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)。
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。
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
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
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
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。
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.