基于北斗衛(wèi)星授時的無線自動作息控制系統(tǒng)的研究與設計

陳 超，李述良，謝兆鴻

(武漢工業(yè)學院電氣與電子工程學院，湖北武漢430023)

目前，很多領域對時鐘的精度和同步性的要求越來越高，隨著生活節(jié)奏的加快，學校、機關、企業(yè)單位等常用的作息自控系統(tǒng)仍然采用單片機計時，這樣的計時方法存在著一些缺陷與不足［1］，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)計時存在著累計誤差;(2)傳統(tǒng)的作息控制系統(tǒng)需要敷設專線來驅動電鈴，致使安裝和拆卸都比較麻煩;(3)傳統(tǒng)的系統(tǒng)只能傳遞瞬時的開關信號，傳達的信息模糊，例如究竟是上課還是下課;(4)刺耳的鈴聲常常會給安靜的教學和科研環(huán)境帶來噪聲污染;(5)傳統(tǒng)的作息控制系統(tǒng)還存在功耗大等不足。對此，本文研究設計了利用北斗衛(wèi)星上的高精度的原子鐘作為標準時間源，以太陽能供能，通過接收衛(wèi)星發(fā)送的時鐘信號，經本機修正處理解碼后獲得時間信息，在本機顯示，并與存儲的作息表比對，決定是否輸出驅動信號，然后通過無線的方式向系統(tǒng)內的接收執(zhí)行裝置發(fā)送日期和時間的信息，并直接控制下位執(zhí)行裝置發(fā)出悅耳的鈴聲、語音、圖像或者其他聲光信息，來自動完成對作息時間的控制。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)主要由兩大系統(tǒng)組成：本地授時系統(tǒng)和作息控制系統(tǒng)。本地授時系統(tǒng)的任務是接收和處理北斗衛(wèi)星的信號，提取時間信號，與作息表比對，通過無線向各個作息控制系統(tǒng)發(fā)出時間和執(zhí)行信號。作息控制系統(tǒng)直接將收到的信息按不同的方案來加以執(zhí)行，例如打鈴發(fā)出語音提示等等。如圖1所示即為北斗衛(wèi)星授時的無線作息控制系統(tǒng)的總體框圖。

圖1 北斗衛(wèi)星授時的無線自動作息控制系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

本地授時系統(tǒng)主要由：北斗接收模塊(包括天線)、數(shù)據(jù)處理及控制模塊、電源模塊、顯示模塊、人機交互模塊、無線收發(fā)模塊組成。

2.1 北斗衛(wèi)星接收模塊

北斗衛(wèi)星接收模塊有單向和雙向兩種定時接收方式。兩種定時的主要區(qū)別在于從中心站系統(tǒng)到用戶機傳播時延的獲取方式不同，單向定時是利用系統(tǒng)廣播的衛(wèi)星位置信息按照一定的計算模型由用戶機自主計算單向傳播時延，建模誤差(對流層模型、電離層模型等)及衛(wèi)星位置誤差都會影響該時延的估計精度，從而影響最終的定時精度;雙向定時則無需知道用戶機和衛(wèi)星的位置，僅通過來回雙向傳播時間除以2的方式獲取，就能更精確的反映了各種延遲信息，因此其估計精度較高。在北斗系統(tǒng)中單向定時的精度誤差值為100 ns，雙向定時為20 ns?？紤]到100 ns已符合作息控制的要求，所以本系統(tǒng)采用單向定時的方式。

北斗衛(wèi)星接收模塊由接收天線、射頻處理模塊、BD信息單元、授時信息融合處理單元等組成。接收天線用來接收北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星信號，并將射頻信號前置放大后傳送給射頻處理單元;射頻處理模塊將從天線接收到的信號進行放大、經變頻和濾波等處理，把處理后的信號送到北斗信息處理單元;北斗信號處理單元用于完成北斗系統(tǒng)時間信息的提取。提取出來的時間信息可以通過RS232串口或者TTL協(xié)議接收和發(fā)送，考慮到設計中所選微處理器只有一個串口且在無線傳輸要用到，所以選擇TTL協(xié)議的方式將時間信息傳給微處理器。

