GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))是世界上最完善的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。它不僅有覆蓋全球的實時、連續(xù)的高精度的三維定位能力，同時也有精準的授時功能。利用高度穩(wěn)定、精確的星載原子鐘作為信號源進行時間傳輸和比對，已成為眾多領域獲取時間的重要手段?；诖?，本文利用GPS所提供的精確授時功能，采用單片機技術，實現(xiàn)了一種GPS時鐘，并將時間信息通過LCD進行顯示。
系統(tǒng)構成及硬件實現(xiàn)
1 系統(tǒng)構成
GPS時鐘系統(tǒng)主要由GPS接收機、單片機、LCD顯示器三部分組成，如圖1所示。
圖1 GPS時鐘系統(tǒng)構成框圖
GPS接收機
在本系統(tǒng)中，GPS接收機采用Garmin公司的GPS15XL，它是12通道的GPS接收機，體積小，重量輕，功耗低，首次定位和重捕獲時間短，有較強抗遮擋和抗干擾能力，性能極其穩(wěn)定可靠，且操作簡單，易于開發(fā)。可工作在3.3～5.4V電壓范圍內，本系統(tǒng)采用+3.3V供電；精密授時類型精度可達±50ns(典型值)；具有串行端口，輸出為RS232，輸入可為RS232或者具有RS232極性的TTL電平，波特率從300～38 400可選，默認為4800，無奇偶校驗，8個數(shù)據(jù)位，1個起始位，1個停止位。GPS15XL輸出的數(shù)據(jù)以美國國家海洋電子協(xié)會(National Marine Electronics Association)的NMEA0183 ASCII碼接口協(xié)議為基礎，可輸出多條語句，內容包括經度、緯度、速度、方位角、高度、世界時、星歷等信息。還可輸出Garmin二進制格式信息。非常適合應用于車輛導航、海事導航、電力系統(tǒng)校時等。
對GPS15XL的配置，可以利用單片機通過NMEA 0183語句在程序中實現(xiàn)，也可以利用SNSRCFG軟件來進行。配置參數(shù)將被保存在永久性存儲器中，下次加電時自動生效。為簡化設計，本文采用第二種方法，即通過SNSRCFG軟件對GPS15XL進行初始化配置。
GPS15XL可以輸出兩種時間信號：一是包含在串口輸出信息中的UTC(Coordinated Universal Time協(xié)調世界時)絕對時間(年、月、日、時、分、秒)；二是間隔為1s的同步脈沖信號1PPS，其脈沖前沿與UTC的同步誤差不超過1μs。本系統(tǒng)主要是利用串口輸出的NMEA 0183語句獲取UTC時間信息。
NMEA 0183語句以“$”開始，以
$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh
$GPRMC：語句起始標志（Recommended Minimum Specific GPS／TRANSIT Data推薦定位信息）
<1> UTC時間，hhmmss(時分秒)格式
<2>定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無效定位
<9>UTC日期，ddmmyy(日月年)格式
最后的校驗碼*hh用于做奇偶校驗，通常不是必需的，但當周圍環(huán)境有較強的電磁干擾時則推薦使用校驗碼。hh代表了“$”和“*”之間所有字符的按位異或值（不包括這兩個字符）。
單片機PIC18F8520
系統(tǒng)采用Microchip公司生產的高性能RISC CPU PIC18F8520作為控制器，它內部有32KB的FLASH程序存儲器和2KB的SRAM數(shù)據(jù)存儲器、1KB的EEPROM數(shù)據(jù)存儲器；運算速度可達10MIPS；可以工作在DC～40MHz的時鐘頻率范圍之內；具有USART接口，支持RS-485和RS-232，可與GPS模塊相連，用來獲取時間信息；支持ICSP在線串行編程，便于軟件的升級和維護；支持ICD，可以在線調試，縮短開發(fā)周期。
LCD顯示器
系統(tǒng)采用LCD1602作為顯示設備。LCD1602液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中應用廣泛。它可以顯示兩行，每行16個字符，采用單＋5V電源供電，外圍電路配置簡單，價格便宜，具有很高的性價比。
2 硬件電路
系統(tǒng)的硬件電路如圖2和圖3所示。
