陳 超，李述良，謝兆鴻

(武漢工業(yè)學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430023)

目前，很多領(lǐng)域?qū)r(shí)鐘的精度和同步性的要求越來越高，隨著生活節(jié)奏的加快，學(xué)校、機(jī)關(guān)、企業(yè)單位等常用的作息自控系統(tǒng)仍然采用單片機(jī)計(jì)時(shí)，這樣的計(jì)時(shí)方法存在著一些缺陷與不足［1］，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)計(jì)時(shí)存在著累計(jì)誤差;(2)傳統(tǒng)的作息控制系統(tǒng)需要敷設(shè)專線來驅(qū)動(dòng)電鈴，致使安裝和拆卸都比較麻煩;(3)傳統(tǒng)的系統(tǒng)只能傳遞瞬時(shí)的開關(guān)信號(hào)，傳達(dá)的信息模糊，例如究竟是上課還是下課;(4)刺耳的鈴聲常常會(huì)給安靜的教學(xué)和科研環(huán)境帶來噪聲污染;(5)傳統(tǒng)的作息控制系統(tǒng)還存在功耗大等不足。對(duì)此，本文研究設(shè)計(jì)了利用北斗衛(wèi)星上的高精度的原子鐘作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源，以太陽(yáng)能供能，通過接收衛(wèi)星發(fā)送的時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)本機(jī)修正處理解碼后獲得時(shí)間信息，在本機(jī)顯示，并與存儲(chǔ)的作息表比對(duì)，決定是否輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，然后通過無線的方式向系統(tǒng)內(nèi)的接收?qǐng)?zhí)行裝置發(fā)送日期和時(shí)間的信息，并直接控制下位執(zhí)行裝置發(fā)出悅耳的鈴聲、語音、圖像或者其他聲光信息，來自動(dòng)完成對(duì)作息時(shí)間的控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由兩大系統(tǒng)組成：本地授時(shí)系統(tǒng)和作息控制系統(tǒng)。本地授時(shí)系統(tǒng)的任務(wù)是接收和處理北斗衛(wèi)星的信號(hào)，提取時(shí)間信號(hào)，與作息表比對(duì)，通過無線向各個(gè)作息控制系統(tǒng)發(fā)出時(shí)間和執(zhí)行信號(hào)。作息控制系統(tǒng)直接將收到的信息按不同的方案來加以執(zhí)行，例如打鈴發(fā)出語音提示等等。如圖1所示即為北斗衛(wèi)星授時(shí)的無線作息控制系統(tǒng)的總體框圖。

圖1 北斗衛(wèi)星授時(shí)的無線自動(dòng)作息控制系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本地授時(shí)系統(tǒng)主要由：北斗接收模塊(包括天線)、數(shù)據(jù)處理及控制模塊、電源模塊、顯示模塊、人機(jī)交互模塊、無線收發(fā)模塊組成。

2.1 北斗衛(wèi)星接收模塊

北斗衛(wèi)星接收模塊有單向和雙向兩種定時(shí)接收方式。兩種定時(shí)的主要區(qū)別在于從中心站系統(tǒng)到用戶機(jī)傳播時(shí)延的獲取方式不同，單向定時(shí)是利用系統(tǒng)廣播的衛(wèi)星位置信息按照一定的計(jì)算模型由用戶機(jī)自主計(jì)算單向傳播時(shí)延，建模誤差(對(duì)流層模型、電離層模型等)及衛(wèi)星位置誤差都會(huì)影響該時(shí)延的估計(jì)精度，從而影響最終的定時(shí)精度;雙向定時(shí)則無需知道用戶機(jī)和衛(wèi)星的位置，僅通過來回雙向傳播時(shí)間除以2的方式獲取，就能更精確的反映了各種延遲信息，因此其估計(jì)精度較高。在北斗系統(tǒng)中單向定時(shí)的精度誤差值為100 ns，雙向定時(shí)為20 ns?？紤]到100 ns已符合作息控制的要求，所以本系統(tǒng)采用單向定時(shí)的方式。

北斗衛(wèi)星接收模塊由接收天線、射頻處理模塊、BD信息單元、授時(shí)信息融合處理單元等組成。接收天線用來接收北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)，并將射頻信號(hào)前置放大后傳送給射頻處理單元;射頻處理模塊將從天線接收到的信號(hào)進(jìn)行放大、經(jīng)變頻和濾波等處理，把處理后的信號(hào)送到北斗信息處理單元;北斗信號(hào)處理單元用于完成北斗系統(tǒng)時(shí)間信息的提取。提取出來的時(shí)間信息可以通過RS232串口或者TTL協(xié)議接收和發(fā)送，考慮到設(shè)計(jì)中所選微處理器只有一個(gè)串口且在無線傳輸要用到，所以選擇TTL協(xié)議的方式將時(shí)間信息傳給微處理器。

