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?；诖?，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
$GPRMC：語(yǔ)句起始標(biāo)志（Recommended Minimum Specific GPS／TRANSIT Data推薦定位信息）
<1> UTC時(shí)間,，hhmmss(時(shí)分秒)格式
<2>定位狀態(tài),，A=有效定位，V=無(wú)效定位
<9>UTC日期,，ddmmyy(日月年)格式
最后的校驗(yàn)碼*hh用于做奇偶校驗(yàn),，通常不是必需的，但當(dāng)周圍環(huán)境有較強(qiáng)的電磁干擾時(shí)則推薦使用校驗(yàn)碼,。hh代表了“$”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)銷售系統(tǒng)等,，應(yīng)用非常廣泛,。