北斗衛(wèi)星接收模塊接收發(fā)送數(shù)據(jù)均采用串行通信的來實現(xiàn)。輸入(接收衛(wèi)星的數(shù)據(jù))輸出(處理完的 數(shù) 據(jù))語 句 均 按 NMEA -0183 協(xié) 議［2］。NMEA0183協(xié)議語句如下：“”為語句的起始標志;“Aaccc”為地址域，其中前兩位為識別符，后三位為語句名;“，”為域分隔符;“Ddd…ddd”為數(shù)據(jù)塊，發(fā)送數(shù)據(jù)內容;“*”為校驗和識別符，其后兩位為校驗和;“hh”為校驗和;“＜CR＞/＜LF＞”為終止符，表示回車和換行。NMEA-0183協(xié)議定義的語句很多，但是常用的或者說兼容性最廣的語句只有GPGGA(全球定位數(shù)據(jù))、 GPGSA(衛(wèi)星 PRN數(shù)據(jù))、GPGSV(衛(wèi)星狀態(tài)信息)、GPRMC(運輸定位數(shù)據(jù))、GPVTG(地面速度信息)、GPGLL(大地坐標信息)、GPZDA(UTC時間和日期)，發(fā)送的次序為 PZDA、GPGGA、GPGLL、GPVTG、GPGSA、GPGSV*3、GPRMC。本設計需要的是 GPRMC數(shù)據(jù)，其格式為： GPRMC，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞，＜7＞，＜8＞，＜9＞，＜10＞，＜11＞，*hh＜CR＞ ＜LF＞。 ＜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;＜3＞緯度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸);＜4＞緯度半球N(北半球)或S(南半球);＜5＞經度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸);＜6＞經度半球E(東經)或W(西經);＜7＞地面速率(000.0-999.9節(jié)，前面的0也傳輸);＜8＞地面航向(000.0-359.9度，以真北為參考基準，前面的0也傳輸);＜9＞UTC日期，ddmmyy(日月年)格式;＜10＞磁偏角(000.0-180.0度，前面的0也傳輸);＜11＞磁偏角方向，E(東)或 W(西)［3］。

2.2 CPU模塊

本系統(tǒng)中的CPU模塊采用的是AT89S52單片機，AT89S52是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內含8KB ISP(In Systen Programmable)的可反復擦寫1000次的FLASH只讀程序存儲器，支持在線編程。兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP FLASH存儲單元［5］。具體特點表現(xiàn)為：優(yōu)異的性能價格比;集成度高、體積小、可靠性高;控制功能強;低電壓和功耗。

2.3 電源模塊

電源模塊主要是給北斗授時模塊、微處理器和時鐘源提供穩(wěn)定的工作電壓?？紤]耗用電能較少，為了安裝靈活，采用太陽能和可充電電池的供電方案，本模塊在主要有太陽能電源和備用可充電池組成。在一般情況都是由太陽能電池來供電，當遇到特殊情況如天氣狀況惡劣或太陽能電池出現(xiàn)故障時則切換到備用電池來供電以保證系統(tǒng)的正常工作。

2.4 顯示模塊

顯示模塊主要用來顯示時間信號，采用MAX7219芯片，MAX7219芯片是一種高集成化的具有串行輸入/輸出的共陰極顯示驅動器，它可以連接微處理器與8位數(shù)字的7段數(shù)字LED顯示，也可以連接條線圖顯示或者64位獨立LED。芯片上包括一個片上的B型BCD編譯碼器、段字驅動器、位驅動器、多位掃描電路、內含8×8位靜態(tài)RAM用于存儲每一個數(shù)據(jù)。只需外接一個電阻就可為所有的LED提供段電流。MAX7219的三線串行接口適用于所有微處理器，每一個數(shù)據(jù)可以尋址，且在更新時不需要改寫所有的顯示。MAX7219具有軟件譯碼和硬件譯碼兩種功能，軟件譯碼是根據(jù)各段筆劃與數(shù)據(jù)位的對應關系進行編碼，硬件譯碼采用BCD碼(簡稱B碼)譯碼。MAX7219工作模式包括150μA低壓電源關閉模式、模擬數(shù)字亮度控制、限掃寄存器(允許用戶從第1位數(shù)字顯示到第8位)及測試模式(點亮所有LED)。其電路圖如圖2所示。

圖2 顯示電路

2.5 用戶交互模塊

用戶交互模塊包括本機鍵盤和受上位PC機遙控兩種。本地鍵盤用來直接操作本地授時系統(tǒng)的微處理器，PC機的主要是通過無線遙控來來修改或更新授時系統(tǒng)中的作息時間表和檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

