劉愛(ài)東 ，李知宇 ，王 豐 ，賀林波

（1.海軍航空工程學(xué)院201教研室，山東煙臺(tái)264001；2.海軍航空工程學(xué)院研究生管理大隊(duì)，山東煙臺(tái)264001；3.海軍航空工程學(xué)院訓(xùn)練部數(shù)字化校園辦公室，山東煙臺(tái)264001）

無(wú)人機(jī)標(biāo)校作為完成著艦引導(dǎo)系統(tǒng)下滑道一致性檢查的一種方式，具有安全有效、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。但架設(shè)的標(biāo)校設(shè)備必須具有架設(shè)簡(jiǎn)便、低功率的特性[1]。

在基于無(wú)人機(jī)的標(biāo)校系統(tǒng)中，系統(tǒng)的精確授時(shí)與同步是非常重要的工作，同時(shí)標(biāo)校系統(tǒng)須完成自身的定位功能。廣泛應(yīng)用的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System），能夠在全球范圍內(nèi)廣播位置信息和高精度的時(shí)間基準(zhǔn)[2]，同時(shí)信息便于采集。因此，基于GPS技術(shù)來(lái)同步授時(shí)標(biāo)校系統(tǒng)的嵌入式設(shè)計(jì)方案具有重要的意義。

1 系統(tǒng)工作原理與組成

GPS模塊工作時(shí)同時(shí)接收兩種類(lèi)型的信息，一種是包含UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間等衛(wèi)星數(shù)據(jù)，另一種是GPS秒脈沖信號(hào)1PPS，每秒輸出一個(gè)電平信號(hào)，高電平有效，處理器監(jiān)聽(tīng)秒脈沖電平特性，以獲取同步信號(hào)，處理器監(jiān)聽(tīng)秒脈沖信號(hào)同時(shí)對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，獲取秒脈沖對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息，并對(duì)處理器時(shí)鐘校時(shí)，完成授時(shí)功能[3-7]。因此工作原理框圖如圖1所示。

本文方案選型中，處理器選用現(xiàn)在流行的ARMv8處理器，是ARM公司首推的支持64位指令集的處理器，同時(shí)也支持32位的指令，主頻1.2 GHz的四核ARM處理器構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，采用5 V直流電供電，全速工作功耗小于3.5 W，搭配1 G的DDR內(nèi)存，16G的SD卡存儲(chǔ)。GPS模塊接收芯片采用U-Blox公司的NEO-M8T，用來(lái)接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)與GPS秒脈沖和衛(wèi)星數(shù)據(jù)，尺寸為12.2*16 mm，是U-Blox公司推出的高精度授時(shí)芯片，授時(shí)精度為20 μs。電源方面采用5 V直流電的蓄電池供電。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

GPS模塊的穩(wěn)定工作是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)，GPS模塊是高靈敏度模塊，對(duì)噪聲容限度較低，因此對(duì)輸入電源的穩(wěn)定性與可靠性提出較高的要求。

本文設(shè)計(jì)一種穩(wěn)壓電源電路，穩(wěn)壓電路如圖2所示。

圖2 穩(wěn)壓電路圖

將ARM處理器所在的微控制板輸出5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓，給GPS模塊供電，且能對(duì)GPS模塊提供電源保護(hù)功能。選用的MIC5205芯片，是一種有效的噪聲輸出線性穩(wěn)壓器件，具有去噪和保護(hù)電路的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 前置放大電路設(shè)計(jì)

GPS接收模塊接收衛(wèi)星信號(hào)后，需有前置放大電路，用來(lái)改善信噪比，前置放大電路如圖3所示。

前置放大器是寬帶低噪載頻放大器，本文選用MAX659ELT類(lèi)型芯片，是GPS低噪聲放大器，具有高增益、低噪聲特性，增益19 dB，噪聲系數(shù)0.8 dB，頻率為1 575.42 MHz，可有效提高GPS模塊的接收靈敏度[8-10]。

圖3 前置放大電路設(shè)計(jì)

2.3 接口電路設(shè)計(jì)

本文的方案設(shè)計(jì)中，需要GPS模塊通過(guò)串口將接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸至ARM處理器，在U-Blox引腳提供串口傳輸方式中，有UART接口、USB接口等可供選擇。標(biāo)校系統(tǒng)授時(shí)同步模塊要求串口必須具備傳輸速率高，可靠性高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。在筆者設(shè)計(jì)的模塊輸出接口中，二者都有，UART接口的輸出如圖2所示，但軟件設(shè)計(jì)上最終選擇USB接口的輸出方式，相比于UART接口，USB2.0接口全速可達(dá)12 Mbit/s，抗干擾性能較強(qiáng)，穩(wěn)定性好[11]。USB接口電路如圖4所示：

圖4 USB接口電路圖

為完成基本通信功能，只用到DN，DP，GND引腳即可，接口采用5 V直流電供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ARM處理器操作系統(tǒng)為L(zhǎng)INUX系統(tǒng)，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)也是LINUX系統(tǒng)下編程來(lái)完成其授時(shí)同步功能[10]。