北斗衛(wèi)星接收模塊接收發(fā)送數(shù)據(jù)均采用串行通信的來實(shí)現(xiàn)。輸入(接收衛(wèi)星的數(shù)據(jù))輸出(處理完的 數(shù) 據(jù))語 句 均 按 NMEA -0183 協(xié) 議［2］。NMEA0183協(xié)議語句如下：“”為語句的起始標(biāo)志;“Aaccc”為地址域，其中前兩位為識(shí)別符，后三位為語句名;“，”為域分隔符;“Ddd…ddd”為數(shù)據(jù)塊，發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)容;“*”為校驗(yàn)和識(shí)別符，其后兩位為校驗(yàn)和;“hh”為校驗(yàn)和;“＜CR＞/＜LF＞”為終止符，表示回車和換行。NMEA-0183協(xié)議定義的語句很多，但是常用的或者說兼容性最廣的語句只有GPGGA(全球定位數(shù)據(jù))、 GPGSA(衛(wèi)星 PRN數(shù)據(jù))、GPGSV(衛(wèi)星狀態(tài)信息)、GPRMC(運(yùn)輸定位數(shù)據(jù))、GPVTG(地面速度信息)、GPGLL(大地坐標(biāo)信息)、GPZDA(UTC時(shí)間和日期)，發(fā)送的次序?yàn)?PZDA、GPGGA、GPGLL、GPVTG、GPGSA、GPGSV*3、GPRMC。本設(shè)計(jì)需要的是 GPRMC數(shù)據(jù)，其格式為： GPRMC，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞，＜7＞，＜8＞，＜9＞，＜10＞，＜11＞，*hh＜CR＞ ＜LF＞。 ＜1＞ UTC時(shí)間，hhmmss(時(shí)分秒)格式;＜2＞定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無效定位;＜3＞緯度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸);＜4＞緯度半球N(北半球)或S(南半球);＜5＞經(jīng)度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸);＜6＞經(jīng)度半球E(東經(jīng))或W(西經(jīng));＜7＞地面速率(000.0-999.9節(jié)，前面的0也傳輸);＜8＞地面航向(000.0-359.9度，以真北為參考基準(zhǔn)，前面的0也傳輸);＜9＞UTC日期，ddmmyy(日月年)格式;＜10＞磁偏角(000.0-180.0度，前面的0也傳輸);＜11＞磁偏角方向，E(東)或 W(西)［3］。

2.2 CPU模塊

本系統(tǒng)中的CPU模塊采用的是AT89S52單片機(jī)，AT89S52是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8KB ISP(In Systen Programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的FLASH只讀程序存儲(chǔ)器，支持在線編程。兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP FLASH存儲(chǔ)單元［5］。具體特點(diǎn)表現(xiàn)為：優(yōu)異的性能價(jià)格比;集成度高、體積小、可靠性高;控制功能強(qiáng);低電壓和功耗。

2.3 電源模塊

電源模塊主要是給北斗授時(shí)模塊、微處理器和時(shí)鐘源提供穩(wěn)定的工作電壓?？紤]耗用電能較少，為了安裝靈活，采用太陽(yáng)能和可充電電池的供電方案，本模塊在主要有太陽(yáng)能電源和備用可充電池組成。在一般情況都是由太陽(yáng)能電池來供電，當(dāng)遇到特殊情況如天氣狀況惡劣或太陽(yáng)能電池出現(xiàn)故障時(shí)則切換到備用電池來供電以保證系統(tǒng)的正常工作。

2.4 顯示模塊

顯示模塊主要用來顯示時(shí)間信號(hào)，采用MAX7219芯片，MAX7219芯片是一種高集成化的具有串行輸入/輸出的共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器，它可以連接微處理器與8位數(shù)字的7段數(shù)字LED顯示，也可以連接條線圖顯示或者64位獨(dú)立LED。芯片上包括一個(gè)片上的B型BCD編譯碼器、段字驅(qū)動(dòng)器、位驅(qū)動(dòng)器、多位掃描電路、內(nèi)含8×8位靜態(tài)RAM用于存儲(chǔ)每一個(gè)數(shù)據(jù)。只需外接一個(gè)電阻就可為所有的LED提供段電流。MAX7219的三線串行接口適用于所有微處理器，每一個(gè)數(shù)據(jù)可以尋址，且在更新時(shí)不需要改寫所有的顯示。MAX7219具有軟件譯碼和硬件譯碼兩種功能，軟件譯碼是根據(jù)各段筆劃與數(shù)據(jù)位的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行編碼，硬件譯碼采用BCD碼(簡(jiǎn)稱B碼)譯碼。MAX7219工作模式包括150μA低壓電源關(guān)閉模式、模擬數(shù)字亮度控制、限掃寄存器(允許用戶從第1位數(shù)字顯示到第8位)及測(cè)試模式(點(diǎn)亮所有LED)。其電路圖如圖2所示。

圖2 顯示電路

2.5 用戶交互模塊

用戶交互模塊包括本機(jī)鍵盤和受上位PC機(jī)遙控兩種。本地鍵盤用來直接操作本地授時(shí)系統(tǒng)的微處理器，PC機(jī)的主要是通過無線遙控來來修改或更新授時(shí)系統(tǒng)中的作息時(shí)間表和檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

