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文檔簡介
精品文檔-下載后可編輯基于GPS的授時(shí)服務(wù)器的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用引言
定位系統(tǒng)(globalpositioningsystem,GPS)自從建成以來,得到了廣泛的應(yīng)用,在航天、軍事、經(jīng)濟(jì)、通信、電力、交通等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。授時(shí)系統(tǒng)的功能是使鐘表或測(cè)量儀器的時(shí)鐘與國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間達(dá)到同步。通??捎迷隅妬肀WC儀器的時(shí)間與國標(biāo)時(shí)間達(dá)到同步,但是原子鐘價(jià)格昂貴。常用的授時(shí)方法主要有無線電授時(shí)、衛(wèi)星授時(shí)、網(wǎng)絡(luò)授時(shí)等。其中利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行物體定位、時(shí)鐘授時(shí)與同步數(shù)據(jù)采集控制,可以達(dá)到傳統(tǒng)測(cè)量控制手段所不及的程度,同時(shí)可以獲得本地定位信息等數(shù)據(jù)。這種衛(wèi)星定位授時(shí)同步技術(shù)在航空航海、陸上交通、科學(xué)考察、極地探險(xiǎn)、地理測(cè)量、氣象預(yù)報(bào)、設(shè)備巡檢、系統(tǒng)監(jiān)控等方面得到廣泛應(yīng)用。GPS時(shí)鐘采用世界協(xié)調(diào)時(shí)-UTC,在GPS衛(wèi)星上載有與UTC時(shí)間同步的銫原子鐘,成為一種空間的時(shí)間基準(zhǔn),用戶可接收GPS衛(wèi)星的時(shí)間服務(wù)信號(hào),校正本機(jī)時(shí)鐘,與GPS時(shí)鐘同步,完成時(shí)間傳遞任務(wù),稱為GPS授時(shí)。
2工作原理
GPS授時(shí)服務(wù)器主要由AT89S52單片機(jī)、LCM顯示模塊和GPSOEM模塊GPS25-LVS以及輸出模塊等組成。它能夠顯示經(jīng)緯度、北京時(shí)間、速度等實(shí)時(shí)信息,其系統(tǒng)原理見圖1。
單片機(jī)作為主控制器,對(duì)GPS25-LVS模塊進(jìn)行初始化,GPS25-LVS模塊接收衛(wèi)星傳送的信號(hào),輸出NMEA-0183格式語句,經(jīng)過單片機(jī)的解算處理,送至LCM液晶顯示模塊進(jìn)行顯示,同時(shí)由輸出模塊提供多種電氣特性的秒脈沖(1PPS)信號(hào)。
3硬件設(shè)計(jì)
3.1GPSOEM模塊的選擇
GARMIN公司的GPS25-LVS系列OEM板[4]采用單一5V供電,內(nèi)置保護(hù)電池,RS232、TTL兩種電平自動(dòng)輸出NMEA01832.0格式(ASCII字符型)語句,是目前應(yīng)用廣泛的GPS接收處理板之一,能滿足各種導(dǎo)航和授時(shí)領(lǐng)域的需求。具有很高的性價(jià)比和強(qiáng)有力的市場(chǎng)競爭力,其主要性能特點(diǎn)如下:
并行12通道,可同時(shí)接收12顆衛(wèi)星
定位時(shí)間:重捕2sec,熱啟動(dòng)為15sec,冷啟動(dòng)45sec,自動(dòng)搜索90sec
定位精度:15mRMS/差分時(shí)5m
可接收實(shí)時(shí)差分信號(hào)用于定位,信號(hào)格式為RTCMSC-104,波特率自適應(yīng)。
1PPS秒脈沖信號(hào)輸出,精度指標(biāo)高達(dá)10-6秒
雙串口(TTL)輸出,波特率可由軟件設(shè)置(1200~9600)
靈敏度:-166Dbw
天線接口:50ohmMCX接頭有源天線(5V)
3.2GPS25-LVS模塊的數(shù)據(jù)輸出格式
GPS25-LVS的通信波特率默認(rèn)值為4800,1個(gè)起始位,8個(gè)數(shù)據(jù)位,1個(gè)停止位,無奇偶校驗(yàn)。通常使用NMEA-0183格式輸出,數(shù)據(jù)代碼為ASCII碼字符。NMEA-0183是美國海洋電子協(xié)會(huì)為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式,目前廣泛使用V2.0版本。由于該格式為ASCII碼字符串,比較直觀和易于處理,在許多語言中都可以直接進(jìn)行判別、分離,以提取用戶所需要的數(shù)據(jù)。GPS25-LVS系列OEM板可輸出12句語句,分別是GPGGA,GPGSA,GPGSV,GPRMC,GPVTG,LCGLL,LCVTG,PGRME,PGRMF,PGRMT,PGRMV,GPGLL。
3.3GPSOEM與AT89S52的連接
GPS25-LVSOEM板有2個(gè)串行口,其串口2用來接收RTCMSC2104版本2.1的GPS差分信息,相位數(shù)據(jù)輸出。串口1是異步串行數(shù)據(jù)通信接口,因此可與AT89S52單片機(jī)進(jìn)行異步串行數(shù)據(jù)通信。由于串口配置的電平為標(biāo)準(zhǔn)的RS-232電平,而AT89S52單片機(jī)的輸出電壓為0~5V的TTL電平,二者的電壓規(guī)范不一致,所以不能直接進(jìn)行通訊.為使TTL電平與RS-232標(biāo)準(zhǔn)兼容,采用了MAXIM公司的多路發(fā)送,接收集成芯片MAX232,實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與OEM板的串行通信。GPS25-LVSOEM板初始化后,還會(huì)輸出秒脈沖信號(hào)。1pps信號(hào)由CPLD處理后一路作為單片機(jī)的外部中斷源,以實(shí)現(xiàn)時(shí)間信息的同步處理,另外也用來監(jiān)測(cè)信號(hào)是否正常。
