多數(shù)據(jù)來源機(jī)載時(shí)鐘設(shè)備的研究與設(shè)計(jì)

中國民航大學(xué) 朱 浩 陳柏安 錢文高深圳航空有限責(zé)任公司維修工程部 何滿英 李曉平

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多數(shù)據(jù)來源機(jī)載時(shí)鐘設(shè)備的研究與設(shè)計(jì)

中國民航大學(xué) 朱 浩 陳柏安 錢文高
深圳航空有限責(zé)任公司維修工程部 何滿英 李曉平

【摘要】本文研究民航飛機(jī)機(jī)載時(shí)鐘功能及原理，設(shè)計(jì)出機(jī)載時(shí)鐘設(shè)備仿真件，模擬時(shí)鐘的時(shí)間顯示和計(jì)時(shí)功能，用于機(jī)務(wù)模擬器實(shí)訓(xùn)教學(xué)。本套設(shè)備利用AT89C52單片機(jī)作中央處理單元，接收GPS以及北斗衛(wèi)星較為準(zhǔn)確的時(shí)鐘授時(shí)。同時(shí)設(shè)備配備獨(dú)立的DS1302芯片作為內(nèi)部基準(zhǔn)時(shí)鐘源，用于GPS信號(hào)接收不正常等特殊情況時(shí)，來提供準(zhǔn)確的時(shí)間顯示以及完成實(shí)訓(xùn)及教學(xué)中的計(jì)時(shí)工作。經(jīng)實(shí)物仿真驗(yàn)正，其可完成機(jī)載時(shí)鐘設(shè)備提供精準(zhǔn)計(jì)時(shí)及時(shí)間顯示的功能。

【關(guān)鍵詞】GPS授時(shí)；北斗授時(shí)；機(jī)載時(shí)鐘；DS1302芯片；AT89C52

0　引言

隨著中國民航事業(yè)的不斷發(fā)展，民航業(yè)對(duì)于機(jī)務(wù)維修人員的需求與日俱增，而對(duì)相關(guān)從業(yè)人員的培養(yǎng)也尤為重要。機(jī)載時(shí)鐘設(shè)備的主要功能是為機(jī)組人員提供其所需要的精確的當(dāng)?shù)貢r(shí)間，世界時(shí)間以及飛行耗費(fèi)時(shí)長，同時(shí)其也是機(jī)務(wù)人員工作所需的主要計(jì)時(shí)儀器。但是在維修培訓(xùn)，以及相關(guān)的測(cè)試中，一般的機(jī)載時(shí)鐘設(shè)備成本較為昂貴。所以實(shí)現(xiàn)高精度機(jī)載時(shí)鐘設(shè)備的仿真設(shè)計(jì)對(duì)相關(guān)人員的使用有很大的幫助。

全球定位系統(tǒng)（global position system，GPS）可在全球范圍提供全天候授時(shí)服務(wù)，是世界上覆蓋范圍最廣，精度最高的時(shí)間系統(tǒng)[1]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System）是中國正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[2]。

由于GPS信號(hào)源來自于美國并由軍方控制，在自主性以及安全性上會(huì)存在一定的問題。所以北斗授時(shí)系統(tǒng)的引進(jìn)可以在一定程度上提高機(jī)載時(shí)鐘設(shè)備信號(hào)源的安全性與獨(dú)立性。采用DS1302芯片可以自主計(jì)時(shí)。通過軟件控制可判斷GPS授時(shí)的準(zhǔn)確性。GPS授時(shí)正常時(shí),授時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)校正DS1302計(jì)時(shí)的基礎(chǔ)秒。

分析可知，基于GPS授時(shí)系統(tǒng)，北斗授時(shí)系統(tǒng)，與DS1302授時(shí)的多數(shù)據(jù)來源授時(shí)方案可以有效提高機(jī)載時(shí)鐘設(shè)備的時(shí)鐘精度及其穩(wěn)定性和安全性。

