基于C8051F340單片機(jī)的GPS校時(shí)器設(shè)計(jì)

肖 強(qiáng) ， 王 沖 ， 林炳章

（1.空軍雷達(dá)學(xué)院 三系，湖北 武漢 430019；2.武漢大學(xué) 衛(wèi)星定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079；3.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430079）

隨著電子行業(yè)的飛速發(fā)展，各種電子產(chǎn)品層出不窮，單片機(jī)處理器也從早期的8031/8051演變成如今嵌入有51核的各種處理器芯片，筆者設(shè)計(jì)了一款GPS時(shí)間校時(shí)器，由于不同儀器顯示的時(shí)鐘總是存在差異，此校時(shí)器能提供精準(zhǔn)的時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)，并將此標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間傳給外部設(shè)備來校時(shí)。根據(jù)地理位置不同，我國均采用首都北京所在的東八時(shí)區(qū)的區(qū)時(shí)作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，與世界時(shí)相隔8個小時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)北京時(shí)間是與國家授時(shí)中心標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步更新的。因此電腦、手機(jī)、手表等時(shí)鐘顯示器可以以此為標(biāo)準(zhǔn)來校準(zhǔn)，一般標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間可以通過上網(wǎng)來查詢更新，但是這種方法往往比較麻煩，而且在對戶外設(shè)備校時(shí)時(shí)，也會帶來很多不便，本設(shè)計(jì)的校時(shí)器，其時(shí)間可以與標(biāo)準(zhǔn)的北京時(shí)間同步，此外與電腦相比此校時(shí)器體積小且方便攜帶，使用起來也十分方便。

1 系統(tǒng)總體概述

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是一款GPS校時(shí)器，所謂校時(shí)器是指能夠提供標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間基準(zhǔn)的儀器，這款校時(shí)器是用來對指定的外部設(shè)備校時(shí)的，主要使用GPS的標(biāo)準(zhǔn)世界時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信息通過串口發(fā)送給外部設(shè)備，發(fā)送的數(shù)據(jù)有標(biāo)準(zhǔn)的格式，其他設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后提取出有用信息再進(jìn)行校時(shí)。此系統(tǒng)主要包括3大模塊：GPS模塊、單片機(jī)控制模塊和液晶顯示模塊。具體框圖如圖1所示，其中單片機(jī)是控制的核心部件。數(shù)據(jù)來源于GPS接收到的數(shù)據(jù)，時(shí)間信息通過液晶顯示供用戶觀察。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of system

2 各模塊的介紹

2.1 單片機(jī)的介紹

C8051F340是在早期的803x/805x的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，以其低功耗，高速的運(yùn)算能力等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用，是目前運(yùn)用較多的一款單片機(jī)處理芯片[1]。它是新華龍公司研制的一款芯片，使用CIP-51微控制器內(nèi)核。CIP-51與MCS-51指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn)803x/805x的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)。此外還添加了很多外設(shè)，因而提高了單片機(jī)的整體性能，使其更易于在實(shí)際中使用。

2.2 GPS模塊的介紹

此系統(tǒng)使用了一款MG2217S2模塊，它是一個高精度的GPS模塊，包括一個RF射頻接收端，基帶信號處理部分，內(nèi)部Flash存儲，以及電源供電單元，這些部件全部集成在模塊內(nèi)部，在使用時(shí)只用連接簡單的外圍電路就可以接收GPS信號。此模塊工作于L1頻段，采用C/A碼調(diào)制，數(shù)據(jù)每1s更新一次，熱啟動只需1 s的時(shí)間，而溫啟動需 32 s，實(shí)行熱啟動可以大大節(jié)省GPS信號的捕獲時(shí)間，輸出的信號有GGA，GLL，GSA，GSV，RMC和 VTG 6種形式，每種形式都有固定的數(shù)據(jù)格式且各不相同，這些數(shù)據(jù)均包含當(dāng)前的時(shí)間，地理位置等信息。

在本系統(tǒng)中主要使用的是RMC格式的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)格式 為 $GPRMC，161229.487，A，3723.2475，N，12158.3416，W，0.13，309.62，120598，*10 其中 161229.487 表示的就是 hhmmss.sss，3723.2475表示的是經(jīng)度信息，12158.3416表示的是緯度信息，N和W分別表示的是南北緯，東西經(jīng)，狀態(tài)位A（V）用來判斷收到的GPS數(shù)據(jù)是否有效，在接收端用軟件處理時(shí)首先要判斷有效位，如果該位為A則可以使用時(shí)間和位置信號。除了使用GPS精確的時(shí)間和地理信息外，還可以利用秒脈沖信號PPS，因?yàn)椴还蹽PS是否有收到信號，只要GPS模塊是上電的則能夠工作，則可以發(fā)送1 s的連續(xù)脈沖波，其精度高達(dá)20 ns。這比GPS信號有效時(shí)將接收到的時(shí)間數(shù)據(jù)再來處理要方便得多，此信號的精確度相當(dāng)高，因此可以根據(jù)需要接收此PPS信號做相應(yīng)的處理，例如用來產(chǎn)生1 s的中斷。

