基于GPS授時的轉(zhuǎn)播臺專用定時控制器設(shè)計(jì)

武博昊，楊 微

(1.朝陽依萊科創(chuàng)電子科技有限公司，遼寧 朝陽 122000；2.朝陽三二八轉(zhuǎn)播臺，遼寧 朝陽 122000)

0 前言

廣電系統(tǒng)的播出時間是嚴(yán)格的事,目前轉(zhuǎn)播臺的很多發(fā)射機(jī)本身就帶有自動開關(guān)機(jī)功能,另外發(fā)射機(jī)以外的一些檢測設(shè)備，如故障報警器也需要定時開關(guān),否則會誤報警。但是現(xiàn)有的定時裝置,通常是采用最簡單的計(jì)時方法,要么是直接用單片機(jī)自帶的定時器,要么采用專用定時芯片如ds1302,ds12c887等,但是這些方式的計(jì)時精度都取決于所用晶體的準(zhǔn)確性,而晶體自身總是有誤差,只是大小不同而已,長時間運(yùn)行,累計(jì)的誤差不可忽視,以ds12c887為例,運(yùn)行的誤差每天可以達(dá)到5s,如果連續(xù)運(yùn)行幾個月,累計(jì)誤差可想而知。所以,保持計(jì)時精度是必須解決的問題。通常方法是采用外部授時。

目前的授時方式比較：互聯(lián)網(wǎng)授時—精度在2s～3s，能滿足要求，但是偏僻地區(qū)或場合或許沒有網(wǎng)絡(luò)，甚至沒有手機(jī)信號,所以不能適用于所有場合;短波授時—精度毫秒級,與中國的授時中心同步,設(shè)備復(fù)雜,成本高;GPS授時—精度毫秒級,只要能看到天空就能接收,而且計(jì)時精度最高,可以達(dá)到20ms,根據(jù)需要可以做到每秒授時或每小時授時。本設(shè)計(jì)采用該方式，它更適合偏僻和高山等特殊環(huán)境的場合。設(shè)計(jì)中采用了主要的元件包括GPS衛(wèi)星接收模塊、GPU觸摸屏、單片機(jī)等，下面具體介紹。

1 GPS授時簡介

UTC是協(xié)調(diào)世界時(universal time coordinated)英文縮寫，是由國際無線電咨詢委員會規(guī)定和推薦,并由國際時間局(Bureau International de l′Heure BIH)負(fù)責(zé)保持的以秒為基礎(chǔ)的時間標(biāo)度。UTC相當(dāng)于本初子午線(即經(jīng)度0度)上的平均太陽時，過去曾用格林威治平均時(GMT)來表示。北京時間比UTC時間早8小時，以1999年1月1日0000utc為例，UTC時間是零點(diǎn)，北京時間為1999年1月1日早上8點(diǎn)整。

整個地球分為二十四時區(qū)，每個時區(qū)都有自己的本地時間。在國際無線電通信場合，為了統(tǒng)一起見，使用一個統(tǒng)一的時間，稱為通用協(xié)調(diào)時(UTC,universal time coordinated)。UTC與格林威治平均時(GMT,Greenwich Mean Time)一樣，都與英國倫敦的本地時相同。

GPS模塊采用ublox定位芯片,是一款能夠以72通道接收衛(wèi)星信號、低功耗、靈敏度高的模塊，能夠在城市、峽谷、高架下面等弱信號的地方，以及汽車內(nèi)部任何位置快速、準(zhǔn)確的進(jìn)行定位。使得模塊可廣泛用于車載監(jiān)控、公交車報站、車載導(dǎo)航、船載導(dǎo)航、筆記本導(dǎo)航等產(chǎn)品上。GPS模塊獲取的信息包括時間、日期、經(jīng)度、緯度、速度等等。但是在本設(shè)計(jì)中僅使用時間信息，所以，只需接收rmc協(xié)議即可，這樣可以節(jié)省通訊時間，使單片機(jī)能處理其它過程。以下是rmc協(xié)議接收數(shù)據(jù)的樣例：

$gnrmc,051325.00,a,2240.60831,n,11359.87030,e,0.009,,231018,,,a*65

雖然有這么多數(shù)據(jù)，但是僅僅少部分對本設(shè)計(jì)有用，這里僅取出有用的數(shù)據(jù)如下：

消息id…………………$gnrmc

UTC(世界時間)……… 051325.00

狀態(tài)…………………… a有效,v無效

2 觸摸屏

采用觸摸屏,可以使界面操作更靈活、更直觀，也有利于復(fù)雜界面的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用Usart GPU觸摸屏，該觸摸屏是4.6吋屏，分辨率為854×480，可以顯示圖像文字，可以方便的顯示表格(圖2)，與單片機(jī)采用串口通訊方式，接線簡便、易于操作。GPU屏有自己的一套指令傳輸格式，例如要傳送一組字符串a(chǎn)bcd到GPU屏，其格式如下：ds32(650,190,‘a(chǎn)bcd’,15,0)，其中ds表示傳送的是字符；32表示字號是32的；650,190是在屏幕上的坐標(biāo)；‘a(chǎn)bcd’是傳送的內(nèi)容；15是字符的顏色；0是右邊界限制(可選)。更多更詳細(xì)的指令參考文獻(xiàn)[1]。本設(shè)計(jì)采用了4個界面，在此僅給出兩個重要的界面，圖1是主界面，該界面為運(yùn)行界面，主要顯示年月日時分秒星期，同時4個方框具有觸摸功能，方框內(nèi)顯示可以操作的功能，例如觸摸“設(shè)定狀態(tài)”則進(jìn)圖2界面。