2.6 無線收發(fā)模塊

SRWF-508型微功率無線數(shù)傳模塊是采用高效FEC前向糾錯(cuò)技術(shù)結(jié)合高性能的無線射頻IC，以及高速微處理器相結(jié)合開發(fā)出的一款無線通信模塊，該無線通信模塊是在SRWF-501型無線通信模塊的基礎(chǔ)添加了適當(dāng)?shù)墓β史糯笃鳎黾恿送ㄐ啪嚯x的一款微功率無線模塊，可與SRWF-501、SRWF-506、SRWF-507進(jìn)行無線通信。該無線通信模塊具有很強(qiáng)的抗干擾能力，全透明傳輸，體積小，功耗低傳輸距離遠(yuǎn)(能達(dá)到4500m)和波特率可調(diào)(有1200/2400/4800/9600/19200可選)的特點(diǎn)，使用時(shí)不需要任何編碼技術(shù)。

2.7 本地時(shí)鐘源模塊

本系統(tǒng)中所采用的DS12C887時(shí)鐘日歷芯片具有一定的精度，其誤差累積時(shí)間較長(zhǎng)，可以采取每周或每月接收一次北斗時(shí)間信號(hào)以校準(zhǔn)。這樣就能克服在天氣狀況不好難以收到衛(wèi)星信號(hào)或北斗系列出現(xiàn)故障時(shí)仍能使系統(tǒng)依然正常的工作，DS12C887中自帶有鋰電池，所以在外部掉電時(shí)，其內(nèi)部的時(shí)間信息依然能保持10年之久。同時(shí)DS12C887中帶有128字節(jié)時(shí)間信息，其中11字節(jié)RAM用來存儲(chǔ)時(shí)間信息，4字節(jié)RAM用來存儲(chǔ)DC12C887的控制信息，作為控制寄存器，余下的113字節(jié)RAM可供使用戶使用。

2.8 作息控制系統(tǒng)

作息控制系統(tǒng)主要由接收模塊和執(zhí)行模塊組成。接收模塊把接收到的時(shí)間和執(zhí)行信號(hào)送到作息系統(tǒng)中的單片機(jī)中，具有顯示功能的系統(tǒng)可以把時(shí)間顯示出來，具有執(zhí)行功能的系統(tǒng)則根據(jù)接收到的執(zhí)行信號(hào)來執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作如打鈴或者發(fā)出語音提示等等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)的初始化、中斷處理、接收信息處理、數(shù)碼管的顯示、發(fā)送信息處理。

3.1 本地授時(shí)和發(fā)送部分

本地授時(shí)系統(tǒng)的流程圖如圖3所示，系統(tǒng)主程序開始以后首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，之后單片機(jī)向北斗授時(shí)模塊發(fā)出多數(shù)據(jù)的指令，北斗授時(shí)模塊開始工作接收北斗衛(wèi)星上發(fā)出信號(hào)并經(jīng)過射頻處理、北斗信息處理單元、授時(shí)信息融合單元等產(chǎn)生統(tǒng)一的時(shí)間信息，在將時(shí)間信息發(fā)給單片機(jī)，單片機(jī)將時(shí)間數(shù)據(jù)送入MAX7219并通過顯示模塊顯示出來。同時(shí)，單片機(jī)將得到的時(shí)間數(shù)據(jù)與FLASH中的作息時(shí)間比對(duì)，如果與表中的時(shí)間匹配，單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，子系統(tǒng)來接收控制信號(hào)執(zhí)行操作。為了減少功耗，設(shè)計(jì)30 s來發(fā)送一次數(shù)據(jù)，這是通過檢測(cè)接收的時(shí)間信號(hào)的秒位為00或30時(shí)控制SRWF-508發(fā)送(如圖4)來實(shí)現(xiàn)的。

圖3 本地授時(shí)系統(tǒng)流程圖

圖4 SRWF-508發(fā)送流程圖

3.2 作息控制和接收部分

作息控制系統(tǒng)的流程圖如圖5所示，微處理器等待SRWF-508接收到的信號(hào)(圖6)傳送過來，接收的信號(hào)包括時(shí)間信息和控制信號(hào)。時(shí)間信息作為本子系統(tǒng)的時(shí)間，控制信號(hào)用來執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，如打鈴或語音提示。

圖5 作息控制系統(tǒng)流程圖

圖6 SRWF-508接收流程圖

4 結(jié)束語

目前采用GPS衛(wèi)星授時(shí)的時(shí)鐘已經(jīng)在生產(chǎn)和使用，這樣的時(shí)鐘走時(shí)精確、使用方便。但基于北斗的授時(shí)和作息控制系統(tǒng)還較少見。采用無線子母鐘的方案更能對(duì)一片區(qū)域里面的時(shí)間達(dá)到高度的同步。特別適合于學(xué)校、工廠等對(duì)時(shí)間具有同步性要求的地方，也可以用于其他需要保持高度時(shí)間同步的場(chǎng)合。

［1］ 胡宏波，宋光德.大區(qū)域子母鐘及其監(jiān)控系統(tǒng)的研究［D］.天津：天津大學(xué)，2004.

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