3.4矩陣鍵盤及LCM顯示
設(shè)計(jì)2×4矩陣鍵盤,可以在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)響應(yīng)用戶的操作。按鍵有“菜單”、“向上”、“向下”和“清除”等功能。單片機(jī)程序運(yùn)行中實(shí)時(shí)檢測(cè)按鍵操作,當(dāng)有按鍵按下后,進(jìn)行去抖、掃描等操作,取得按鍵的鍵值,根據(jù)鍵值和當(dāng)前狀態(tài),執(zhí)行不同代碼以實(shí)現(xiàn)鍵盤復(fù)用。
在系統(tǒng)中,使用HTM4002A的點(diǎn)陣圖形液晶模塊,該模塊使用S6A0069控制驅(qū)動(dòng)器,內(nèi)置國標(biāo)一、二級(jí)字庫,該液晶模塊不僅顯示字符、漢字,而且也可以顯示連續(xù)、完整的圖形。該模塊使用單電源5V供電,無需負(fù)壓。
3.5邏輯電路及輸出
邏輯電路主要由CPLD來實(shí)現(xiàn),采用了Altera的MAX7000S系列的EPM-7128,基于電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)的MAX7000產(chǎn)品采用先進(jìn)的CMOS工藝制造,提供從32到512個(gè)宏單元的密度范圍,速度達(dá)3.5ns的管腳到管腳延遲。支持在系統(tǒng)可編程能力(ISP),可以在現(xiàn)場(chǎng)輕松進(jìn)行重配置。
EPM-7128產(chǎn)生本地秒脈沖,它在有GPS秒脈沖時(shí)不起作用,在失去GPS信號(hào)時(shí)代替GPS給單片機(jī)提供秒脈沖輸出。如圖2所示,信號(hào)1即為本地秒脈沖,它是依據(jù)前1S的1PPS信號(hào)上升沿為起始時(shí)刻,定時(shí)1S得到的,同時(shí)為了在一定誤差情況下使自產(chǎn)生的脈沖不至于覆蓋正常工作時(shí)的GPS秒脈沖,所以加了一段延時(shí)△t,而在檢測(cè)到失去GPS信號(hào)時(shí),就要去掉△t,以代替GPS秒脈沖。信號(hào)2為EPM-7128輸出的一個(gè)窄脈沖信號(hào),用來屏蔽脈沖干擾,它分布在GPS秒脈沖上升沿兩側(cè),與GPS秒脈沖進(jìn)行與操作。在窄脈沖之外的脈沖干擾就會(huì)被屏蔽。這樣就實(shí)現(xiàn)了防止GPS信號(hào)失效和抗干擾脈沖功能。
輸出模塊包括MAX232、DS90C031、74HC245等多種芯片,它們將EPM-7128的輸出轉(zhuǎn)換為232、差分及TTL等多種電氣特性的秒脈沖信號(hào)的輸出,為各種應(yīng)用提供便捷的解決方案。
4軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用C51編程[2]實(shí)現(xiàn),主程序流程見圖3.首先初始化,OEM板輸出的數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)流的形式輸出,采集的起始時(shí)刻未必是一幀數(shù)據(jù)的開始時(shí)刻,所以在數(shù)據(jù)采集時(shí),必須先判斷字頭塊,在接收到字頭塊后,開始采集數(shù)據(jù)。設(shè)定單片機(jī)的波特率為4800bit/s,使其與GPSOEM板的傳輸波特率一致。給OEM板發(fā)送一條指令,使其發(fā)送的0183數(shù)據(jù)格式為“$GPGGA”,該指令預(yù)先存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器里,用循環(huán)方式順次從程序存儲(chǔ)器里取出數(shù)據(jù)就可循環(huán)發(fā)送,然后OEM板將輸出相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)。單片機(jī)對(duì)接收的信息進(jìn)行判斷,由于接收到的時(shí)間是協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC),因此在此時(shí)間上加上8小時(shí)才是準(zhǔn)確的北京時(shí)間,并對(duì)時(shí)間信息做相應(yīng)的處理,然后進(jìn)行顯示。
5結(jié)論
本文采用的GPSOEM板的串口輸出的協(xié)調(diào)世界時(shí)進(jìn)行授時(shí),其操作簡便,實(shí)用性強(qiáng),并且提供了豐富的秒脈沖接口,能滿足大多數(shù)用戶的要求。在GPS信號(hào)正常時(shí)具有較高的精度,授時(shí)系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,誤差小于100ns,結(jié)果較為滿意。在GPS信號(hào)失效時(shí)也能保證相當(dāng)?shù)男裕渚群头€(wěn)定度與恒溫晶振的頻率精度和穩(wěn)定度有直接的關(guān)系,如果CPLD采用精度更高的時(shí)鐘信號(hào),結(jié)果將會(huì)更為理想。
參考文獻(xiàn):
[1].AT89S52datasheet/datasheet/AT89S52_970343.html.[2].RS232datasheet/datasheet/RS232_585128.html.[3].TTLdatasheet/datasheet/TTL_1174409.html.[4].RS-232datasheet/datasheet/RS-232_584855.html.[5].MAXIMdatasheet/datasheet/MAXIM+_1062568.html.[6].MAX232datasheet/datasheet/MAX232_1074207.html.[7].CPLDdatasheet/datasheet/CPLD_1136600.html.[8].S6A0069datasheet/
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