GPS高精度的时钟的设计和实现_无线通信论文
关键词：gps gps oem 串口通信
1 概述
gps（global positioning system）全球定位系统是利用美国的24颗gps地址卫星所发射的信号而建立的导航、定位、授时的系统。美国政府已承诺，在今后相当长的一段时间内，gps系统将向全世界免费开放。目前，gps系统广泛地应用在导航、大地测量、精确授时、车辆定位及防盗等领域。因此，开展对gps系统的研究和应用，将极大地提高生产力，并产生巨大的经济效益。本文旨在通过利用gps所提供的精确授时的功能，采用单片机技术，设计适合于需要精确授时的高精度时钟系统。
gsu-16是日本光电（koden）公司生产的并行11通道gps oem接收板，由于采用了先进半导体设计手段，它具有尺寸小、功耗低、性能稳定、性价比高等优良特性。利用它，可以方便、快速地开发出各种gps应用系统。其主要性能指标如下：
接收通道——11通道并行接收，可同时跟踪11颗卫星；
授时精度——小于400ns，无累计误差；
数据更新时间——1s；
体积和重量——65mm×35mm，约重40g（含锂电池）；
数据输出格式——nmea-0183 v2.0；rtcm-sc104 v2.0；
环境工作温度——-30～+75℃；
正常工作参数——电压5（1±0.05）v；电流100ma；功耗100mw。
2 gsu-16的硬件接口和软件接口
（1）硬件接口
gsu-16同时提供12脚接口（j3）和5脚接口（j4）。本设计中采用5链接口j4，各引脚的功能如表1所列。
表1
| 接口编号 | 信号名称 | 功 能 |
| 1 | gnd | 电源地 |
| 2 | backup in | 备份电源输入，3v时消耗2μa |
| 3 | sd1 | 串行输出 |
| 4 | rd1 | 串行输入 |
| 5 | +5v | 主供电电源输入 |
gsu-16的rd1脚为rs232c的通信接口，其逻辑电平为ttl电平。这样能够很方便地与各种单片机连接连接，无须电平转换。同时，12脚接口还提供了高精度的秒脉冲输出，可用于需要更高精度定时服务的测量系统。在此，我们仅使用其时钟，故只需在其输出的ascii数据中直接提取即可。
（2）软件接口
gsu-16的通信波特率为4800，1个起始位，8个数据位，1个停止位，无奇偶校验。通常使用nmea-0183格式输出，数据代码为ascii码字符。
nmea-0183是美国海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式，目前广泛使用v2.0版本。由于该格式为ascii码字符串，比较直观和易于处理，在许多高级语言中都可以直接进行判别、分离，以提取用户所需要的数据。
nmea-0183主要语句中，最常见的几种格式为：
gpgga gps定位数据
gpgll 地址位置和经纬度
gpzda 日期和时间
gpvtg 方位角对地速度
例如，gpzda为时间和日期输出语句，其标准格式如下：
又如，$gp gga为定位导航数据输出语句，其标准格式如下：
在具体使用时，可以在收到一条消息后，用软件来判别消息引导头是否为“$gpzda”或“$gpgga”来确认收到的消息正确与否，然后从消息中提取世界时，一定要注意将提取到的世界时加上8小时才是北京时间，而且软件还必须对16：00～24：00世界时作相应的处理，以转换为正确的北京日期和时间。
3 应用电路和程序设计
在设计该时钟系统时，我们采用的单片机是motolola公司的mc68hc08的通用芯片mc68hc908gp32。该芯片以它的高性能、低功耗、低价位获得了广泛的应用，其主要特性为：
①32kb片内flash存储器，具有在线可编程能力和保密功能；
②512b片内ram；
③增强型串行通信口和串行外围接口；
④支持c语言。
其接口电路可按图1设计，程序流程如图2所示。
单片机初始化程序样例如下：
scbr equ $0019
scc1 equ $0013
scc2 equ $0014
scc3 equ $0015
scs1 equ $0016
scs2 equ $0017
scdr equ $0018
temp equ $40 ；定义1个字节的临时存储空间
org $8000 ；定义程序的起始位置
init：lda#%00100010；初始化开始
sta scbr ；波特率定义
lda #%01000000
sta scc1
lda #%00001100
sta scc2
lda #%00000000
sta scc3
start：jsr getdata ；接收1个字符
sta temp ；将其存放临时空间
cmp #$"$"；判是否为“$”符，如不是转start
……
；判是否为gpzda模块，如不是则转start重新接收
……
；数据接收与处理模块
……
；时钟驱动与显示模块
……
；返回start重新接收下一组消息
getdata：brclr 5，scs1，getdata
lda scra
rts
4 结论
时间信号的准确与否，直接关系到人们的日常生活、工业生产和社会发展。由于计算机技术、网络技术、通信技术、gps定位技术等相关技术的发展和礅，以及gps oem板价格的降低，已经具备了为各个应用领域提供高精度授时的可能性。
gps精密时钟主要应用于城市重要公共建筑，如车站、码头、公园、交通路口、标志建筑等场所和电信行业的移动及固定电话报时等方面。它是供了准确的公众时间，为人们的日常生活提供便利，避免了因时钟不准确而带来的不便。同时，也为gps系统的应用开拓了一个较好的用途，具广泛的现实意义。