GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))是世界上最完善的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它不僅有覆蓋全球的實(shí)時(shí)、連續(xù)的高精度的三維定位能力，同時(shí)也有精準(zhǔn)的授時(shí)功能。利用高度穩(wěn)定、精確的星載原子鐘作為信號(hào)源進(jìn)行時(shí)間傳輸和比對(duì)，已成為眾多領(lǐng)域獲取時(shí)間的重要手段。基于此，本文利用GPS所提供的精確授時(shí)功能，采用單片機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一種GPS時(shí)鐘，并將時(shí)間信息通過(guò)LCD進(jìn)行顯示。
系統(tǒng)構(gòu)成及硬件實(shí)現(xiàn)
1 系統(tǒng)構(gòu)成
GPS時(shí)鐘系統(tǒng)主要由GPS接收機(jī)、單片機(jī)、LCD顯示器三部分組成，如圖1所示。
圖1 GPS時(shí)鐘系統(tǒng)構(gòu)成框圖
GPS接收機(jī)
在本系統(tǒng)中，GPS接收機(jī)采用Garmin公司的GPS15XL，它是12通道的GPS接收機(jī)，體積小，重量輕，功耗低，首次定位和重捕獲時(shí)間短，有較強(qiáng)抗遮擋和抗干擾能力，性能極其穩(wěn)定可靠，且操作簡(jiǎn)單，易于開(kāi)發(fā)?？晒ぷ髟?.3～5.4V電壓范圍內(nèi)，本系統(tǒng)采用+3.3V供電；精密授時(shí)類(lèi)型精度可達(dá)±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(rèn)為4800，無(wú)奇偶校驗(yàn)，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)起始位，1個(gè)停止位。GPS15XL輸出的數(shù)據(jù)以美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)(National Marine Electronics Association)的NMEA0183 ASCII碼接口協(xié)議為基礎(chǔ)，可輸出多條語(yǔ)句，內(nèi)容包括經(jīng)度、緯度、速度、方位角、高度、世界時(shí)、星歷等信息。還可輸出Garmin二進(jìn)制格式信息。非常適合應(yīng)用于車(chē)輛導(dǎo)航、海事導(dǎo)航、電力系統(tǒng)校時(shí)等。
對(duì)GPS15XL的配置，可以利用單片機(jī)通過(guò)NMEA 0183語(yǔ)句在程序中實(shí)現(xiàn)，也可以利用SNSRCFG軟件來(lái)進(jìn)行。配置參數(shù)將被保存在永久性存儲(chǔ)器中，下次加電時(shí)自動(dòng)生效。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本文采用第二種方法，即通過(guò)SNSRCFG軟件對(duì)GPS15XL進(jìn)行初始化配置。
GPS15XL可以輸出兩種時(shí)間信號(hào)：一是包含在串口輸出信息中的UTC(Coordinated Universal Time協(xié)調(diào)世界時(shí))絕對(duì)時(shí)間(年、月、日、時(shí)、分、秒)；二是間隔為1s的同步脈沖信號(hào)1PPS，其脈沖前沿與UTC的同步誤差不超過(guò)1μs。本系統(tǒng)主要是利用串口輸出的NMEA 0183語(yǔ)句獲取UTC時(shí)間信息。
NMEA 0183語(yǔ)句以“$”開(kāi)始，以
$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh
$GPRMC：語(yǔ)句起始標(biāo)志（Recommended Minimum Specific GPS／TRANSIT Data推薦定位信息）
<1> UTC時(shí)間，hhmmss(時(shí)分秒)格式
<2>定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無(wú)效定位
<9>UTC日期，ddmmyy(日月年)格式
最后的校驗(yàn)碼*hh用于做奇偶校驗(yàn)，通常不是必需的，但當(dāng)周?chē)h(huán)境有較強(qiáng)的電磁干擾時(shí)則推薦使用校驗(yàn)碼。hh代表了“$”和“*”之間所有字符的按位異或值（不包括這兩個(gè)字符）。
單片機(jī)PIC18F8520
系統(tǒng)采用Microchip公司生產(chǎn)的高性能RISC CPU PIC18F8520作為控制器，它內(nèi)部有32KB的FLASH程序存儲(chǔ)器和2KB的SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、1KB的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；運(yùn)算速度可達(dá)10MIPS；可以工作在DC～40MHz的時(shí)鐘頻率范圍之內(nèi)；具有USART接口，支持RS-485和RS-232，可與GPS模塊相連，用來(lái)獲取時(shí)間信息；支持ICSP在線串行編程，便于軟件的升級(jí)和維護(hù)；支持ICD，可以在線調(diào)試，縮短開(kāi)發(fā)周期。
LCD顯示器
系統(tǒng)采用LCD1602作為顯示設(shè)備。LCD1602液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。它可以顯示兩行，每行16個(gè)字符，采用單＋5V電源供電，外圍電路配置簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，具有很高的性價(jià)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(jī)外圍電路連接
