基于GPS的授時服務(wù)器的設(shè)計

引言

全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）自從建成以來，得到了廣泛的應(yīng)用，在航天、軍事、經(jīng)濟(jì)、通信、電力、交通等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。授時系統(tǒng)的功能是使鐘表或測量儀器的時鐘與國際標(biāo)準(zhǔn)時間達(dá)到精確同步。通?？捎迷隅妬肀ＷC儀器的時間與國標(biāo)時間達(dá)到精確同步，但是原子鐘價格昂貴。常用的授時方法主要有無線電授時、衛(wèi)星授時、網(wǎng)絡(luò)授時等。其中利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行物體定位、時鐘授時與同步數(shù)據(jù)采集控制,可以達(dá)到傳統(tǒng)測量控制手段所不及的精確程度，同時可以獲得本地定位信息等數(shù)據(jù)。這種衛(wèi)星定位授時同步技術(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(yù)報、設(shè)備巡檢、系統(tǒng)監(jiān)控等方面得到廣泛應(yīng)用。GPS時鐘采用世界協(xié)調(diào)時-UTC，在GPS衛(wèi)星上載有與UTC時間同步的銫原子鐘，成為一種空間的時間基準(zhǔn)，用戶可接收GPS衛(wèi)星的時間服務(wù)信號，校正本機(jī)時鐘，與GPS時鐘同步，完成時間傳遞任務(wù)，稱為GPS授時。

2 工作原理

GPS授時服務(wù)器主要由AT89S52單片機(jī)、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、北京時間、速度等實(shí)時信息，其系統(tǒng)原理見圖1。

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

3 硬件設(shè)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(nèi)置保護(hù)電池，RS232、TTL兩種電平自動輸出NMEA 0183 2.0格式(ASCII字符型)語句，是目前應(yīng)用最廣泛的GPS接收處理板之一，能滿足各種導(dǎo)航和授時領(lǐng)域的需求。具有很高的性價比和強(qiáng)有力的市場競爭力，其主要性能特點(diǎn)如下：

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

3.2 GPS25-LVS 模塊的數(shù)據(jù)輸出格式

GPS25-LVS的通信波特率默認(rèn)值為4800，1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，無奇偶校驗。通常使用NMEA-0183格式輸出，數(shù)據(jù)代碼為ASCII碼字符。NMEA-0183是美國海洋電子協(xié)會為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式，目前廣泛使用V2.0版本。由于該格式為ASCII碼字符串，比較直觀和易于處理，在許多高級語言中都可以直接進(jìn)行判別、分離，以提取用戶所需要的數(shù)據(jù)。GPS25-LVS系列OEM板可輸出12句語句，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個串行口, 其串口2 用來接收RTCMSC2104 版本2. 1 的GPS 差分信息，相位數(shù)據(jù)輸出。串口1 是異步串行數(shù)據(jù)通信接口，因此可與AT89S52 單片機(jī)進(jìn)行異步串行數(shù)據(jù)通信。由于串口配置的電平為標(biāo)準(zhǔn)的RS-232電平，而AT89S52 單片機(jī)的輸出電壓為0～5V 的TTL 電平,二者的電壓規(guī)范不一致，所以不能直接進(jìn)行通訊. 為使TTL 電平與RS-232 標(biāo)準(zhǔn)兼容，采用了MAXIM 公司的多路發(fā)送，接收集成芯片MAX232，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與OEM 板的串行通信。GPS25-LVS OEM板初始化后，還會輸出秒脈沖信號。1pps信號由CPLD處理后一路作為單片機(jī)的外部中斷源，以實(shí)現(xiàn)時間信息的同步處理，另外也用來監(jiān)測信號是否正常。

3.4 矩陣鍵盤及LCM顯示

設(shè)計2×4 矩陣鍵盤，可以在系統(tǒng)運(yùn)行時響應(yīng)用戶的操作。按鍵有 “菜單”、“向上”、“向下”和“清除”等功能。單片機(jī)程序運(yùn)行中實(shí)時檢測按鍵操作，當(dāng)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(jù)鍵值和當(dāng)前狀態(tài)，執(zhí)行不同代碼以實(shí)現(xiàn)鍵盤復(fù)用。