漳州電視臺(tái)GPS授時(shí)系統(tǒng)

朱丹總

（漳州電視臺(tái) 播出部，福建 漳州 363000）

0 引言

目前大部分電視臺(tái)都采用硬盤(pán)自動(dòng)播控系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行電視節(jié)目的播出，角標(biāo)和字幕切出時(shí)間的準(zhǔn)確性取決于字幕機(jī)和播控站PC機(jī)等設(shè)備時(shí)間的精度，因此大部分電視臺(tái)都會(huì)采用授時(shí)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)各相關(guān)設(shè)備進(jìn)行時(shí)間校正，來(lái)確保各信號(hào)的準(zhǔn)時(shí)播出。

漳州電視臺(tái)自動(dòng)授時(shí)系統(tǒng)采用專用的GPS模塊來(lái)接收時(shí)間信息，采用單片機(jī)作為主控芯片來(lái)進(jìn)行時(shí)間源的獲取，并對(duì)各終端設(shè)備進(jìn)行授時(shí)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)主要由GPS接收模塊[1-2]、CPU控制單元、備用時(shí)鐘模塊、時(shí)鐘顯示單元、接口轉(zhuǎn)換單元和PC機(jī)接收處理等部分組成。

1.1 GPS接收模塊

本授時(shí)系統(tǒng)采用瑞士u-blox公司提供的LEA-4S接收模塊，該模塊具有很高的靈敏度，可以接收并處理微弱的信號(hào)，適用于各種環(huán)境。經(jīng)設(shè)置，該模塊每秒可通過(guò)串口輸出一串$GPRMC信號(hào)給CPU，該信號(hào)含有從GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)上接收下來(lái)的日期和時(shí)間參數(shù)。

1.2 CPU控制單元

主控制器采用ATMEL公司的ATmega16單片機(jī)，該單片機(jī)含有一個(gè)串行收發(fā)器USART。進(jìn)入正常工作后，單片機(jī)只從GPS模塊接收數(shù)據(jù)，并向各終端設(shè)備單向發(fā)送數(shù)據(jù)。因此可采用單片機(jī)的接收口RxD來(lái)接收GPS模塊送過(guò)來(lái)的$GPRMC信號(hào)，發(fā)送口TxD則用于輸出授時(shí)信號(hào)到播控站、字幕機(jī)等設(shè)備，對(duì)其校時(shí)。

為了便于產(chǎn)生9600 Hz波特率的串口通信頻率，AT?mega16單片機(jī)采用11.0592 MHz的晶振（fosc），根據(jù)AT?mega16單片機(jī)波特率BAUD和寄存器UBRR值的計(jì)算公式UBRR=fosc÷BAUD÷16-1，可推導(dǎo)出，只要將UBRR設(shè)置為71，便可將串口通信的波特率設(shè)置為9600 Hz。

1.3 備用時(shí)鐘單元

在惡劣天氣或受到干擾等情況下，GPS接收模塊有時(shí)接收不到有效的GPS信號(hào)，無(wú)法向單片機(jī)提供正確的時(shí)間信息，為此筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)備用時(shí)鐘模塊，單片機(jī)未能從GPS模塊接收到有效的時(shí)間信息時(shí)，會(huì)自動(dòng)從備用時(shí)鐘模塊獲取時(shí)間信息，確保了時(shí)間源的不間斷獲取。

時(shí)鐘模塊采用專用的時(shí)鐘芯片HT1380，該芯片是帶年月日和時(shí)分秒的串行時(shí)鐘保持芯片，外接32.768 kHz走時(shí)晶振，日計(jì)時(shí)誤差約為0.5 s，在GPS模塊能提供有效的時(shí)間信息時(shí)，單片機(jī)每間隔1 h對(duì)HT1380的計(jì)時(shí)信息修正1次，進(jìn)一步確保了備用時(shí)鐘模塊的計(jì)時(shí)精度。