圖1 控制器主界面

圖2界面是本設(shè)計(jì)的主要部分，其功能是完成定時時間數(shù)據(jù)以及控制功能的設(shè)定。為了操作的方便性和直觀性，采用表格的形式，考慮到轉(zhuǎn)播臺的特定場合，本設(shè)計(jì)采用3個輸出控制端口(可以同時控制三臺設(shè)備)，每個端口每天可以有三次定時控制(能滿足通常的播出要求)，以圖2為例，它表明針對的是2#端口，控制時間為三次，在設(shè)定的時間內(nèi)輸出端子是閉合的，其它時間是斷開的。其中界面中的“無效”字樣，表明當(dāng)前端口雖然設(shè)置了定時數(shù)據(jù)，但是輸出無效，當(dāng)觸摸“無效”字樣時，即變成“有效”字樣，表明此時該端口控制有效，同理在每次定時時間后面的“無效”字樣也有同樣的功能；右側(cè)三個方框的功能是，“端子序號”用于選擇端子，“周二選擇”在表格的時間欄會有提示，用于周二檢機(jī)的特殊時間設(shè)置，每次設(shè)置完成后，觸摸“返回主頁”或15秒無操作，屏幕就會返回圖1的界面且自動保存設(shè)定的數(shù)據(jù)。每次進(jìn)入圖2界面時，觸摸表格的時間欄，則該時間欄閃動，通過左、右箭頭選擇要設(shè)定或修改的時間，通過上、下箭頭增減數(shù)值。

圖2 控制器設(shè)定界面

3 定時控制器原理圖

圖3是電路原理圖，其中u2是電路的核心器件，采用atmega16單片機(jī)，具有高度抗干擾性能，工作穩(wěn)定，功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，詳細(xì)內(nèi)容參考文獻(xiàn)[2]。

u1(ds12c887)是專用時間模塊，能記錄年月日時分秒和星期，具有掉電內(nèi)部運(yùn)行功能，再次上電可以直接讀取數(shù)據(jù)，保證了時間的完整性，u1的ad0～ad7與u2的pc0～pc7對應(yīng)連接，完成數(shù)據(jù)的傳送。u1的sqw輸出秒信號，連接到u2的int0端，通過中斷方式保持u1與u2的同步。所用的GPU屏和GPS模塊都是串口通訊方式，而單片機(jī)u2僅有一個串口，因此采用u3(cd4053)芯片，該芯片是三二通道模擬開關(guān)，其中x0、y0接GPU觸摸屏，x1、y1接GPS衛(wèi)星模塊，xout、yout連接單片機(jī)串口，a、b端是控制端，用于分時復(fù)用選擇GPU和GPS。GPS的秒信號是2v的電平，經(jīng)過Q1轉(zhuǎn)換成5v電平，送到單片機(jī)的int1端口，觸發(fā)單片機(jī)中斷后開始接收GPS數(shù)據(jù)。

本設(shè)計(jì)設(shè)有兩種輸出模式，都是無源觸點(diǎn)，其中out7～out9端子是通斷輸出模式，即負(fù)載需要開機(jī)時處于接通狀態(tài)，關(guān)機(jī)時處于斷開狀態(tài)，所用的繼電器LRY1、RLY2、RLY3均可以帶10A電流負(fù)載；其中out1～out6是脈沖輸出模式，專為通常的發(fā)射機(jī)開關(guān)機(jī)所設(shè)計(jì)，每次的開機(jī)和關(guān)機(jī)時刻，輸出1.5s的脈沖，所用的繼電器J1～J6均是信號繼電器，負(fù)載電流為200mA。

圖3 電路原理圖

4 流程圖

圖4是主程序界面，4個方框?yàn)橛|摸鍵，鍵值用key_n表示，首先是按鍵的判斷，通過按鍵進(jìn)入不同的界面，同時決定不同的狀態(tài)，key_n取值1～4，分別代表運(yùn)行狀態(tài)、時鐘狀態(tài)、校時狀態(tài)、設(shè)定狀態(tài)。當(dāng)處于“運(yùn)行狀態(tài)”時，對應(yīng)的觸摸框文字為紅色，此時執(zhí)行時間比較和控制功能；當(dāng)處于“時鐘狀態(tài)”時，其文字也為紅色，此時僅僅顯示時鐘數(shù)據(jù)，不再產(chǎn)生控制功能，主要是為特殊情況設(shè)計(jì)，此時由人工控制。具體流程如圖4。

5 結(jié)論

通過應(yīng)用GPS衛(wèi)星接收模塊，解決了定時控制時間不準(zhǔn)確的問題，通過使用觸摸屏，使得設(shè)定和操作界面更人性化，更易于理解和操作。產(chǎn)品可以應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域，如果需要可以增加更多的定時次數(shù)和輸出控制端口。

圖4 流程圖