2.3 OLED的介紹

由于系統(tǒng)大小尺寸有限制，液晶的大小也有規(guī)定，因此選用一款多功能的液晶顯示芯片SSD1305，它是一款CMOS的OLED，它由132×64的點(diǎn)陣構(gòu)成，能同時(shí)顯示4行漢字，每行最多8個字，可以設(shè)置不同的背景顏色，調(diào)節(jié)對比度，使顯示的結(jié)果看起來更加舒適。內(nèi)嵌有對比度控制器，顯示區(qū)RAM以及晶振等，可以減少外部元件的數(shù)量進(jìn)而減少功耗，因其體積小功耗低在各種便攜器件中應(yīng)用較多，比如計(jì)算器的顯示屏，手機(jī)的屏幕，MP3/MP4的顯示屏等。

3 各模塊功能的實(shí)現(xiàn)方法

GPS模塊的應(yīng)用是基于目前全球定位系統(tǒng)GPS[2]是技術(shù)上最成熟且已實(shí)用的一種衛(wèi)星導(dǎo)航和定位系統(tǒng)，GPS發(fā)播一種形式的協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC），以便為全世界的用戶提供時(shí)間同步能力。本文主要采用的是集成的GPS模塊，它能提供標(biāo)準(zhǔn)的世界時(shí)間，通過單片機(jī)控制GPS模塊的數(shù)據(jù)用串口來傳送，單片機(jī)的串口接收數(shù)據(jù)并提取出有用的信息，經(jīng)處理后在液晶OLED上顯示出來，便于用戶觀察當(dāng)前時(shí)間，此外單片機(jī)還將時(shí)間信號以一定的格式通過串口傳給外部設(shè)備用來校準(zhǔn)時(shí)間。

由于采用的是集成的GPS模塊，只用提供電源，連接簡單的外圍部件，模塊就可以正常地工作，數(shù)據(jù)的輸出通過串口發(fā)送端與單片機(jī)的串口接收端相連，就可以被單片機(jī)正常地接收。單片機(jī)從串口接收到的數(shù)據(jù)中提取出有用的當(dāng)前世界時(shí)，當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢玫慕?jīng)度和緯度。

時(shí)鐘芯片DS1302是為了防止GPS接收到的信號無效而使用的，在考慮到GPS模塊在沒有信號時(shí)其時(shí)間數(shù)據(jù)是隨機(jī)的，數(shù)據(jù)均是無效的，因此必須使用一款時(shí)鐘芯片來記錄GPS有效的時(shí)間。在上電后DS1302內(nèi)部的振蕩器開始工作通過單片機(jī)的讀寫控制向DS1302寫入初值，芯片便開始以秒為基準(zhǔn)計(jì)數(shù)，且只要DS1302的供電電源有效則秒信號就會加1計(jì)數(shù)。可以將GPS有效的時(shí)間值寫入DS1302，即使在GPS信號無效時(shí)DS1302的時(shí)間也是準(zhǔn)確的。當(dāng)GPS信號有效時(shí)，GPS信號的時(shí)間與DS1302讀出來的時(shí)間是同步的，在GPS信號無效時(shí)DS1302仍可以讀出標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間，可以把DS1302的時(shí)間作為時(shí)間基準(zhǔn)，但為了防止出現(xiàn)誤差，可以隔一段時(shí)間對其校準(zhǔn)，這里使用PPS產(chǎn)生的中斷來校準(zhǔn)時(shí)間，當(dāng)GPS信號有效時(shí)，將寫入當(dāng)前DS1302的秒數(shù)據(jù)加1，在下一個PPS中斷信號到來時(shí)將此秒信號加1后的值寫入到DS1302，完成一次校時(shí)。這一系列的操作均通過軟件實(shí)現(xiàn)，用這種方式DS1302顯示的時(shí)間精確度與PPS的精度相當(dāng)。可以保證不管在GPS信號是否有效時(shí)均能保證讀出的時(shí)間是標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，達(dá)到校時(shí)的目的。

系統(tǒng)的電源由5 V的USB提供，單片機(jī)、GPS模塊、串口轉(zhuǎn)換模塊、時(shí)鐘模塊等的供電電源為3.3 V，液晶供電電源為12 V。因此設(shè)計(jì)使用了兩個電壓轉(zhuǎn)換芯片[3-4]，其中一個為5 V轉(zhuǎn)3.3 V的DC-DC芯片MIC29152，另一塊為3.3 V轉(zhuǎn)12 V的DC-DC芯片TPS61040，此外還配有4.2 V電池裝置，可以配置一塊充電電池在電耗完時(shí)接外接電源充電，與手機(jī)充電電池相當(dāng)，這樣在戶外校時(shí)就會很方便。其中兩款DC-DC芯片均配有工作使能引腳，只有在使能端電壓為有效時(shí)芯片才正常工作，使能端通過單片機(jī)控制，軟件編程可以輸出有效的3.3 V和12 V的電壓。