3.1 讀取GPS模塊信息

ARM處理器從GPS模塊讀取兩種信息，一種是GPS秒脈沖，每秒輸出脈沖信號(hào)，高電平有效，ARM處理器不斷監(jiān)聽(tīng)GPS模塊的PPS引腳，獲取GPS秒脈沖信號(hào)作為系統(tǒng)同步的時(shí)間基準(zhǔn)。與此同時(shí)處理器不斷通過(guò)USB接口接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，提取GPS秒脈沖對(duì)應(yīng)的UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息來(lái)對(duì)本地時(shí)鐘校時(shí)，同時(shí)存儲(chǔ)接收的衛(wèi)星數(shù)據(jù)至文件中，以事后處理數(shù)據(jù)[11-16]。為完成上述功能，本文設(shè)計(jì)了一種多線程讀取GPS模塊輸出信息完成的方式。其主要代碼如下所示：

3.2 授時(shí)同步

3.2.1 UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間

GPS模塊輸出的衛(wèi)星數(shù)據(jù)中，包括國(guó)際海洋電子協(xié)會(huì)提出的NMEA0183格式數(shù)據(jù)[13-16]。該協(xié)議采用 ASCII碼，數(shù)據(jù)位 8 bit，開(kāi)始位 1 bit，停止位 1 bit。GPS模塊每秒輸出這種格式數(shù)據(jù)，包含位置坐標(biāo)信息和UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息。數(shù)據(jù)每行都以$開(kāi)頭，后面緊跟數(shù)據(jù)信息，對(duì)標(biāo)校系統(tǒng)授時(shí)同步功能模塊來(lái)說(shuō)，最重要的是$GPGGA開(kāi)頭的語(yǔ)句，其數(shù)據(jù)格式為

$GPGGA，＜1>，＜2>，＜3>，＜4>，＜5>，＜6>，＜7>，＜8>，＜9>，＜10>，＜11>，＜12>，＜13>，＜14>*＜15>＜CR>＜LF>

其中重要的數(shù)據(jù)有：

＜1>UTC時(shí)間，格式為hhmmss.sss。（給出單位至毫秒的時(shí)間精度）

＜2>緯度，格式為ddmm.mmmm（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）。

＜3>緯度半球，N或S（北緯或南緯）。

＜4>經(jīng)度，格式為dddmm.mmmm（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）。

＜5>經(jīng)度半球，E或W（東經(jīng)或西經(jīng)）。

可提取UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，對(duì)標(biāo)校系統(tǒng)授時(shí)。

3.2.2 GPS秒脈沖

GPS秒脈沖是系統(tǒng)同步重要時(shí)間基準(zhǔn)，同步精度很高，其脈沖前沿與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的同步誤差不超過(guò)1 ms，輸出高電平有效3.3 V[17-19]，為檢測(cè)設(shè)計(jì)的GPS模塊輸出GPS秒脈沖信號(hào)的特性，采用示波器讀取所設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸出的GPS秒脈沖的波形，并進(jìn)行分析，波形如圖5所示。

圖5 GPS秒脈沖波形

從波形圖得知，筆者設(shè)計(jì)的GPS模塊輸出的GPS秒脈沖頻率為1 Hz，高電平100 ms，低電平900 ms，頻率穩(wěn)定，可靠性高，能夠作為標(biāo)校系統(tǒng)同步的時(shí)間信號(hào)。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

處理器在監(jiān)聽(tīng)到GPS秒脈沖信號(hào)后，分析語(yǔ)句$GPGGA開(kāi)頭的UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，同時(shí)獲取LINUX系統(tǒng)內(nèi)核時(shí)鐘，然后與本地時(shí)鐘比較，得出時(shí)鐘偏差并校正本地時(shí)鐘，隨著監(jiān)聽(tīng)GPS秒脈沖次數(shù)的增加，最終使本地的時(shí)鐘與UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一致，完成系統(tǒng)的授時(shí)同步功能，測(cè)試的偏差量如表1所示。

表1 時(shí)間偏差量

在完成授時(shí)同步功能同時(shí)，處理器將GPS模塊接收的衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至SD卡中，以作后續(xù)的數(shù)據(jù)處理用，采集存儲(chǔ)衛(wèi)星數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示6所示。

圖6 GPS模塊采集衛(wèi)星數(shù)據(jù)圖

4 結(jié) 論

文中針對(duì)基于無(wú)人機(jī)的標(biāo)校系統(tǒng)中授時(shí)同步問(wèn)題，結(jié)合應(yīng)用的條件分析，提出基于GPS技術(shù)來(lái)授時(shí)同步的嵌入式設(shè)計(jì)方案，采用U-Blox公司芯片設(shè)計(jì)GPS模塊，采用ARM處理器作為核心控制器完成GPS模塊輸出信息采集并對(duì)標(biāo)校系統(tǒng)授時(shí)同步功能，采用嵌入式開(kāi)發(fā)有關(guān)技術(shù)完成方案軟硬件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)可靠性高，能夠完成系統(tǒng)的授時(shí)同步功能。該方案具有體積小、架設(shè)方便、功耗低、便于無(wú)人機(jī)架設(shè)的優(yōu)點(diǎn)。

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