一種基于MSP430的GPS和CDMA雙接收計時(shí)系統設計

　　摘要 介紹了一種基于MSP430單片機的GPS和CDMA雙接收計時(shí)系統的設計思路與方法，并給出了系統的硬件電路和軟件流程。該系統采用GPS和CDMA時(shí)鐘信號，其可以自動(dòng)調整時(shí)間，同時(shí)還擁有多方位保障時(shí)間的精確性、一致性、高可靠性及環(huán)境適應性強的優(yōu)勢。

　　在可靠性、擴展性、控制功能以及體積、功耗等方面比其他電子產(chǎn)品具有優(yōu)越性。在天文、地震臺、航空航天等對時(shí)間精度較高的場(chǎng)合，以及國防、通信、電力、交通等要求高精度時(shí)間同步的領(lǐng)域，得到廣泛應用。

　　1 系統硬件設計方案

　　1.1 系統總體設計

　　基于MSP430單片機的GPS和CDMA雙接收計時(shí)系統，是傳統鐘表計時(shí)技術(shù)與現代時(shí)頻、微電子、通訊、計算機等多項技術(shù)的結合，通過(guò)接收不同形式的時(shí)間碼，經(jīng)內置微處理器解碼處理，自動(dòng)校準計時(shí)器走時(shí)，使該系統顯示時(shí)間與標準時(shí)間自動(dòng)保持精確同步。除保留傳統機械時(shí)鐘計時(shí)特點(diǎn)外，還增加了LCD數字顯示，雙顯示方式。接收GPS、CDMA信號，實(shí)現雙系統聯(lián)合精確定時(shí)，在接收到精確的時(shí)碼后，經(jīng)數據處理器處理，即可自動(dòng)校正時(shí)鐘的走時(shí)誤差，使每只時(shí)鐘的走時(shí)均受統一精確的時(shí)碼控制，從而實(shí)現了高精度計量時(shí)間的一致性，同時(shí)也可手動(dòng)校時(shí)、接收時(shí)間信號，系統硬件框圖如圖1所示。

　　1.2 系統各部分的硬件設計

　　1.2.1 MSP430 MCU

　　MSP430F5xx是德州儀器儀表推出的實(shí)現超低功耗MSP430 MCU系列產(chǎn)品。該系列針對峰值高達25 MHz的產(chǎn)品，實(shí)現業(yè)界最低的功耗，擁有更高的閃存與RAM存儲器存儲容量，以及射頻(RF)、USB、加密和LCD接口等集成外設。MSP430F5xx MCU的工作功耗與待機功耗僅為160μA/Hz與1.5μA，系統能以較小功耗運行的同時(shí)可執行高強度的任務(wù)?？沙浞职l(fā)揮高達25 MHz峰值執行性能，同時(shí)確保功耗僅為160μA/HMz。MCU采用16位精簡(jiǎn)指令，一個(gè)時(shí)鐘周期可執行一條指令，運行速度可達25～30 MI·s-1，而傳統51單片機6個(gè)或12個(gè)時(shí)鐘周期可執行一條指令。以上特點(diǎn)確保了其可編制出高效率的源程序，用以滿(mǎn)足電池供電超低功耗要求。

　　1.2.2 GPS接收模塊

　　GPS模塊是應用較廣的一種導航、定位和定時(shí)的多功能系統，具有全天候、高精度、自動(dòng)測量以及體積小、功耗低的特點(diǎn)，且技術(shù)成熟、價(jià)格低廉。

　　GPS模塊為系統提供GPS定時(shí)、定位信息，設計采用u-blox公司的MAX-6Q，其具有以下特點(diǎn)：(1)精度高，抗干擾能力強。(2)啟動(dòng)時(shí)間短，冷啟動(dòng)只需26 s，熱啟動(dòng)只需1 s。(3)串行接口有1UART、1DDC，可方便與MSP430F5xx的UART模塊通信。(4)體積小，電壓為3.3 V，與MSP430F5xx相同。(5)輸出信息采用標準的NEMA-0183協(xié)議。

　　1.2.3 CDMA接收模塊

　　CDMA無(wú)線(xiàn)通信模塊從CDMA基站上獲取標準的時(shí)間信號，CDMA校時(shí)系統信號穩定，不易受電源、外界無(wú)線(xiàn)電干擾，便于部署在任何有CDMA信號的地方。針對以上特性，在室內無(wú)衛星信號或GPS信號難于接收的地點(diǎn)使用，恰好解決了常見(jiàn)的GPS模塊局限性問(wèn)題。

　　CDMA接收模塊采用華為MC323模塊，MC323將基帶、RF收發(fā)器、電源管理模塊單元、功率放大器集成，功能全面、應用廣泛。其電路框圖如圖2所示。

　　2 系統軟件設計方案

　　系統的軟件部分主要負責設置GPS模塊與MCU之間的串口通信1、CDMA模塊與MCU之間的串口通信2、時(shí)間的顯示及人機接口。其主要包括初始化、串口通信、數據處理、故障提示、顯示、鍵盤(pán)處理及電源管理等部分，其中初始化包括MSP430中各種寄存器的配置、串口相關(guān)參數配置以及外圍電路的初始化等。

　　2.1 系統軟件雙接收的整體方案

　　系統采用GPS和CDMA雙模式接收，同時(shí)可定時(shí)進(jìn)行自動(dòng)接收，也可通過(guò)外部接收按鍵進(jìn)行強制接收。軟件優(yōu)先接收GPS模塊的數據信息，當GPS數據無(wú)效或無(wú)法采集到信號時(shí)，再接收CDMA數據。若GPS和CDMA接收的數據有效，則更新數據;若無(wú)效，則數據保持。系統雙接收處理流程如圖3所示。

　　2.2 GPS模塊接收方案

　　GPS模塊MAX-6Q通信采用串口通信1，包括數據發(fā)送、接收、校驗、通信障礙提示等，數據處理主要有GPS接收數據的解碼、存儲和數據刷新等。MAX-6Q的數據輸出為NMEA-0183格式，最大更新速率5 Hz，為保證數據傳輸的可靠性與實(shí)時(shí)性，并提高單片機的利用率，文中采用中斷方式而非查詢(xún)方式。

　　在中斷處理程序中，將接收到的GPS數據放入數組中，通過(guò)讀取數據包的前7 bit，可判斷該數據包格式，系統只處理了NEMA中GPGGA和GPZDA兩種格式的消息，并定義了兩種相應的處理函數，其各函數功能如下：

　　GPZDA()函數：提出UTC日期和時(shí)間。

　　GPRMC()函數：提出UTC日期、時(shí)間、經(jīng)度和緯度信息。

　　通過(guò)GPS數據處理，誤碼的判斷，刷新數據顯示，其GPS處理流程如圖4所示。

　　2.3 CDMA模塊接收方案

　　CDMA模塊MC323通信采用串口通信2，數據處理主要是CDMA接收數據的解碼、存儲和數據刷新等。CDMA時(shí)間查詢(xún)指令如表1所示。

　　CDMA接收打開(kāi)，CDMA模塊進(jìn)行初始化。MSP430F5xx打開(kāi)串口2向CDMA模塊MC323發(fā)出查詢(xún)指令“AT^TIME”，若查詢(xún)時(shí)間超過(guò)10 min，則自動(dòng)退出查詢(xún)。CDMA模塊MC323收到“AT^TIME”查詢(xún)指令后，向單片機返回時(shí)間信息，而單片機將對時(shí)間信息進(jìn)行分析處理并將處理后的時(shí)間信息進(jìn)行存儲和更新，CDMA處理流程如圖5所示。