GPS高精度的時鐘的設計和實現
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1 概述
GPS（Global Positioning System）全球定位系統是利用美國的24顆GPS地址衛星所發射的信號而建立的導航、定位、授時的系統。美國政府已承諾，在今后相當長的一段時間內，GPS系統將向全世界免費開放。目前，GPS系統廣泛地應用在導航、大地測量、精確授時、車輛定位及防盜等領域。因此，開展對GPS系統的研究和應用，將極大地提高生產力，并產生巨大的經濟效益。本文旨在通過利用GPS所提供的精確授時的功能，采用單片機技術，設計適合于需要精確授時的高精度時鐘系統。
GSU-16是日本光電（KODEN）公司生產的并行11通道GPS OEM接收板，由于采用了先進半導體設計手段，它具有尺寸小、功耗低、性能穩定、性價比高等優良特性。利用它，可以方便、快速地開發出各種GPS應用系統。其主要性能指標如下：
接收通道――11通道并行接收，可同時跟蹤11顆衛星；
授時精度――小于400ns，無累計誤差；
數據更新時間――1s；
體積和重量――65mm35mm，約重40g（含鋰電池）；
數據輸出格式――NMEA-0183 v2.0；RTCM-sc104 v2.0；
環境工作溫度――-30～+75℃；
正常工作參數――電壓5（10.05）V；電流100mA；功耗100mW。
2 GSU-16的硬件接口和軟件接口
（1）硬件接口
GSU-16同時提供12腳接口（J3）和5腳接口（J4）。本設計中采用5鏈接口J4，各引腳的功能如表1所列。
表1
| 接口編號 | 信號名稱 | 功 能 |
| 1 | GND | 電源地 |
| 2 | backup in | 備份電源輸入，3V時消耗2μA |
| 3 | SD1 | 串行輸出 |
| 4 | RD1 | 串行輸入 |
| 5 | +5V | 主供電電源輸入 |
GSU-16的RD1腳為RS232C的通信接口，其邏輯電平為TTL電平。這樣能夠很方便地與各種單片機連接連接，無須電平轉換。同時，12腳接口還提供了高精度的秒脈沖輸出，可用于需要更高精度定時服務的測量系統。在此，我們僅使用其時鐘信息，故只需在其輸出的ASCII數據中直接提取即可。
（2）軟件接口
GSU-16的通信波特率為4800，1個起始位，8個數據位，1個停止位，無奇偶校驗。通常使用NMEA-0183格式輸出，數據代碼為ASCII碼字符。
NMEA-0183是美國海洋電子協會為海用電子設備制定的標準格式，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，在許多高級語言中都可以直接進行判別、分離，以提取用戶所需要的數據。
NMEA-0183主要語句中，最常見的幾種格式為：
GPGGA GPS定位數據
GPGLL 地址位置和經緯度
GPZDA 日期和時間
GPVTG 方位角對地速度
例如，GPZDA為時間和日期輸出語句，其標準格式如下：
又如，$GP GGA為定位導航數據輸出語句，其標準格式如下：
在具體使用時，可以在收到一條消息后，用軟件來判別消息引導頭是否為“$GPZDA”或“$GPGGA”來確認收到的消息正確與否，然后從消息中提取世界時，一定要注意將提取到的世界時加上8小時才是北京時間，而且軟件還必須對16：00～24：00世界時作相應的處理，以轉換為正確的北京日期和時間。
3 應用電路和程序設計
在設計該時鐘系統時，我們采用的單片機是Motolola公司的MC68HC08的通用芯片MC68HC908GP32。該芯片以它的高性能、低功耗、低價位獲得了廣泛的應用，其主要特性為：
①32KB片內Flash存儲器，具有在線可編程能力和保密功能；
②512B片內RAM；
③增強型串行通信口和串行外圍接口；
④支持C語言。
其接口電路可按圖1設計，程序流程如圖2所示。
單片機初始化程序樣例如下：
SCBR EQU $0019
SCC1 EQU $0013
SCC2 EQU $0014
SCC3 EQU $0015
SCS1 EQU $0016
SCS2 EQU $0017
SCDR EQU $0018
TEMP EQU $40 ；定義1個字節的臨時存儲空間
ORG $8000 ；定義程序的起始位置
INIT：LDA#%00100010；初始化開始
STA SCBR ；波特率定義
LDA #%01000000
STA SCC1
LDA #%00001100
STA SCC2
LDA #%00000000
STA SCC3
START：JSR GETDATA ；接收1個字符
STA TEMP ；將其存放臨時空間
CMP #$"$"；判是否為“$”符，如不是轉START
……
；判是否為GPZDA信息模塊，如不是則轉START重新接收
……
；數據接收與處理模塊
……
；時鐘驅動與顯示模塊
……
；返回START重新接收下一組消息
GETDATA：BRCLR 5，SCS1，GETDATA
LDA SCRA
RTS
4 結論
時間信號的準確與否，直接關系到人們的日常生活、工業生產和社會發展。由于計算機技術、網絡技術、通信技術、GPS定位技術等相關技術的發展和礅，以及GPS OEM板價格的降低，已經具備了為各個應用領域提供高精度授時的可能性。
GPS精密時鐘主要應用于城市重要公共建筑，如車站、碼頭、公園、交通路口、標志建筑等場所和電信行業的移動及固定電話報時等方面。它是供了準確的公眾時間，為人們的日常生活提供便利，避免了因時鐘不準確而帶來的不便。同時，也為GPS系統的應用開拓了一個較好的用途，具廣泛的現實意義。
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