GPS時(shí)鐘采用的是世界協(xié)調(diào)時(shí)—UTC。其既可滿足人們對(duì)均勻時(shí)間間隔的要求，也可滿足人們對(duì)以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的準(zhǔn)確世界時(shí)刻的要求[3]。在GPS衛(wèi)星上載有與UTC時(shí)間同步的銫原子鐘，這樣它就成為了一種空間的時(shí)間基準(zhǔn)，地面上的用戶能夠接收發(fā)自GPS衛(wèi)星的時(shí)間服務(wù)信號(hào)，校正本機(jī)時(shí)鐘，使之與GPS時(shí)鐘同步，實(shí)現(xiàn)時(shí)間傳遞功能[4]。

由于機(jī)載時(shí)鐘設(shè)備中的GPS/BD授時(shí)模塊只需要被動(dòng)的接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的導(dǎo)航時(shí)間信息，結(jié)合本設(shè)計(jì)產(chǎn)品所采用的GPS/BD授時(shí)模塊主要采用單向授時(shí)原理實(shí)現(xiàn)，則以BD授時(shí)系統(tǒng)中的單向授時(shí)技術(shù)原理來分析上述的誤差來源[5]，如表1所示：

表1　衛(wèi)星授時(shí)主要誤差源

則可以得出授時(shí)精度為：δ=34ns ①

對(duì)于機(jī)載時(shí)鐘設(shè)備，由于工作環(huán)境的特殊性，其多路徑效應(yīng)誤差較小[6]。所以由式①可以得出其在理論上完全滿足機(jī)載時(shí)鐘設(shè)備工作精度的需求[7]。

基于DS1302的單片機(jī)內(nèi)部獨(dú)立計(jì)時(shí)，高精度晶振的工作方式。由于DS1302芯片計(jì)時(shí)存在累計(jì)誤差[8]，需要及時(shí)利用GPS/BD有效授時(shí)時(shí)間進(jìn)行校正，在較短時(shí)間內(nèi)，GPS時(shí)鐘不存在累積誤差，可以在接收到GPS/BD有效時(shí)間信息時(shí)對(duì)芯片時(shí)間進(jìn)行校正。

在GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，此時(shí)的GPS授時(shí)芯片會(huì)反饋回代碼A，用基本的靜態(tài)接收的方法即可得到精確的時(shí)間[9]。此時(shí)對(duì)DS1302芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)信息校正。當(dāng)返回值不為A，即衛(wèi)星信號(hào)存在問題時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換，顯示DS1302時(shí)間信息，當(dāng)系統(tǒng)重新接收到衛(wèi)星返回值A(chǔ)，會(huì)再次對(duì)DS1302芯片進(jìn)行時(shí)間校正，實(shí)現(xiàn)與GPS時(shí)鐘的信息同步[10]。

1　總體設(shè)計(jì)方案

如圖1，該設(shè)計(jì)方案以單片機(jī)AT89C52為數(shù)據(jù)處理中心，接收GPS 以及北斗模塊授予的時(shí)鐘信號(hào)。通過調(diào)節(jié)相應(yīng)按鈕，可以在數(shù)碼管上顯示出對(duì)應(yīng)的時(shí)間類型，同時(shí)單片機(jī)還外接有獨(dú)立的計(jì)時(shí)模塊用于計(jì)時(shí)整個(gè)飛行所耗用的時(shí)間，同時(shí)為特殊情況下導(dǎo)致不準(zhǔn)的GPS及北斗授時(shí)時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖1　總體模塊設(shè)計(jì)圖

其中，GPS和北斗模塊授予中央處理單元時(shí)間數(shù)據(jù)，同時(shí)內(nèi)部DS1302模塊授予中央處理單元內(nèi)部時(shí)間，通過程序判斷可在顯示模塊上顯示準(zhǔn)確的時(shí)間數(shù)據(jù)。同時(shí)，在GPS或北斗模塊信號(hào)正常情況下，其可以校準(zhǔn)DS1302的內(nèi)部時(shí)間。通過按鈕模塊可以得到對(duì)應(yīng)的時(shí)間數(shù)據(jù)或計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)。

