GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))是世界上最完善的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),。它不僅有覆蓋全球的實時,、連續(xù)的高精度的三維定位能力，同時也有精準(zhǔn)的授時功能,。利用高度穩(wěn)定,、精確的星載原子鐘作為信號源進(jìn)行時間傳輸和比對，已成為眾多領(lǐng)域獲取時間的重要手段,?；诖耍疚睦肎PS所提供的精確授時功能,，采用單片機技術(shù),，實現(xiàn)了一種GPS時鐘，并將時間信息通過LCD進(jìn)行顯示,。

系統(tǒng)構(gòu)成及硬件實現(xiàn)

1 系統(tǒng)構(gòu)成

GPS時鐘系統(tǒng)主要由GPS接收機、單片機,、LCD顯示器三部分組成,，如圖1所示,。

圖1 GPS時鐘系統(tǒng)構(gòu)成框圖

GPS接收機

在本系統(tǒng)中，GPS接收機采用Garmin公司的GPS15XL,，它是12通道的GPS接收機,，體積小，重量輕,，功耗低,，首次定位和重捕獲時間短，有較強抗遮擋和抗干擾能力,，性能極其穩(wěn)定可靠,，且操作簡單，易于開發(fā),?？晒ぷ髟?.3～5.4V電壓范圍內(nèi)，本系統(tǒng)采用+3.3V供電,；精密授時類型精度可達(dá)±50ns(典型值),；具有串行端口，輸出為RS232,，輸入可為RS232或者具有RS232極性的TTL電平,，波特率從300～38 400可選，默認(rèn)為4800,，無奇偶校驗,，8個數(shù)據(jù)位，1個起始位,，1個停止位,。GPS15XL輸出的數(shù)據(jù)以美國國家海洋電子協(xié)會(National Marine Electronics Association)的NMEA0183 ASCII碼接口協(xié)議為基礎(chǔ)，可輸出多條語句,，內(nèi)容包括經(jīng)度,、緯度、速度,、方位角,、高度、世界時,、星歷等信息,。還可輸出Garmin二進(jìn)制格式信息。非常適合應(yīng)用于車輛導(dǎo)航,、海事導(dǎo)航,、電力系統(tǒng)校時等。

對GPS15XL的配置,，可以利用單片機通過NMEA 0183語句在程序中實現(xiàn),，也可以利用SNSRCFG軟件來進(jìn)行,。配置參數(shù)將被保存在永久性存儲器中，下次加電時自動生效,。為簡化設(shè)計,，本文采用第二種方法，即通過SNSRCFG軟件對GPS15XL進(jìn)行初始化配置,。

GPS15XL可以輸出兩種時間信號：一是包含在串口輸出信息中的UTC(Coordinated Universal Time協(xié)調(diào)世界時)絕對時間(年,、月、日,、時,、分、秒),；二是間隔為1s的同步脈沖信號1PPS,，其脈沖前沿與UTC的同步誤差不超過1μs。本系統(tǒng)主要是利用串口輸出的NMEA 0183語句獲取UTC時間信息,。

NMEA 0183語句以“$”開始,，以，即ASCII字符“回車”（十六進(jìn)制的0D）和“換行”（十六進(jìn)制的0A）結(jié)束,。下面以本文使用的GPRMC語句為例說明其格式：

$GPRMC,，<1>，<2>,，<3>,，<4>，<5>,，<6>,，<7>，<8>,，<9>,，<10>，<11>,，<12>*hh
$GPRMC：語句起始標(biāo)志（Recommended Minimum Specific GPS／TRANSIT Data推薦定位信息）
<1> UTC時間,，hhmmss(時分秒)格式
<2>定位狀態(tài)，A=有效定位,，V=無效定位
<9>UTC日期,，ddmmyy(日月年)格式
最后的校驗碼*hh用于做奇偶校驗，通常不是必需的,，但當(dāng)周圍環(huán)境有較強的電磁干擾時則推薦使用校驗碼,。hh代表了“$”和“*”之間所有字符的按位異或值（不包括這兩個字符）。

單片機PIC18F8520

系統(tǒng)采用Microchip公司生產(chǎn)的高性能RISC CPU PIC18F8520作為控制器，它內(nèi)部有32KB的FLASH程序存儲器和2KB的SRAM數(shù)據(jù)存儲器,、1KB的EEPROM數(shù)據(jù)存儲器,；運算速度可達(dá)10MIPS；可以工作在DC～40MHz的時鐘頻率范圍之內(nèi),；具有USART接口，支持RS-485和RS-232,，可與GPS模塊相連,，用來獲取時間信息；支持ICSP在線串行編程,，便于軟件的升級和維護(hù),；支持ICD，可以在線調(diào)試,，縮短開發(fā)周期,。

LCD顯示器
系統(tǒng)采用LCD1602作為顯示設(shè)備。LCD1602液晶顯示模塊具有體積小,、功耗低,、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點,，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛,。它可以顯示兩行，每行16個字符,，采用單＋5V電源供電,，外圍電路配置簡單，價格便宜,，具有很高的性價比,。

