基于ARM的GPS同步授時系統設計

摘要：基于國際航海標準NMEA-0183為數據協議，以保證電力系統精準授時為目的，通過ARM微控制器STM32f103rbt6和高精度GPS接收模塊NEO-5Q為核心控制數據采集和傳輸，實現了GPS同步授時的設計方案。系統采用GPS接收模塊接收衛星發送的標準數據串，通過微控制器對GPIRMC最小定位信息中的時間數據進行篩選和處理，最后經上位機授時軟件對本地計算機進行成功校時，保證了系統的可行性。
關鍵詞：NMEA-0183；Codex-M3；STM32f103；CPS

時間同步在工業應用中是十分重要的基礎工作，特別是對時間要求較高的電力系統。近年來，電力系統大多采用不同廠家的計算機監控系統、諧波分析系統、故障錄波裝置、微機保護、電能質量計費系統等，時間數據大多是設備提供自己獨立的時鐘，而時鐘因產品質量差異，在對時精度上都會有一定的偏差，從而使整個系統不能在統一的時間基礎上進行數據的分析和比較，給事故后采取正確的故障分析判斷帶來很大的困難。
由于電力系統傳統的時間同步方法只能保證全系統時鐘誤差在毫秒級，很難達到目前要求的精度。GPS同步授時系統具有授時精度高、范圍廣、可靠性高全天候且又不受各種干擾影響的特點，因此，采用GPS同步授時系統比采用傳統的時鐘設備有著明顯的優勢，并且可廣泛應用于對時統精度較高的行業中。

1 GPS同步授時系統原理
如圖1所示，整個系統以Cortex-M3為內核的ARM微處理器STM32f103rbt6為核心，并采用瑞士U-Blox公司NEO-5Q GPS數據接收模塊接收衛星數據，微處理器從衛星數據中提取標準UTC時間碼同時將其轉換成標準北京時間碼傳輸給本地計算機，最后由上位機授時軟件對本地計算機進行校時，完成授時過程。

1．1 ARM微處理器STM32f103rbt6
STM32f103rbt6是意法半導體公司一款基于Conex-M3內核的32位微控制器，它主要應用于智能儀表、變頻器、工控網絡、高端家電和操作界面等領域。STM32f103系列微控制器開發簡單，有豐富的語句代碼庫，與ARM7TDMI相比運行速度最多可快35％且代碼最多可省45％。綜合考慮選用了此款微控制器為本系統的核心。
該微控制器特點如下：
1)Cortex-M3內核、哈佛總線結構(可達90 DMIPS)；
2)20 K字節的SRAM，128 K字節的Flash；主頻72 MHz，可在系統編程；
3)帶喚醒功能的低功耗模式、內部RC振蕩器、內置復位電路；
4)在待機模式下，典型的耗電值僅為2μA，非常適合電池供電的應用；
5)3個16位通用的定時器，1個系統時間定時器：24位自減型。
1．2 NEO-5Q GPS接收模塊
本系統選用較低功耗的NEO-5Q GPS超小型衛星接收模塊，此芯片為多功能獨立型GPS模組，以ROM為基礎構架，成本低，體積小，最多可搜尋32個衛星頻道，能夠從接收到的信息中提取并輸出2種時間信號：一是脈沖信號1PPS，其脈沖前沿與國際標準時間的同步誤差不超過1μs；二是經串口輸出的時間信息，它在1PPS脈沖之間給出，用來說明一個1PPS脈沖對應的UTC時間(年、月、日、時、分、秒)。NEO-5Q有UART和USB2．0兩種接口，數據全速傳輸可達12 Mbit／s，具有高精度時間信號、在惡劣環境下持續工作的優點，可以達到系統要求。