2　硬件部分

中央處理單元采用AT89C52單片機(jī)模塊，其主要作用是接收GPS模塊及北斗模塊和DS1302芯片的實(shí)時(shí)時(shí)間數(shù)據(jù)，同時(shí)掃描設(shè)備相關(guān)按鈕的實(shí)時(shí)位置，通過軟件部分設(shè)定的轉(zhuǎn)換機(jī)制，在數(shù)碼管上顯示出其正確對(duì)應(yīng)的時(shí)間和計(jì)時(shí)時(shí)間。

衛(wèi)星授時(shí)模塊采用K2525M3G5 G-MOUSE芯片，其采用北斗/GPS雙系統(tǒng)互為備用設(shè)計(jì)，支持單北斗，單GPS，北斗/GPS雙系統(tǒng)。授時(shí)精度為30us，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖為0.25Hz～1KHz，啟動(dòng)時(shí)間33s，溫啟動(dòng)時(shí)間30s，熱啟動(dòng)時(shí)間1s。在信號(hào)強(qiáng)度較好時(shí)，可以接收到北斗與GPS雙模塊的時(shí)間信息。信號(hào)較弱時(shí)，可以接收北斗模塊或GPS模塊有效信息。在能接收到有效信息的條件下，通過中央處理器處理數(shù)據(jù)，將有效的授時(shí)信息顯示在數(shù)碼管上，并及時(shí)對(duì)DS1302芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。通過按下相應(yīng)的按鍵可以切換數(shù)碼管上顯示時(shí)間或日期信息。

DS1302模塊采用涓流充電時(shí)鐘芯片，該芯片內(nèi)部包含一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31字節(jié)的靜態(tài)RAM，通過串行通信口可與單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷電路提供精確到秒的實(shí)時(shí)時(shí)鐘信息，每月的天數(shù)以及閏年的天數(shù)可以自動(dòng)調(diào)整。DS1302芯片提供單片機(jī)內(nèi)部計(jì)時(shí)，同時(shí)提取時(shí)鐘的秒時(shí)間作為耗用時(shí)間（ET）計(jì)時(shí)的基準(zhǔn)，用于計(jì)時(shí)飛機(jī)飛行及其它計(jì)時(shí)的時(shí)長。

計(jì)時(shí)模塊以DS1302為時(shí)間信息來源，通過獲取計(jì)時(shí)開始的時(shí)間作為計(jì)時(shí)時(shí)基，在開始鍵按下以后，實(shí)時(shí)獲取DS1302的時(shí)間信息，并通過中央處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到計(jì)時(shí)時(shí)間，并發(fā)送到顯示模塊，顯示相應(yīng)的計(jì)時(shí)時(shí)間。

顯示模塊采用數(shù)碼顯示管，顯示UTC時(shí)間，時(shí)鐘所在地的當(dāng)?shù)貢r(shí)間，以及飛行及其他計(jì)時(shí)的耗用時(shí)間。數(shù)碼管采用芯片MX7219驅(qū)動(dòng)完成時(shí)間及其日期的正確顯示，芯片MX7219在此設(shè)備中可以減少I/O口的使用，節(jié)約I/O口資源。