2 硬件電路

系統(tǒng)的硬件電路如圖2和圖3所示。

圖2 單片機外圍電路連接

圖3 單片機與GPS模塊的連接

電路板上有3.3V和5V兩種電壓,，其中LCD采用5V供電,，而單片機和MAX3232工作在3.3V電壓下。外部電源為5V,，經(jīng)AS2830轉(zhuǎn)換為3.3V,，給單片機和MAX3232供電。從圖2中可以看到,，單片機的電源腳沒有與3.3V直接相連,，而是通過J2、J3跳線即可連到3.3V上,，也可連到VDD上,。這是因為單片機在采用PIC16-MCD2編程器通過ICSP接口進(jìn)行在線編程時由MCD2供電，這時,，單片機電源腳需連接到VDD上（MCD2輸出電壓VDD為5V）,；而正常運行時單片機由電路板供電,，J2、J3跳線連接到3.3V上,，單片機就工作在3.3V,，可以降低功耗。

PIC18F8520既有模擬電源,、模擬地引腳也有數(shù)字電源,、數(shù)字地引腳，在電路設(shè)計中,，采用模擬電源,、數(shù)字電源分離，模擬地,、數(shù)字地分離,，模擬電源和數(shù)字電源之間通過磁珠連接，模擬地和數(shù)字地通過0Ω電阻在單點連接,，以避免模擬信號與數(shù)字信號之間的干擾,，提高系統(tǒng)的可靠性。

軟件實現(xiàn)

軟件由主程序和中斷子程序組成,，在MPLAB IDE v8.53環(huán)境下,，采用MPLAB C18編譯器，用C語言編程實現(xiàn),。

在主程序中進(jìn)行系統(tǒng)的初始化,、數(shù)據(jù)處理、LCD顯示,，GPS數(shù)據(jù)的接收則通過串口中斷實現(xiàn),，每收到一條完整的NMEA語句，就設(shè)定一個標(biāo)志,，在主程序中通過查詢該標(biāo)志進(jìn)行UTC時間的提取以及轉(zhuǎn)換成北京時間,，再通過LCD顯示。由于將復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理放到主程序中,，這樣就可以使中斷程序盡量簡短,，在發(fā)生其他中斷時，單片機可以及時做出響應(yīng),，提高了系統(tǒng)的實時性,。流程圖如圖4所示。

圖4 流程圖

由于GPS模塊輸出的時間為UTC時間,，根據(jù)習(xí)慣,，需轉(zhuǎn)換成本地時間（北京時間），這項工作在主程序中完成。根據(jù)本地時間=UTC時間+時區(qū)值,，而北京位于第8時區(qū),，時區(qū)值為+8，故北京時間=UTC時間+8,。在轉(zhuǎn)換過程中,，須對16:00:00—23:59:59 UTC時間作相應(yīng)的處理，+8后判斷小時是否大于24,，若大于,，則減去24，同時日期+1,，另外，還涉及到閏年,、大月,、小月的處理。

中斷服務(wù)程序流程圖中,，串口接收數(shù)據(jù)時判斷字頭,，只判斷了“$”一個字符，這是因為之前已通過SNSRCFG軟件將GPS15XL設(shè)置為只輸出GPRMC一條NMEA語句,。

調(diào)試及運行

首先,，對GPS15XL進(jìn)行初始化。將GPS15XL通過串口與PC連接好,，給GPS15XL上電,，用軟件SNSRCFG設(shè)置初始化信息，波特率設(shè)為9600,，只輸出一條GPRMC語句（要獲取UTC日期和時間,，一條GPRMC語句就足夠了），將這些信息寫入OEM板內(nèi)的永久性存儲器中,，下次上電時將會自動生效,。

然后，通過電路板上預(yù)留的ICSP接口,，利用PIC16-MCD2編程器將編譯好的程序?qū)懭雴纹瑱C,。編程時不給電路板供電，單片機通過MCD2供電,，須注意電路板上跳線的設(shè)置,。

最后，將GPS15XL與電路板連接,。給電路板和GPS15XL上電,，授時接收系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，單片機通過RS-232串行方式接收GPS15XL的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，獲取準(zhǔn)確的時間信息,，并轉(zhuǎn)換成北京時間,，通過LCD顯示。
注意：使用時,，GPS授時天線一定要放在開闊的室外,，否則接收不到衛(wèi)星信號，也就無法獲取UTC時間信息,。

結(jié)語

本文利用PIC18F8520提取GPS高精度時鐘,，并在LCD上顯示，所實現(xiàn)的時鐘系統(tǒng)是配電線路故障遠(yuǎn)程監(jiān)測及定位系統(tǒng)項目的一部分,，經(jīng)測試,，該設(shè)計運行穩(wěn)定，能夠為整個系統(tǒng)提供精確的時間信息,，具有較高的可靠性,、準(zhǔn)確性和實用性。此外,，還可以將GPS時鐘的內(nèi)核嵌入其他系統(tǒng),，以其時間作為系統(tǒng)時間，例如：金融/證券實時結(jié)算,、民航/鐵路/交通調(diào)度系統(tǒng),、各種計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、實時通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),、體育彩票和福利彩票等實時銷售系統(tǒng)等,，應(yīng)用非常廣泛。