基于GPS15xL－ W 塔鐘控制系統(tǒng)的研究

申冬琴，周國平，陳佳棟

(南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，建筑物上的塔鐘越來越多。目前實現(xiàn)塔鐘自動校時［1］的方式主要有3 種:(1)利用收音機接收的報時信號進行校時;(2)利用電視機接收的電視信號進行校時;(3)利用短波接收機接收陜西天文臺的短波授時信號進行校時。然而這3 種校時方式所采用的校時信號極易受到外界干擾，可能導(dǎo)致長時間分離不出有效的校時信號。解決這一問題的最好辦法就是采用全球定位系統(tǒng)。近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，GPS 接收機的造價愈來愈低，而且接收的衛(wèi)星信號準(zhǔn)確可靠不易受外界環(huán)境干擾，而且其安裝不受地域的限制，一般裝有塔鐘的地方均可安裝，完全滿足了塔鐘控制系統(tǒng)的使用要求。本文介紹了基于GPS15xL－W的塔鐘控制系統(tǒng)。

1 GPS 授時原理

GPS(Global Positioning System 全球定位系統(tǒng))［2］是美國于1994 年全面建成，集衛(wèi)星導(dǎo)航、定位和定時于一體的多功能系統(tǒng)。GPS 系統(tǒng)［3］主要由三部分組成:空間部分、地面控制系統(tǒng)部分、用戶設(shè)備部分?？臻g部分由21 顆工作衛(wèi)星和3 顆在軌備用衛(wèi)星組成，均勻分布在6個軌道面上，使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛(wèi)星，并能在衛(wèi)星中預(yù)存導(dǎo)航信息。GPS 衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時間信息，用戶接收到這些信息后，經(jīng)過計算可求出接收機的三維位置、三維方向、運動速度以及時間信息［4］。本系統(tǒng)中獲知時間信息即可。

若設(shè)接收機的位置為(X，Y，Z)，已知衛(wèi)星的位置為(Xn，Yn，Zn)，其中n=1，2，3，4，則解以下4個方程便可計算出接收機的位置(X，Y，Z)和標(biāo)準(zhǔn)時間T。

式中，C—光速;ΔT—用戶時鐘與GPS 主時鐘標(biāo)準(zhǔn)時間的時差;Tn—衛(wèi)星n 發(fā)射信號的發(fā)射時間;τn—衛(wèi)星n 上的原子鐘與GPS 主時鐘標(biāo)準(zhǔn)時間的時差。

用戶利用GPS 接收機就能全天候、實時、連續(xù)不斷地接收到其發(fā)出的信號，通過對接收的信號進行解碼和處理，從而獲取精確的時間信息，包括1PPS，即秒脈沖信息，其脈沖前沿與國際標(biāo)準(zhǔn)時間(格林威治時間，UTC)［5］的同步誤差不超過1 μs，以及經(jīng)RS232 串口輸出的與秒脈沖前沿相對應(yīng)的UTC 時間。

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成

本系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:單片機控制系統(tǒng)(89C54RD+)、步進電機驅(qū)動電路、GPS 接收電路、電源電路、調(diào)節(jié)控制鍵盤電路、顯示電路、報時電路，如圖1所示。

系統(tǒng)中的塔鐘由步進電機帶動走時［6］，STC89C54RD+以GPS 時間信息為基準(zhǔn)［7］，輸出步進電機的控制信號。GPS接收機選取美國GARMIN的產(chǎn)品GPS15xL－W 模塊，該GPS接受模塊體積小，功耗低，授時精度可達(dá)±50 ns(典型值)，可以輸出兩種時間信號，一種是間隔為1 s的同步脈沖信號1PPS，其脈沖前沿與UTC的同步誤差不超過1 μs，另一種為包含在串口輸出信息的與1PPS 秒脈沖相對應(yīng)的UTC 絕對時間。主控器采用宏晶公司的STC89C54RD+增強型51 單片機［8］，通過MAX232 電平轉(zhuǎn)換芯片與GPS15xL－W 連接，獲得接收機接收的時間信息，作為塔鐘的時基信號源，送入單片機的RXD 端，單片機的P1.0－P1.3 設(shè)計為輸出端，提供步進電機的步進脈沖信號、方向控制信號以及脫機使能信號。

由于步進電機需220 V 交流電帶動，停電時步進電機不能工作，塔鐘不再走時，因此，系統(tǒng)中引入高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘。電路當(dāng)檢測到即將停電時(由電源監(jiān)視及檢測電路實現(xiàn))，CPU 首先將當(dāng)前時間寫入DS1302 提供的RAM 中，然后CPU 內(nèi)部所有功能部件都停止工作，僅DS1302 芯片由電池供電繼續(xù)走時。上電后，CPU 從DS1302中讀取時間數(shù)據(jù)，計算出塔鐘停走的時間，輸出步進電機控制信號，從而控制步進電機帶動塔鐘指針走動，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動追時功能。

同時，根據(jù)要求，MCU 可對塔鐘上的相關(guān)設(shè)備:霓虹燈、語音芯片(ISD4004)、擴音器等進行控制。另外，通過按鍵，可設(shè)置塔鐘的走時基準(zhǔn)點。塔鐘的時間數(shù)據(jù)可通過LCD 顯示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 步進電機驅(qū)動電路

2M2260是一款等角度恒力矩細(xì)分型步進電機驅(qū)動器。該驅(qū)動器內(nèi)部采用類似伺服控制原理的電路，此電路可以使電機低速運行穩(wěn)定，幾乎沒有震動和噪音，由于驅(qū)動器工作電壓高，使電機在高速時力矩大大高于其它二相、五相混合式及傳統(tǒng)式步進電機。步進脈沖停止超過100 m/s，驅(qū)動電流自動減半。定位精度最高可達(dá)12800 步/轉(zhuǎn)。圖2為單片機與2M2260的連接圖。單片機I/O 口與步進電機驅(qū)動器之間通過MC1413 連接，可增大單片機輸出的驅(qū)動電流。

