基于 PIC18F8520 的 GPS 精準時鐘實現

GPS(Global Positioning System，全球定位系統)是世界上最完善的衛星導航系統。它不僅有覆蓋全球的實時、連續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。基于此，本文利用GPS所提供的精確授時功能，采用單片機技術，實現了一種GPS時鐘，并將時間信息通過LCD進行顯示。

系統構成及硬件實現
1 系統構成
GPS時鐘系統主要由GPS接收機、單片機、LCD顯示器三部分組成，如圖1所示。

圖1 GPS時鐘系統構成框圖

GPS接收機
在本系統中，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，性能極其穩定可靠，且操作簡單，易于開發。可工作在3.3～5.4V電壓范圍內，本系統采用+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個數據位，1個起始位，1個停止位。GPS15XL輸出的數據以美國國家海洋電子協會(National Marine Electronics Association)的NMEA0183 ASCII碼接口協議為基礎，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，也可以利用SNSRCFG軟件來進行。配置參數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CR>LF>，即ASCII字符“回車”（十六進制的0D）和“換行”（十六進制的0A）結束。下面以本文使用的GPRMC語句為例說明其格式：

$GPRMC，1>，2>，3>，4>，5>，6>，7>，8>，9>，10>，11>，12>*hh CR>LF>
$GPRMC：語句起始標志（Recommended Minimum Specific GPS／TRANSIT Data推薦定位信息）
1> UTC時間，hhmmss(時分秒)格式
2>定位狀態，A=有效定位，V=無效定位
9>UTC日期，ddmmyy(日月年)格式
最后的校驗碼*hh用于做奇偶校驗，通常不是必需的，但當周圍環境有較強的電磁干擾時則推薦使用校驗碼。hh代表了“$”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數據存儲器、1KB的EEPROM數據存儲器；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，縮短開發周期。