圖2　串口通信接收BD/GPS授時(shí)時(shí)間信息方案設(shè)計(jì)圖

3　軟件部分

北斗/GPS雙模模塊發(fā)送數(shù)據(jù)格式如下：

$GPRMC,123400.000,A,4002.217821,N,11618.105743,E,0.026,18 1.631, 180411,,E,A*2C

$BDRMC,123400.000,V,4002.217821,N,11618.105743,E,0.026,18 1.631, 180411,,E,A*2C

其中：GPRMC代表GPS數(shù)據(jù)信息，BDRMC代表北斗數(shù)據(jù)信息。123400.000對(duì)應(yīng)格式為 hhmmss.sss（hh-小時(shí)，mm-分，ss-秒），180411對(duì)應(yīng)格式為ddmmyy（dd-日，mm-月，yy-年）。數(shù)據(jù)有效判別位為‘A’位，如果數(shù)據(jù)有效該位為‘A’，如果數(shù)據(jù)無效該位為‘V’。因此可根據(jù)接收到的此位的字符判定數(shù)據(jù)是否有效，并判別是否對(duì)DS1302芯片進(jìn)行時(shí)間校正。如果接受到的有效標(biāo)志位均為‘A’，則選擇GPS授時(shí)時(shí)間對(duì)DS1302進(jìn)行時(shí)間校正并驅(qū)動(dòng)顯示模塊顯示GPS授時(shí)時(shí)間[11]。

處理接收數(shù)據(jù)方面，由串口接收到的每一位數(shù)據(jù)為數(shù)字的字符格式，需要進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)制轉(zhuǎn)換，將ASCII碼值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)數(shù)字。計(jì)算公式為：數(shù)值=接收的ASCII碼值-48。獲取時(shí)間信息的公式：

在轉(zhuǎn)換成北京時(shí)間的算法中,hour需要進(jìn)行加8處理，在進(jìn)行hour 加8小時(shí)處理過程中，當(dāng)超過當(dāng)天的24時(shí)，此時(shí)日期將進(jìn)行加1處理，同時(shí)對(duì)日期、月份，年份進(jìn)行判斷，進(jìn)行相應(yīng)的進(jìn)位或者借位處理。

串口通訊接收BD/GPS授時(shí)時(shí)間信息方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

通過截取部分有用授時(shí)信息，有效節(jié)約單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)空間。

在處理計(jì)時(shí)時(shí)間過程中，在開始計(jì)時(shí)鍵按下時(shí)，得到DS1302當(dāng)前時(shí)間，并存入相應(yīng)的數(shù)組，作為計(jì)時(shí)時(shí)間的起始時(shí)基.在計(jì)時(shí)過程中，不斷讀取DS1302的時(shí)間信息，通過算法處理數(shù)據(jù)得到耗用時(shí)間，并將其傳送到顯示模塊進(jìn)行顯示。

由上述步驟，可得如圖3顯示數(shù)據(jù)。測(cè)試證明，該設(shè)備可以提供高精度穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，滿足功能的需求。

圖3　設(shè)備顯示面板

4　結(jié)束語

本文主要介紹了一種多數(shù)據(jù)來源的高精度機(jī)載時(shí)鐘設(shè)備研究及設(shè)計(jì).仿真出通過北斗模塊、GPS模塊和DS1302模塊,在確保能夠正常接收時(shí)間信號(hào)的情況下可以獲得較高精度時(shí)鐘設(shè)備。北斗/GPS的時(shí)鐘誤差在信號(hào)強(qiáng)度時(shí)為20ns-150ns，在中央處理器處理數(shù)據(jù)通過仿真，到數(shù)據(jù)在顯示模塊顯示出來執(zhí)行約260us，總體誤差在3us左右。通過RS232接收數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)以及顯示數(shù)據(jù)，在優(yōu)化程序的過程中實(shí)現(xiàn)高精度性，同時(shí)滿足機(jī)載時(shí)鐘設(shè)備使用的要求。

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朱浩（1995—），男，現(xiàn)就讀與中國民航大學(xué)，研究方向：電子信息工程、自動(dòng)控制。

陳柏安（1993—），男，現(xiàn)就讀于中國民航大學(xué)，研究方向：電子信息工程、自動(dòng)控制。

作者簡(jiǎn)介：

基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2015100590820）。