圖3為2M2260的信號波形及時序。驅(qū)動器上電后兩秒給步進電機發(fā)送脈沖。驅(qū)動器對步進脈沖要求是低電平為0 ～0.5 V，高電平為4 ～5 V，脈沖寬度大于2.5 μs。ENA－接電源地時，驅(qū)動器正常工作，否則，驅(qū)動器停止工作，電機處于自由狀態(tài)。電機正常工作時，若DIR－輸入為低電平，電機沿順時針方向轉(zhuǎn)，反之，電機沿逆時針方向轉(zhuǎn)動。

圖2 單片機與步進電機的硬件連接圖

圖3 信號波形及時序

2.3 報時系統(tǒng)

報時系統(tǒng)硬件原理見圖4。報時系統(tǒng)由一塊ISD4004 語音芯片、揚聲器及外圍電路構(gòu)成。ISD4004 有兩個信號輸入端，一個是錄音信號的同相輸入端ANA IN+，另一個是錄音信號的反相輸入端ANA IN－。ISD4004 被啟動后，發(fā)出報時信號，首先是音樂，接著是打點聲。此信號送入LM386，經(jīng)過放大后，推動揚聲器發(fā)聲。

圖4 報時系統(tǒng)硬件原理

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊式，設(shè)計包括:初始化模塊，串口中斷接收模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，顯示模塊，鍵盤處理模塊，走時模塊。圖5為主程序流程圖。系統(tǒng)初始化模塊包括串口初始化、液晶顯示初始化。串行中斷接收GPS_OEM 板的“$GPRMC”語句。每當(dāng)正確接收到“$GPRMC”語句就更新一次顯示，同時送出塔鐘走時的控制信號。

圖5 系統(tǒng)主程序設(shè)計流程圖

單片機上電復(fù)位，通過串行接口RXD 與GPS15XL－W接收機通訊，獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù);另一方面步進電機的指針快速走時，若查詢到按鍵1 按下，則此時的位置為塔鐘的走時基準(zhǔn)點。若查詢到按鍵2 按下，則指針快速走到當(dāng)前時刻，繼而正常走時。單片機通過P1 口與塔鐘控制系統(tǒng)通訊實現(xiàn)塔鐘校時。單片機接收GPS 接收機發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，從中篩選出所需要的時間信息。傳送時間信息的指令是$GPRMC，是命令頭，其ASCII 碼是24，47，50，52，4D，43，2C。緊隨命令頭的是UTC 時間，hhmmss(時分秒)格式。

此外，單片機接收到的時間數(shù)據(jù)為UTC 時間(格林威治時間)，UTC 時間與世界各地的時間有時差，例如，UTC 時間比北京時間晚8 h，因此，將接收到的UTC 時間加上8 h，即為北京時間。在對小時加8的時候，要注意對日期的影響，因為日期涉及到閏年等問題。

步進電機每獲得一個脈沖指針轉(zhuǎn)過1.8°，但是塔鐘轉(zhuǎn)盤一圈360°，秒針走過一小格，即6°，但是連續(xù)給步進電機三個脈沖，指針只能走5.4°，因此，為了減小誤差，給步進電機發(fā)送脈沖的時序為3－4－3，即單片機按三個脈沖、四個脈沖和三個脈沖給步進電機發(fā)送脈沖，塔鐘指針走過5.4°、7.2°和5.4°，照此循環(huán)發(fā)送，所以每三秒鐘就可以消除指針轉(zhuǎn)動的誤差。

因此，在軟件設(shè)計中，首先判斷當(dāng)前的時刻的秒值與三相除所得余數(shù)，余數(shù)為0和2，則發(fā)送3個脈沖，若余數(shù)為1，則發(fā)送4個脈沖，以此類推。秒針每轉(zhuǎn)過一圈為一分，即分針走過一小格;分針每轉(zhuǎn)過一圈為一小時，即帶動時針走一大格。塔鐘按上述情況走時。GPS 時間信息每秒鐘校正一次塔鐘走時［9］，從而保證塔鐘走時的高精度。

4 結(jié)論

因采用了GPS 作為塔鐘走時的標(biāo)準(zhǔn)時鐘源，解決了塔鐘走時不準(zhǔn)確的問題，控制系統(tǒng)硬件設(shè)計簡單，抗干擾性強，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具有很好的實用性。

［1］全為民.塔鐘自動校時系統(tǒng)的研制［J］.煙臺大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程版)，1999，12(1):75－78.

［2］錢天爵，瞿學(xué)林.GPS 全球定位系統(tǒng)及其應(yīng)用［M］.北京:海潮出版社，1993.

［3］Michael S Braasch.The Model of the GPS Signal Navigation［M］.1990－1991，37(4).

［4］徐紹銓，張華海，楊志強，等.GPS 測量原理及應(yīng)用［M］.武漢:武漢測繪科技大學(xué)出版社，1998.

［5］Hofman－Wellenhof B，Lichtenegger H.Global Positioning System Theory and Practice［M］.Springer－Verlag Wien New York，1992.

［6］張承學(xué)，龔慶武，胡志堅.基于GPS 同步采樣裝置的研制及其應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)自動化，2000，24(10):49－52.

［7］何立民.MCS－51 系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計:系統(tǒng)配置與接口技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出社，1990.

［8］全為民.塔鐘的單片機自動控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.煙臺大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程版)，2001(1):75－78.

［9］強蔚英.塔鐘的單片機控制系統(tǒng)［J］.鐘表.1996(2):10－11.