圖3 單片機(jī)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(jī)和MAX3232工作在3.3V電壓下。外部電源為5V，經(jīng)AS2830轉(zhuǎn)換為3.3V，給單片機(jī)和MAX3232供電。從圖2中可以看到，單片機(jī)的電源腳沒(méi)有與3.3V直接相連，而是通過(guò)J2、J3跳線即可連到3.3V上，也可連到VDD上。這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)在采用PIC16-MCD2編程器通過(guò)ICSP接口進(jìn)行在線編程時(shí)由MCD2供電，這時(shí)，單片機(jī)電源腳需連接到VDD上（MCD2輸出電壓VDD為5V）；而正常運(yùn)行時(shí)單片機(jī)由電路板供電，J2、J3跳線連接到3.3V上，單片機(jī)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(shè)計(jì)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(guò)磁珠連接，模擬地和數(shù)字地通過(guò)0Ω電阻在單點(diǎn)連接，以避免模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。
軟件實(shí)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(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。
在主程序中進(jìn)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(guò)串口中斷實(shí)現(xiàn)，每收到一條完整的NMEA語(yǔ)句，就設(shè)定一個(gè)標(biāo)志，在主程序中通過(guò)查詢?cè)摌?biāo)志進(jìn)行UTC時(shí)間的提取以及轉(zhuǎn)換成北京時(shí)間，再通過(guò)LCD顯示。由于將復(fù)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(jiǎn)短，在發(fā)生其他中斷時(shí)，單片機(jī)可以及時(shí)做出響應(yīng)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。流程圖如圖4所示。
圖4 流程圖
由于GPS模塊輸出的時(shí)間為UTC時(shí)間，根據(jù)習(xí)慣，需轉(zhuǎn)換成本地時(shí)間（北京時(shí)間），這項(xiàng)工作在主程序中完成。根據(jù)本地時(shí)間=UTC時(shí)間+時(shí)區(qū)值，而北京位于第8時(shí)區(qū)，時(shí)區(qū)值為+8，故北京時(shí)間=UTC時(shí)間+8。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，須對(duì)16:00:00—23:59:59 UTC時(shí)間作相應(yīng)的處理，+8后判斷小時(shí)是否大于24，若大于，則減去24，同時(shí)日期+1，另外，還涉及到閏年、大月、小月的處理。
中斷服務(wù)程序流程圖中，串口接收數(shù)據(jù)時(shí)判斷字頭，只判斷了“$”一個(gè)字符，這是因?yàn)橹耙淹ㄟ^(guò)SNSRCFG軟件將GPS15XL設(shè)置為只輸出GPRMC一條NMEA語(yǔ)句。
調(diào)試及運(yùn)行
首先，對(duì)GPS15XL進(jìn)行初始化。將GPS15XL通過(guò)串口與PC連接好，給GPS15XL上電，用軟件SNSRCFG設(shè)置初始化信息，波特率設(shè)為9600，只輸出一條GPRMC語(yǔ)句（要獲取UTC日期和時(shí)間，一條GPRMC語(yǔ)句就足夠了），將這些信息寫(xiě)入OEM板內(nèi)的永久性存儲(chǔ)器中，下次上電時(shí)將會(huì)自動(dòng)生效。
然后，通過(guò)電路板上預(yù)留的ICSP接口，利用PIC16-MCD2編程器將編譯好的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)。編程時(shí)不給電路板供電，單片機(jī)通過(guò)MCD2供電，須注意電路板上跳線的設(shè)置。
最后，將GPS15XL與電路板連接。給電路板和GPS15XL上電，授時(shí)接收系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，單片機(jī)通過(guò)RS-232串行方式接收GPS15XL的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，獲取準(zhǔn)確的時(shí)間信息，并轉(zhuǎn)換成北京時(shí)間，通過(guò)LCD顯示。
注意：使用時(shí)，GPS授時(shí)天線一定要放在開(kāi)闊的室外，否則接收不到衛(wèi)星信號(hào)，也就無(wú)法獲取UTC時(shí)間信息。
結(jié)語(yǔ)
本文利用PIC18F8520提取GPS高精度時(shí)鐘，并在LCD上顯示，所實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘系統(tǒng)是配電線路故障遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及定位系統(tǒng)項(xiàng)目的一部分，經(jīng)測(cè)試，該設(shè)計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)提供精確的時(shí)間信息，具有較高的可靠性、準(zhǔn)確性和實(shí)用性。此外，還可以將GPS時(shí)鐘的內(nèi)核嵌入其他系統(tǒng)，以其時(shí)間作為系統(tǒng)時(shí)間，例如：金融/證券實(shí)時(shí)結(jié)算、民航/鐵路/交通調(diào)度系統(tǒng)、各種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、體育彩票和福利彩票等實(shí)時(shí)銷(xiāo)售系統(tǒng)等，應(yīng)用非常廣泛。