數(shù)據(jù)的傳輸都是通過串口傳送的，但是由于此電路板設(shè)計(jì)規(guī)則有要求，因此數(shù)據(jù)在發(fā)送給外部設(shè)備時(shí)采用的是USB接口，這就要求電路必須要有電平轉(zhuǎn)換電路[5]，這里使用了一片MAX3232，串行數(shù)據(jù)通過MAX3232后USB接口發(fā)送出去，在程序的調(diào)試階段通過與電腦相連設(shè)置相同的波特率就可以接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。同時(shí)也可以將電腦要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過USB接口給單片機(jī)接收。此系統(tǒng)設(shè)置有兩個串口，一個用來發(fā)送GPS信號，主要用來判斷GPS是否正常工作，另一個接口用來發(fā)送提供給外部設(shè)備的校時(shí)信息，一般串口輸出的信息包含規(guī)定的起始標(biāo)志符，當(dāng)前的時(shí)間信息以及從PPS中斷開始到時(shí)間信息發(fā)送完畢時(shí)定時(shí)器所記錄的時(shí)間作為一次發(fā)送的結(jié)束標(biāo)志，此結(jié)束標(biāo)志也可以作為外部校時(shí)設(shè)備收到信號后的開始標(biāo)志。

在外部環(huán)境使用此校時(shí)器沒有外接電源，需要使用電池來供電，但長時(shí)間的供電會使電池耗盡，為了減小功耗，當(dāng)不需要校時(shí)時(shí)，選擇單片機(jī)工作在停機(jī)模式，同時(shí)其他電源芯片使能腳無效電源不能正常工作，這樣可以減小電池的消耗，這里利用了C8051F340單片機(jī)的特殊停機(jī)模式的功能，按鍵按下后即可進(jìn)入停機(jī)模式，只有在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)才能由停機(jī)模式轉(zhuǎn)換為正常的工作模式，這一功能主要靠程序控制字PCON實(shí)現(xiàn)。此方式減少了電源的消耗也大大節(jié)省了電池充電的次數(shù)。

4 軟件實(shí)現(xiàn)方法

校時(shí)的核心步驟均是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的，一般GPS天線在室外容易收到信號，而在室內(nèi)往往不易收到，因此要用此設(shè)備校時(shí)時(shí)可以先在室外接收GPS信號，在上電后在液晶上會顯示當(dāng)前的時(shí)間信息以及當(dāng)前所處的地理信息，此時(shí)由于GPS信號有效，DS1302的時(shí)間已經(jīng)被校準(zhǔn)過了，若要開始校時(shí)可以按下按鈕KEY2，串口開始發(fā)送數(shù)據(jù)，對方接收后處理接收到的數(shù)據(jù)即可，若校時(shí)結(jié)束則斷開KEY2。在校時(shí)結(jié)束后不需要使用時(shí)可以按下KEY1，此時(shí)進(jìn)入停機(jī)模式，液晶顯示關(guān)閉，處于節(jié)能狀態(tài)。需要再次校時(shí)時(shí)按下KEY3，系統(tǒng)復(fù)位重新恢復(fù)顯示。其中軟件流程圖如圖2所示，具體編程使用的是C語言[6]，因其語法結(jié)構(gòu)簡單易懂而被廣泛應(yīng)用，環(huán)境編程使用Keil C51可以設(shè)置斷點(diǎn)、單步全速運(yùn)行等，方便進(jìn)行在線調(diào)試。

5 結(jié)束語

圖2 軟件流程圖Fig.2 The flow chart of software

此校時(shí)器利用GPS標(biāo)準(zhǔn)的世界時(shí)，用串口發(fā)送時(shí)間數(shù)據(jù)來校時(shí)，精確度高，性能穩(wěn)定，且自備有天線和電池裝置，可以隨時(shí)隨地使用，因而不同于一般的校時(shí)設(shè)備，通過單片機(jī)的核心控制由軟件來實(shí)現(xiàn)校時(shí)功能，可以由程序靈活地控制，性能良好，方便攜帶，是一款理想的校時(shí)儀器。

[1]萬光毅，孫九安，蔡建平，等.SoC單片機(jī)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐與應(yīng)用設(shè)計(jì)——基于C8051F系列[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006:13-23.

[2]Kaplan E D，Hegarty C J.GPS原理與應(yīng)用[M].寇艷紅，譯.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2007:87-90.

[3]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）[M].北京：高等教育出版社，2008：485-516.

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[5]李朝青.單片機(jī)原理及串行外設(shè)接口技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，1999:53-62.

[6]譚浩強(qiáng).C語言設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001:40-60.