吳彥霖 　劉瑞敏　王興隆　楊智勇

摘要： 本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32高速單片機(jī)的GPS衛(wèi)星授時(shí)時(shí)鐘，它由四部分組成，分別是接收機(jī)、中央處理單元、LCD顯示和輸出接口。其中接收機(jī)用于接收標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，中央處理單元的作用是處理數(shù)據(jù)，可同步輸出時(shí)間數(shù)據(jù)，保證高精度授時(shí)。這不僅能解決時(shí)間獲取問(wèn)題，而且能真正實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的時(shí)間校準(zhǔn)。該方法不僅具有實(shí)現(xiàn)手段簡(jiǎn)單、精度高、范圍大等特點(diǎn)，還具有無(wú)需通道聯(lián)系，不受地理和氣候條件限制等優(yōu)勢(shì)，是理想的時(shí)鐘同步方法。本文介紹了基于STM32的GPS授時(shí)時(shí)鐘裝置的硬件；根據(jù)裝置要實(shí)現(xiàn)的功能，給出了主程序和中斷程序的流程圖和程序介紹。

Abstract： This paper designed a GPS satellite timing clock based on STM32 high speed microprocessor， which is composed of four parts： receiver， CPU， LCD display and output interface. The receiver is used to receive standard time signal， and the CPU is used for data processing， which can output time data synchronously， thus ensuring high precision timing. This can not only solve the problems of time acquisition， but can truly realize global time calibration. This method has features of simple implementation means， high precision and large scope and there is no need of channel contact. It is free from the restriction of geographical and climate conditions. So it is the optimal clock synchronization method. This paper introduces the hardware of the GPS timing clock device based on STM32 and the supposed function. The main program and interrupt program flow chart and program introduction are presented.

關(guān)鍵詞： 授時(shí)系統(tǒng)；STM32；GPS；中央處理單元

Key words： timing system；STM32；GPS；central proceeding section

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）05-0117-03

0 引言

在計(jì)算機(jī)革命的影響下，于20世紀(jì)70年代誕生了一批新的時(shí)間用戶，這些用戶需要精確的計(jì)算機(jī)時(shí)間。然而，計(jì)算機(jī)時(shí)鐘同腕表、家里的掛鐘等時(shí)鐘相比，其性能要較弱，不可否認(rèn)，計(jì)算機(jī)時(shí)鐘的守時(shí)能力并不強(qiáng)。

由于很多計(jì)算機(jī)應(yīng)用需要精確的計(jì)算機(jī)時(shí)間，而計(jì)算機(jī)時(shí)鐘不良的性能給其帶來(lái)了很多負(fù)面問(wèn)題。比如用于金融系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，出于安全方面的考慮，必須精確的記錄每次轉(zhuǎn)賬、交易的時(shí)間。對(duì)于電視基站、無(wú)線電臺(tái)等同步通信系統(tǒng)而言，必須保證能夠在正確的時(shí)間建立鏈路連接，這離不開授時(shí)系統(tǒng)的支持，它是實(shí)現(xiàn)儀器或者計(jì)算機(jī)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間精確同步的關(guān)鍵。而要想使兩者精確同步，通常的做法是采用原子鐘，但是原子鐘價(jià)格昂貴。本文介紹一種簡(jiǎn)單、相對(duì)廉價(jià)的時(shí)間同步方法，其利用全球定位系統(tǒng)提供的時(shí)間信號(hào)和秒脈沖，可以使接受裝置的時(shí)鐘與UTC（Universal Time Coordinated 世界統(tǒng)一時(shí)間）達(dá)到精確同步。

1 STM32的GPS授時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義[1]

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，人們的時(shí)間意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，因此對(duì)時(shí)間的精確度要求越來(lái)越高?，F(xiàn)在有很多行業(yè)對(duì)時(shí)間的同步性要求也越來(lái)也高，而原子鐘的成本又太高，所以，基于STM32的GPS高精度授時(shí)時(shí)鐘將完全能夠勝任這些時(shí)間要求較高的行業(yè)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想與方案的選擇