1.4 LED時(shí)鐘顯示模塊

該模塊由4個(gè)LED數(shù)碼管和驅(qū)動(dòng)線路組成，用來(lái)顯示時(shí)間。為了簡(jiǎn)化電路和減少占用單片機(jī)I/O端口，采用動(dòng)態(tài)掃描方式來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的顯示，即對(duì)每位數(shù)碼交替驅(qū)動(dòng)顯示，每隔2 ms驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮1位數(shù)碼管。

1.5 接口轉(zhuǎn)換單元

ATmega單片機(jī)和終端PC機(jī)的通信接口都為RS-232，傳輸距離有限。為了延長(zhǎng)傳輸距離，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，采用MAX485芯片先將單片機(jī)串口輸出的RS-232協(xié)議信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS-485協(xié)議信號(hào)，當(dāng)信號(hào)傳輸?shù)讲タ卣?、字幕機(jī)等終端時(shí)，再經(jīng)RS-485/232轉(zhuǎn)換模塊還原為RS-232協(xié)議信號(hào)，然后送入播控站和字幕機(jī)等設(shè)備的RS-232串口，采用RS-485協(xié)議信號(hào)來(lái)進(jìn)行信號(hào)傳輸。

由于本系統(tǒng)采用單向授時(shí)方式，即授時(shí)信號(hào)只是由主控板送至各設(shè)備終端，為了簡(jiǎn)化電路和提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃裕瑢⑿酒琈AX485設(shè)置成單向傳輸方式，如圖2和圖3所示，將發(fā)送端MAX485芯片的RE和DE控制腳都設(shè)置為高電平，而接收端MAX485芯片的RE和DE控制腳都設(shè)置為低電平，這樣就可確保信號(hào)是由主控板向各受控設(shè)備單向傳送。

為了使用方便，如圖3所示，將字幕機(jī)和播控站所使用的RS-485轉(zhuǎn)RS-232模塊設(shè)計(jì)成無(wú)源方式，整個(gè)電路的供電直接從接收終端的RS-232接口的DTR（第4腳）和RTS（第7腳）獲取，由78L05穩(wěn)壓后，產(chǎn)生5 V直流電源，對(duì)接收模塊電路供電。

1.6 PC機(jī)接收處理

PC機(jī)內(nèi)的接收處理軟件將接收到的授時(shí)信號(hào)經(jīng)校驗(yàn)和解碼處理，然后對(duì)PC機(jī)和字幕機(jī)等設(shè)備的系統(tǒng)日期和時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)。

2 程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用

2.1 單片機(jī)程序

本系統(tǒng)采用匯編語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)ATmega16單片機(jī)程序，如圖4所示，開(kāi)機(jī)后主程序先進(jìn)行初始化設(shè)置，將串口通信參數(shù)設(shè)置為波特率9600 Hz，數(shù)據(jù)位8位，校驗(yàn)位無(wú)，停止位1位，并開(kāi)辟了接收緩存空間receiveBuffer和發(fā)送緩存空間sendBuffer，用于暫存接收和待發(fā)送數(shù)據(jù)。進(jìn)入主循環(huán)后，不斷地進(jìn)行按鍵檢測(cè)、發(fā)送授時(shí)信號(hào)和LED時(shí)間顯示處理。

如圖5所示，單片機(jī)以中斷的方式接收并處理GPS模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的$GPRMC信號(hào)，GPS模塊通過(guò)串口每秒鐘發(fā)送如下的1幀信號(hào)到單片機(jī)：

