基于ATmega128的GPS时钟设计与实现

摘  要：介绍了采用GPSOEM接收板的精确授时功能来实现精密时钟系统的设计思路和方法，给出基本的硬件电路和软件流程并基于ATmega128单片机上实现GPS时钟的提取并在LCD上显示。
关键词：GPS  ATmega128  高精度时钟  液晶显示

1.引言

GPS（Global Positioning System）全球定位系统是利用美国的24颗GPS地球卫星所发射的信号而建立的导航、定位、授时的系统。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。

GPS授时功能是其主要功能之一。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。GPS时钟为满足精密定位和导航的需要，在系统设计与实验之初就建立了自己专用的时间系统，该系统简写为GPST，它由GPS主控站的高精度原子钟守时和授时。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，以及GPS OEM板价格的降低，GPS时钟已经具备了为各个应用领域提供高精度授时的可能性。

本文旨在通过利用GPS所提供的精确授时功能，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，并通过LCD进行显示。

2.GPS授时原理

GPS时间系统是由GPS系统定义和使用的时间系统。卫星定位系统以时间为基本观测量,由于卫星高速飞行，因此要求时间系统必须十分精确，否则就会带来很大的距离误差。GPS时间系统以原子频率标准作为时间基准，以1980年1月6日0时作为起点。它不存在跳秒，它的时间与协调时秒以下的差异可以保持在100微妙内，并定期公布误差，在星历文件中发布的卫星钟差就是相对GPS时间系统的钟差。

GPS 授时的基本原理是: 卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息, 用户接收到这些信息后,经过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。这里只需要 GPS 授时系统的时间信息。若设(x,y,z)为接收机的位置, (x_n,y_n,z_n)为已知卫星的位置, 则解下列方程就可以得 x,y,z到和标准时间 T:

(x-x₁)²+(y-y₁)²+ (z-z₁)² =C²(T+ T-T₁ - ₁)

(x-x₂)²+(y-y₂)²+ (z-z₂)² =C²(T+ T-T₂ - ₂)

(x-x₃)²+(y-y₃)²+ (z-z₃)² =C²(T+ T-T₃ - ₃)

(x-x₄)²+(y-y₄)²+ (z-z₄)² =C²(T+ T-T₄ - ₄)

其中△T为用户时钟与 GPS主钟标准时间的时差；T_n 为卫星 n 所发射信号的发射时间； 为卫星 n 上的原子钟与GPS主钟标准时间的时差^[1]。

3.本系统构成及硬件软件实现

3.1 本设计采用GPS板介绍

本设计采用THALES-NACIGATION公司生产的A12 GPSOEM接收板，它采用了先进半导体设计手段，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——12通道并行接收，可同时跟踪12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——39mm×60mm×10mm，约重40g；

数据输出格式——NMEA-0183 v2.0；RTCM-sc104 v2.0；

环境工作温度——-30℃～+80℃；

正常工作参数——电压5（1±0.05）V；电流70mA。

图1  GPSOEM板A12

GPSOEM板提供硬件接口如表1所示：

表 1   GPS输出接口定义

其输出数据逻辑电平为 TTL 电平，这样能够很方便地与单片机相连。格式位默认为：波特率4800，8个数据位，1个停止位，无奇偶校验位。GPS输出数据采用NME-0813格式输出，数据代码采用ASCII码字符，本设计采用NME-0813中RMC格式，下面是GPS输出的一组数据：$GPRMC,140736.00,A,3800.9040,N,11226.5364,E,00.0,355.6,121106,04,W,D*3B，其中140736.00代表14时07分36.00秒，121106代表06年11月12日，根据系统需要，我们需要提取这个数据。GPS所得时间为格林尼治时间（零时区），要得到北京时间（东八区）一定要将提取到的世界时加上 8 h 才是北京时间。

3.2 系统组成及其实现

系统选用ATmega128单片机，它有丰富的外部资源，利用它的USART1与GPS接收机通信：

   

其总体硬件连接如图2所示。

图2  GPS时钟实现的结构

       液晶显示器采用含控制器S1D15G14的3510i彩色液晶显示，S1D15G14附带有LCD电源驱动电路的LCD驱动器，可在单片上实现彩色显示，能显示4096色，分辨率是98x67。它与单片机ATmega128采用串口连接。

主程序提取GPS数据采用查询方式^[2]，

图3   程序流程图

GPS时钟在ATmega128上软件实现^[3] (其中LCD函数为显示函数)：

              if(USART1_Receive() == '$')            // USART1_Receive()为串口接收函数

              {  while((gps_data_buff[counter ++] = USART1_Receive()) != '*'); 

              data = 1;  j = 0; i = 0 ;             //接收数据放入gps_data_buff[ ]数组当中

                     for (i=0;i<69;i++)  

                     {if(gps_data_buff[i] == ',')

                            {     data ++ ; j = 0;

                            }

                            switch(data)

                            {     case 1: break;

                                   case 2: time[j ++] = gps_data_buff[i + 1];time[j] = '' ; break;

                                   case 3: break;

                                   case 4: break;

                                   case 5: break;

                                   case 6: break;

                                   case 7: break;

                                   case 8: break;

                                   case 9: break;

                                   case 10: day[j ++] = gps_data_buff[i + 1];day[j] = '' ; break;

                                   default: break;

                            }

                     }

                     LCD_FillArea( 0, 0,98,67,COLOR_WHILE);               // LCD刷屏函数

                     LCD_WriteSpecHZ_GPS_time(2,0,COLOR_BLUE);         // LCD显示时间汉字提示

                     LCD_WriteEnglishString(2,16,time,T_TS,COLOR_BLACK,0); //LCD显示时间

                     LCD_WriteSpecHZ_GPS_day(2,32,COLOR_BLUE);         //LCD显示日期汉字提示

                     LCD_WriteEnglishString(2,48,day,T_TS,COLOR_BLACK,0);  //LCD显示日期

              }  

最后结果如下图4所示：显示时间为2006年12月15日10点09分00.00秒

图4  GPS时钟提取并液晶显示效果

4.结论

    本文作者创新点在于利用ATmega128提取GPS高精度时钟，并实现了GPS时钟在LCD上的显示，它具有精度高、成本低、易于实现等特点。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。

参考文献：

[1] 宋文广，邬春学，江琼琴．GPS授时功能及其在内河航道导航中的应用[J]．微计算机信息，2006,9-1：258

[2] 桂承鲲，邬林达．基于GPS时间源的自控时钟的设计与实现．十堰：湖北汽车工业学院报. 2004, 6

[3] 高　翔，陶　炜．DSP系统的GPS 高精度时钟设计和实现.北京：华北电力技术,2003,8