本系統(tǒng)用一片STM32F103VBT6作為中央處理單元，STM32F103VBT6有128K的存儲(chǔ)空間，系統(tǒng)框圖如圖1所示，由中央處理單元對(duì)接受到的GPS報(bào)文進(jìn)行處理，提取相關(guān)時(shí)間和日期信息，將其顯示在LCD上面，并通過(guò)光口和電口將信息發(fā)送給其他接受裝置，為了方便系統(tǒng)的調(diào)試，在此系統(tǒng)模塊的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)RS485接口，除了以上外設(shè)之外，此系統(tǒng)模塊上還有JTAG程序燒寫口和ISP接口。RS485接口主要用來(lái)方便調(diào)試程序。系統(tǒng)還有串口和光口，串口用來(lái)接收GPS報(bào)文，光口通過(guò)B碼[2]向接受裝置發(fā)送時(shí)間數(shù)據(jù)，，此外本系統(tǒng)還增設(shè)了一個(gè)電口以便符合接受裝置尤其是電力裝置的接口需求。GPS模塊的1PPS引腳接到STM32的中斷管腳上，以提高授時(shí)的精度。STM32自帶一個(gè)實(shí)時(shí)運(yùn)行的時(shí)鐘。接收到的GPS時(shí)間信息是要為本系統(tǒng)校時(shí)，而不是直接為系統(tǒng)提供時(shí)間。這樣系統(tǒng)內(nèi)就始終有一個(gè)時(shí)鐘在運(yùn)行。

3 系統(tǒng)組成原理及硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的組成和原理

本系統(tǒng)主要采用單片機(jī)STM32做處理器。整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)中央控制和運(yùn)算模塊、電源模塊、GPS模塊、光口和電口、LCD1602液晶顯示模塊、RS485接口組成。

3.2 硬件電路的設(shè)計(jì)

3.2.1 STM32F103VBT6單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)中央控制與運(yùn)算模塊負(fù)責(zé)接收GPS報(bào)文[3]，讀寫I2C時(shí)鐘，將GPS報(bào)文中的時(shí)間信息提取出來(lái)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)運(yùn)算后，在1PPS中斷到來(lái)的時(shí)刻，將時(shí)間數(shù)據(jù)寫入I2C時(shí)鐘芯片，同時(shí)將時(shí)間和信息整合后送到屏幕顯示。

3.2.2 電源電路的設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)中需要兩種電壓，例如STM32、串行電平轉(zhuǎn)換芯片為3.3V供電，而GPS模塊、液晶屏幕以及RS485接口則用5V供電。為了保證系統(tǒng)模塊簡(jiǎn)潔化，系統(tǒng)模塊直接采用外部5V電源供電，而3.3V輸出采用SA1117。在電源電路中并入多個(gè)不同容值的電容所構(gòu)成的濾波電路來(lái)抑制各種高頻信號(hào)。使系統(tǒng)能夠得到穩(wěn)定可靠且低干擾的電源，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

3.2.3 GPS模塊電路設(shè)計(jì)

GPS模塊通過(guò)天線接收多顆衛(wèi)星傳來(lái)的定位及時(shí)間數(shù)據(jù)，通過(guò)串口將數(shù)據(jù)送出，并產(chǎn)生1PPS秒脈沖。該GPS接收模塊采用GARMIN公司的最新的GPS OEM板[4]，型號(hào)為GPS15XL-W。GPS OEM接收板在任意時(shí)刻能同時(shí)接收其視野范圍里4～11顆衛(wèi)星的信號(hào)，其內(nèi)部硬件電路和軟件通過(guò)對(duì)接收到的信息進(jìn)行解碼和處理，能從中提取并輸出二種時(shí)間信號(hào)：一是間隔為1s的同步脈沖信號(hào)1PPS（電平為3V），其脈沖前沿與UTC的同步誤差不超過(guò)1μs：二是包括在串口輸出信息中的UTC（Coordinate Universal Time協(xié)調(diào)世界時(shí)）絕對(duì)時(shí)間（年、月、日、時(shí)、分、秒），它是與1PPS脈沖相對(duì)應(yīng)的，如圖2所示。