$GPRMC,＜1＞,＜2＞,＜3＞,＜4＞,＜5＞,＜6＞,＜7＞,＜8＞,＜9＞,＜10＞,＜11＞,＜12＞*hh＜CR＞＜LF＞

代碼中：＜1＞代表UTC時(shí)間，hhmmss（時(shí)分秒）格式；＜9＞代表世界協(xié)調(diào)時(shí)間（Universal Time Coordinated，UTC）日期，dd?mmyy（日月年）格式；hh是用作奇偶校驗(yàn)的數(shù)據(jù)，代表了$和*之間所有字符按位異或值。每當(dāng)收到完整的一串?dāng)?shù)據(jù)后，先判斷校驗(yàn)碼是否正確，以防止接收數(shù)據(jù)有誤。接收到正確的數(shù)據(jù)后，先從＜1＞和＜9＞提取出 UTC時(shí)間和日期，UTC時(shí)間與格林尼治平均時(shí)（Greenwich Mean Time，GMT）相同。因北京和英國(guó)倫敦相隔8個(gè)時(shí)區(qū)，所以需要將解出來(lái)的UTC時(shí)間和日期進(jìn)行時(shí)差轉(zhuǎn)換才能得到北京時(shí)間，然后送出顯示和授時(shí)。漳州電視臺(tái)硬盤(pán)播出系統(tǒng)上采用的是安徽現(xiàn)代電視技術(shù)有限公司的臺(tái)標(biāo)發(fā)生器，為了兼容其接收授時(shí)信號(hào)的格式，每組由單片機(jī)發(fā)送出來(lái)的授時(shí)信號(hào)都包含如下信息：5A，＜1＞，＜2＞*hh。其中：5A代表握手信號(hào)；＜1＞代表北京時(shí)間，hhmmss格式；＜2＞代表日期，ddmmyy格式；hh為校驗(yàn)碼。在臺(tái)標(biāo)發(fā)生器RS-232接口上的轉(zhuǎn)換器采用專用的有源RS-485/232接口轉(zhuǎn)換器。

圖4 ATmega16單片機(jī)程序流程圖

圖5 單片機(jī)中斷流程圖

2.2 PC機(jī)端程序的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用Visual Basic語(yǔ)言[3]來(lái)編寫(xiě)PC機(jī)端的管理軟件。如圖6所示，在軟件的初始化設(shè)置時(shí)，將PC機(jī)串口通信的參數(shù)設(shè)置成和單片機(jī)串口一樣的參數(shù)，即波特率9600 Hz數(shù)據(jù)位8位，校驗(yàn)位無(wú)，停止位1位。串口通信設(shè)置代碼為：

MSComm1.CommPort=1

MSComm1.Settings="9600,N,8,1"

圖6 PC機(jī)端程序流程圖

MSComm1.InputLen=0

MSComm1.InBufferSize=256

MSComm1.OutBufferSize=256

MSComm1.InBufferCount=0

MSComm1.OutBufferCount=0

MSComm1.PortOpen=True

MSComm1.SThreshold=0 MSComm1.RThreshold=1

為了防止誤改系統(tǒng)時(shí)間，接收端軟件收到一組時(shí)間信號(hào)后，先與PC機(jī)原來(lái)的系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行比較。如果不一致，接著再接收一組時(shí)間信號(hào)，并對(duì)先后收到的兩組時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確認(rèn)正確后才修改系統(tǒng)時(shí)間。

2.3 GPS模塊設(shè)置軟件

GPS模塊在使用前需先采用廠家提供的專用設(shè)置軟件進(jìn)行輸出參數(shù)的設(shè)置，LEA-4S的設(shè)置軟件為u-center 3.0，界面如圖7所示。

3 小結(jié)

本授時(shí)系統(tǒng)采用了單片機(jī)ATmega16作為主控芯片，可及時(shí)準(zhǔn)確地獲取GPS信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后發(fā)送授時(shí)信號(hào)到各終端設(shè)備。經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行，本系統(tǒng)能同時(shí)對(duì)3臺(tái)主播控站、3臺(tái)備播控站、3個(gè)臺(tái)標(biāo)機(jī)和3臺(tái)字幕機(jī)進(jìn)行授時(shí)，運(yùn)行穩(wěn)定，授時(shí)準(zhǔn)確，可確保節(jié)目的安全準(zhǔn)點(diǎn)播出。

圖7 GPS模塊設(shè)置軟件界面（屏幕截圖）

[1]洪大永.GPS全球定位系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用[M].福建，廈門(mén)：廈門(mén)大學(xué)出版社，1998.

[2]王爾申，胡青，張淑芳.GPS和Galileo接收機(jī)的芯片技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2007，31（6）：17-19.

[3]姚巍.Visual Basic數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)及工程實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，2003.