圖2 單片機外圍電路連接
圖3 單片機與GPS模塊的連接
電路板上有3.3V和5V兩種電壓，其中LCD采用5V供電，而單片機和MAX3232工作在3.3V電壓下。外部電源為5V，經AS2830轉換為3.3V，給單片機和MAX3232供電。從圖2中可以看到，單片機的電源腳沒有與3.3V直接相連，而是通過J2、J3跳線即可連到3.3V上，也可連到VDD上。這是因為單片機在采用PIC16-MCD2編程器通過ICSP接口進行在線編程時由MCD2供電，這時，單片機電源腳需連接到VDD上（MCD2輸出電壓VDD為5V）；而正常運行時單片機由電路板供電，J2、J3跳線連接到3.3V上，單片機就工作在3.3V，可以降低功耗。
PIC18F8520既有模擬電源、模擬地引腳也有數(shù)字電源、數(shù)字地引腳，在電路設計中，采用模擬電源、數(shù)字電源分離，模擬地、數(shù)字地分離，模擬電源和數(shù)字電源之間通過磁珠連接，模擬地和數(shù)字地通過0Ω電阻在單點連接，以避免模擬信號與數(shù)字信號之間的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。
軟件實現(xiàn)
軟件由主程序和中斷子程序組成，在MPLAB IDE v8.53環(huán)境下，采用MPLAB C18編譯器，用C語言編程實現(xiàn)。
在主程序中進行系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)處理、LCD顯示，GPS數(shù)據(jù)的接收則通過串口中斷實現(xiàn)，每收到一條完整的NMEA語句，就設定一個標志，在主程序中通過查詢該標志進行UTC時間的提取以及轉換成北京時間，再通過LCD顯示。由于將復雜的數(shù)據(jù)處理放到主程序中，這樣就可以使中斷程序盡量簡短，在發(fā)生其他中斷時，單片機可以及時做出響應，提高了系統(tǒng)的實時性。流程圖如圖4所示。
圖4 流程圖
由于GPS模塊輸出的時間為UTC時間，根據(jù)習慣，需轉換成本地時間（北京時間），這項工作在主程序中完成。根據(jù)本地時間=UTC時間+時區(qū)值，而北京位于第8時區(qū)，時區(qū)值為+8，故北京時間=UTC時間+8。在轉換過程中，須對16:00:00—23:59:59 UTC時間作相應的處理，+8后判斷小時是否大于24，若大于，則減去24，同時日期+1，另外，還涉及到閏年、大月、小月的處理。
中斷服務程序流程圖中，串口接收數(shù)據(jù)時判斷字頭，只判斷了“$”一個字符，這是因為之前已通過SNSRCFG軟件將GPS15XL設置為只輸出GPRMC一條NMEA語句。
調試及運行
首先，對GPS15XL進行初始化。將GPS15XL通過串口與PC連接好，給GPS15XL上電，用軟件SNSRCFG設置初始化信息，波特率設為9600，只輸出一條GPRMC語句（要獲取UTC日期和時間，一條GPRMC語句就足夠了），將這些信息寫入OEM板內的永久性存儲器中，下次上電時將會自動生效。
然后，通過電路板上預留的ICSP接口，利用PIC16-MCD2編程器將編譯好的程序寫入單片機。編程時不給電路板供電，單片機通過MCD2供電，須注意電路板上跳線的設置。
最后，將GPS15XL與電路板連接。給電路板和GPS15XL上電，授時接收系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)，單片機通過RS-232串行方式接收GPS15XL的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，獲取準確的時間信息，并轉換成北京時間，通過LCD顯示。
注意：使用時，GPS授時天線一定要放在開闊的室外，否則接收不到衛(wèi)星信號，也就無法獲取UTC時間信息。
結語
本文利用PIC18F8520提取GPS高精度時鐘，并在LCD上顯示，所實現(xiàn)的時鐘系統(tǒng)是配電線路故障遠程監(jiān)測及定位系統(tǒng)項目的一部分，經測試，該設計運行穩(wěn)定，能夠為整個系統(tǒng)提供精確的時間信息，具有較高的可靠性、準確性和實用性。此外，還可以將GPS時鐘的內核嵌入其他系統(tǒng)，以其時間作為系統(tǒng)時間，例如：金融/證券實時結算、民航/鐵路/交通調度系統(tǒng)、各種計算機網絡系統(tǒng)、實時通信網絡系統(tǒng)、體育彩票和福利彩票等實時銷售系統(tǒng)等，應用非常廣泛。