關於時鐘設計研究論文

1概述

GPS（GlobalPositioningSystem）全球定位系統是利用美國的24顆GPS地址衞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，在今後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，併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，採用單片機技術，設計適合於需要精確授時的高精度時鐘系統。

GSU-16是日本光電（KODEN）公司生產的並行11通道GPSOEM接收板，由於採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通道並行接收，可同時跟蹤11顆衞星；

授時精度——小於400ns，無累計誤差；

數據更新時間——1s；

體積和重量——65mm×35mm，約重40g（含鋰電池）；

數據輸出格式——NMEA-0183v2.0；RTCM-sc104v2.0；

環境工作温度——-30～+75℃；

正常工作參數——電壓5（1±0.05）V；電流100mA；功耗100mW。

2GSU-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）。本設計中採用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

1GND電源地2backupin備份電源輸入，3V時消耗2μA3SD1串行輸出4RD1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衝輸出，可用於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。由於該格式為ASCII碼字符串，比較直觀和易於處理，在許多高級語言中都可以直接進行判別、分離，以提取用户所需要的數據。

NMEA-0183主要語句中，最常見的幾種格式為：

GPGGAGPS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，$GPGGA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後，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，然後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，我們採用的單片機是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，具有在線可程式能力和保密功能；

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：

SCBREQU$0019

SCC1EQU$0013

SCC2EQU$0014

SCC3EQU$0015

SCS1EQU$0016

SCS2EQU$0017

SCDREQU$0018

TEMPEQU$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

STASCBR；波特率定義

LDA#%01000000

STASCC1

LDA#%00001100

STASCC2

LDA#%00000000

STASCC3

START：JSRGETDATA；接收1個字符

STATEMP；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：BRCLR5，SCS1，GETDATA

LDASCRA

RTS

4結論

時間信號的準確與否，直接關係到人們的日常生活、工業生產和社會發展。由於計算機技術、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GPSOEM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精密時鐘主要應用於城市重要公共建築，如車站、碼頭、公園、交通路口、標誌建築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。