3.2.4 光/電口數(shù)據(jù)傳輸模塊

本系統(tǒng)的一大特點(diǎn)就是可使用光纖對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，因此用到光/電及電/光的轉(zhuǎn)換模塊。該模塊分別用的是HFBR-1414[5]和 HFBR-2412進(jìn)行電/光和光/電的轉(zhuǎn)換。單片機(jī)所接收到的信號(hào)就可通過(guò)電/光轉(zhuǎn)換進(jìn)行傳輸。

3.2.5 LCD顯示模塊

顯示模塊采用金鵬公司的OCMJ4×8C，該模塊采用ST7920芯片[6]。經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理的日期數(shù)據(jù)可顯示在LCD上。

3.2.6 RS-485接口[7]的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用RS-485通信。RS-485接口采用差分方式傳輸信號(hào)?？煞奖愕耐ㄟ^(guò)PC對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)上文所說(shuō)的，一個(gè)GPS授時(shí)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行接收并且解調(diào)；然后根據(jù)相應(yīng)的衛(wèi)星導(dǎo)航電文計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的UTc時(shí)間；再通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算確定鐘差，最終存儲(chǔ)并調(diào)整本機(jī)的時(shí)鐘。本系統(tǒng)為了調(diào)試方便用了RS-485進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸并可通過(guò)液晶屏顯示相應(yīng)的結(jié)果。系統(tǒng)軟件主要包括GPS信息提取、RS485的通信及LCD屏的顯示。

在GPS的信息提取部分主要要提取報(bào)文時(shí)間信息。本系統(tǒng)用GPS用NMEA-0183通信協(xié)議中的RMC數(shù)據(jù)格式?！鯮MC幀結(jié)構(gòu)為：

■GPRMC，<1>.<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>

數(shù)據(jù)格式中各字段含義見(jiàn)表1。

程序需提取的是它的字段一。程序運(yùn)行后檢測(cè)是否接受到報(bào)文，若沒(méi)有則繼續(xù)檢測(cè)，若接收到報(bào)文則接受報(bào)文的所有數(shù)據(jù)；再繼續(xù)檢測(cè)是否接收完全，若沒(méi)有則繼續(xù)接收，若收到則返回繼續(xù)檢測(cè)是否有報(bào)文。流程圖如圖3所示。

所提取到的時(shí)間信息就可對(duì)GPS的時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)。并把時(shí)間顯示到LCD1602上，完成GPS的授時(shí)。

5 調(diào)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)對(duì)軟、硬件的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，最后所完成的基于單片機(jī)的GPS高精度授時(shí)時(shí)鐘在運(yùn)行過(guò)程中性能良好。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確接收GPS報(bào)文，并對(duì)時(shí)間信息進(jìn)行運(yùn)算處理，在整10秒時(shí)刻為系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行的I2C時(shí)鐘授時(shí)。單片機(jī)將讀出的時(shí)間數(shù)據(jù)與讀出的城市數(shù)據(jù)整合，送LCM顯示。具有菜單功能，菜單共四項(xiàng)。實(shí)現(xiàn)了顯示任意城市時(shí)鐘、設(shè)任意城市時(shí)鐘為默認(rèn)、在GPS未接收到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)時(shí)手動(dòng)調(diào)整默認(rèn)城市時(shí)鐘、鬧鐘調(diào)整和顯示本地經(jīng)緯度等功能。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前市面上GPS的運(yùn)用很廣泛，如何使GPS精確的授時(shí)是一個(gè)很大的問(wèn)題。本技術(shù)應(yīng)用ST32可很好地解決這個(gè)問(wèn)題。①用1pps輸出加RS-485數(shù)據(jù)輸出進(jìn)行授時(shí)；②有電/光口可用光纖對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。③精確度很高，可精確到ns級(jí)?？蓾M足天文、地震等的要求。GPS OEM板會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。

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