基于ARM的GPS同步授時系統(tǒng)設計

摘要：基于國際航海標準NMEA-0183為數(shù)據(jù)協(xié)議，以保證電力系統(tǒng)精準授時為目的，通過ARM微控制器STM32f103rbt6和高精度GPS接收模塊NEO-5Q為核心控制數(shù)據(jù)采集和傳輸，實現(xiàn)了GPS同步授時的設計方案。系統(tǒng)采用GPS接收模塊接收衛(wèi)星發(fā)送的標準數(shù)據(jù)串，通過微控制器對GPIRMC最小定位信息中的時間數(shù)據(jù)進行篩選和處理，最后經(jīng)上位機授時軟件對本地計算機進行成功校時，保證了系統(tǒng)的可行性。
關(guān)鍵詞：NMEA-0183；Codex-M3；STM32f103；CPS

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

1 GPS同步授時系統(tǒng)原理
如圖1所示，整個系統(tǒng)以Cortex-M3為內(nèi)核的ARM微處理器STM32f103rbt6為核心，并采用瑞士U-Blox公司NEO-5Q GPS數(shù)據(jù)接收模塊接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，微處理器從衛(wèi)星數(shù)據(jù)中提取標準UTC時間碼同時將其轉(zhuǎn)換成標準北京時間碼傳輸給本地計算機，最后由上位機授時軟件對本地計算機進行校時，完成授時過程。

1．1 ARM微處理器STM32f103rbt6
STM32f103rbt6是意法半導體公司一款基于Conex-M3內(nèi)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、高端家電和操作界面等領域。STM32f103系列微控制器開發(fā)簡單，有豐富的語句代碼庫，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(tǒng)的核心。
該微控制器特點如下：
1)Cortex-M3內(nèi)核、哈佛總線結(jié)構(gòu)(可達90 DMIPS)；
2)20 K字節(jié)的SRAM，128 K字節(jié)的Flash；主頻72 MHz，可在系統(tǒng)編程；
3)帶喚醒功能的低功耗模式、內(nèi)部RC振蕩器、內(nèi)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16位通用的定時器，1個系統(tǒng)時間定時器：24位自減型。
1．2 NEO-5Q GPS接收模塊
本系統(tǒng)選用較低功耗的NEO-5Q GPS超小型衛(wèi)星接收模塊，此芯片為多功能獨立型GPS模組，以ROM為基礎構(gòu)架，成本低，體積小，最多可搜尋32個衛(wèi)星頻道，能夠從接收到的信息中提取并輸出2種時間信號：一是脈沖信號1PPS，其脈沖前沿與國際標準時間的同步誤差不超過1μs；二是經(jīng)串口輸出的時間信息，它在1PPS脈沖之間給出，用來說明一個1PPS脈沖對應的UTC時間(年、月、日、時、分、秒)。NEO-5Q有UART和USB2．0兩種接口，數(shù)據(jù)全速傳輸可達12 Mbit／s，具有高精度時間信號、在惡劣環(huán)境下持續(xù)工作的優(yōu)點，可以達到系統(tǒng)要求。