基于ATmega128的GPS时钟设计与实现
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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, (xn,yn,zn)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；Tn 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：
|
管脚 |
信号类型 |
功能 |
|
1 |
VCC |
电源 |
|
2 |
V_ANT |
天线电源接口 |
|
3 |
V_BACK |
备用电源 |
|
4 |
GND |
地 |
|
5 |
RTCM |
接收信号口B |
|
6 |
RXD |
接收信号口A |
|
7 |
TXD |
发送信号接口A |
|
8 |
1PPS |
1个脉冲输出/秒 |
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
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