2.6 無線收發(fā)模塊

SRWF-508型微功率無線數(shù)傳模塊是采用高效FEC前向糾錯技術結合高性能的無線射頻IC，以及高速微處理器相結合開發(fā)出的一款無線通信模塊，該無線通信模塊是在SRWF-501型無線通信模塊的基礎添加了適當?shù)墓β史糯笃鳎黾恿送ㄐ啪嚯x的一款微功率無線模塊，可與SRWF-501、SRWF-506、SRWF-507進行無線通信。該無線通信模塊具有很強的抗干擾能力，全透明傳輸，體積小，功耗低傳輸距離遠(能達到4500m)和波特率可調(有1200/2400/4800/9600/19200可選)的特點，使用時不需要任何編碼技術。

2.7 本地時鐘源模塊

本系統(tǒng)中所采用的DS12C887時鐘日歷芯片具有一定的精度，其誤差累積時間較長，可以采取每周或每月接收一次北斗時間信號以校準。這樣就能克服在天氣狀況不好難以收到衛(wèi)星信號或北斗系列出現(xiàn)故障時仍能使系統(tǒng)依然正常的工作，DS12C887中自帶有鋰電池，所以在外部掉電時，其內部的時間信息依然能保持10年之久。同時DS12C887中帶有128字節(jié)時間信息，其中11字節(jié)RAM用來存儲時間信息，4字節(jié)RAM用來存儲DC12C887的控制信息，作為控制寄存器，余下的113字節(jié)RAM可供使用戶使用。

2.8 作息控制系統(tǒng)

作息控制系統(tǒng)主要由接收模塊和執(zhí)行模塊組成。接收模塊把接收到的時間和執(zhí)行信號送到作息系統(tǒng)中的單片機中，具有顯示功能的系統(tǒng)可以把時間顯示出來，具有執(zhí)行功能的系統(tǒng)則根據(jù)接收到的執(zhí)行信號來執(zhí)行相應的動作如打鈴或者發(fā)出語音提示等等。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件的設計包括系統(tǒng)的初始化、中斷處理、接收信息處理、數(shù)碼管的顯示、發(fā)送信息處理。

3.1 本地授時和發(fā)送部分

本地授時系統(tǒng)的流程圖如圖3所示，系統(tǒng)主程序開始以后首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，之后單片機向北斗授時模塊發(fā)出多數(shù)據(jù)的指令，北斗授時模塊開始工作接收北斗衛(wèi)星上發(fā)出信號并經過射頻處理、北斗信息處理單元、授時信息融合單元等產生統(tǒng)一的時間信息，在將時間信息發(fā)給單片機，單片機將時間數(shù)據(jù)送入MAX7219并通過顯示模塊顯示出來。同時，單片機將得到的時間數(shù)據(jù)與FLASH中的作息時間比對，如果與表中的時間匹配，單片機發(fā)出相應的控制信號，子系統(tǒng)來接收控制信號執(zhí)行操作。為了減少功耗，設計30 s來發(fā)送一次數(shù)據(jù)，這是通過檢測接收的時間信號的秒位為00或30時控制SRWF-508發(fā)送(如圖4)來實現(xiàn)的。

圖3 本地授時系統(tǒng)流程圖

圖4 SRWF-508發(fā)送流程圖

3.2 作息控制和接收部分

作息控制系統(tǒng)的流程圖如圖5所示，微處理器等待SRWF-508接收到的信號(圖6)傳送過來，接收的信號包括時間信息和控制信號。時間信息作為本子系統(tǒng)的時間，控制信號用來執(zhí)行相應的動作，如打鈴或語音提示。

圖5 作息控制系統(tǒng)流程圖

圖6 SRWF-508接收流程圖

4 結束語

目前采用GPS衛(wèi)星授時的時鐘已經在生產和使用，這樣的時鐘走時精確、使用方便。但基于北斗的授時和作息控制系統(tǒng)還較少見。采用無線子母鐘的方案更能對一片區(qū)域里面的時間達到高度的同步。特別適合于學校、工廠等對時間具有同步性要求的地方，也可以用于其他需要保持高度時間同步的場合。

［1］ 胡宏波，宋光德.大區(qū)域子母鐘及其監(jiān)控系統(tǒng)的研究［D］.天津：天津大學，2004.

［2］ 周百力.微機與GPS--OEM板通信的應用研究［J］.微機信息，1997(04).

［3］ Anhl.GPS NMEA-0813 協(xié)議詳解［EB/OL］.(2008-12-04). http：//www.cnblogs.com/anhlyiling/archive/2008/12/04/1347657.html.

［4］ 劉大杰，施民，過靜君.全球定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理［M］.上海：同濟大學出版社，1996：1-5;58-61.

［5］ 劉守義.單片機原理及應用［M］.2版.西安：西安電子科技大學出版社，2002：30-54.