授時(shí)具有高精度、全天候、全球覆蓋和免費使用等特點(diǎn)，還廣泛地應用于各種時(shí)鐘高精度對時(shí)、電力繼電保護遠程時(shí)鐘同步等場(chǎng)合。

　　參考文獻:

　　[1]董劍利,周丹.通用GPS授時(shí)同步監控系統的設計與實(shí)現[J].計算機工程與設計,2007(6):3006-3008.

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第12期第58頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。