基于無線通信網及GPS的雙時鐘源授時設計

歐陽明星

(廣東松山職業技術學院電氣工程系，廣東韶關512126)

0 引言

“授時(Time service)”是指利用無線電波發播標準時間信號的工作，有短波授時、長波授時、衛星授時、互聯網和電話授時，GPS衛星授時是一種覆蓋范圍寬、校時精度高的授時方法，無線通信網按規定的協議進行信息交互和通信，以實現智能化管理、控制、監控［1］，將接收的GPS時鐘信號通過無線通信網進行二次授時，系統具有分布廣、成本低、精度高、使用簡單的特點，解決了傳統的采用晶體定時所存在的走時不準、操作不便、人工校時等問題。本文設計一種基于無線通信網的雙時鐘源授時系統，接收GPS衛星時鐘信號作為第1時鐘源，可對數量多、分布廣的時鐘、萬年歷、打鈴儀等進行授時，設計有Internet網關，接入互聯網可實現遠程控制或用作網絡授時服務器，為避免集中授時因GPS信號接收失敗導致時鐘大面積癱瘓問題，系統還設計了DS12C887組成第二時鐘源備用，實時時鐘可廣泛應用于學校、廠礦等。

1 系統組成

系統由GPS授時機、主機控制器、子機、傳感器4個部分所構成，系統使用無線通信網絡進行通信，主機控制器設計有Internet網關接口，以便計算機及智能終端的遠程登錄與控制，為提高GPS衛星信號的接收靈敏度，擴大使用范圍，將GPS接收機置于室外并采用光伏自供電技術，GPS接收機接收衛星信號并提取出時間信息后通過無線通信網絡向主機控制器發送授時信號，主機控制器置于室內，自帶液晶顯示人機接口，主機接收的授時信息轉換成北京時間后再次通過無線通信網絡發送給子機單元，系統組成如圖1所示。

圖1 授時系統結構圖

2 GPS接收機設計

2．1 GPS 授時原理

全球衛星定位系統(Global Position System，GPS)是一套完整的定位、導航、授時系統，全球任何地點的GPS用戶通過GPS接收機接收GPS衛星發出的信號，獲取準確的空間位置信息、同步時基、世界標準時間等。要實現定位需要經度、維度、高度、用戶時間與標準時間差，GPS接收板接收到衛星信號組成如下［2］:

式中:ρi為已知GPS接收板到每顆衛星的空間距離;xi、yi、zi為每顆衛星的空間位置;X、Y、Z 為 GPS 接收機的位置;Δt為GPS接收板時鐘與衛星時鐘偏差，接收4顆衛星組成4個方程或已知接收板位置接收1顆衛星信號均可實現衛星授時。GPS衛星裝載了高精度的銫原子鐘，授時精度為幾十ns，比無線電同步碼的授時精度高出一個數量級［3-4］。

圖2 GPS授時原理

2．2 GPS接收機設計

隨著技術發展與進步，GPS接收設已做成集成了衛星解碼芯片、陶瓷天線、控制單元等于一體的獨立而完整的模塊，通過RS232異步串行通信口與外界通信，使用 NMEA-0183接口通信協議，傳輸內容為ASCII編碼。外置單片機通過RS232串行口即可接收GPS模塊的接收信息，提取時間信號經加工后即可當成本系統的標準時間進行授時［2］。本設計使用塊VK162 GPS接收模塊，采用SiRF StarⅢ芯片組，體積小，接收靈敏度高，搜星快，其默認波特率為9600 b/s，可選RS232或TTL接口電平。VK162所使用NMEA-0183協議命令集如表1所示，每條指令有同步協議頭，以“$”開始，后面跟著命令字。本設計只接收GLL命令，從GLL命令中提取時間、日期信息，其命令格式如下:

GPRMC，hhmmss．dd，s，xxmm．dddd，＜ N/S ＞，yyymm．dddd，＜ E/W ＞ ，s．s，h．h，ddmmyy

“$”為語句起始標志;GPRMC為GLL命令協議頭，后面跟著的為時間、日期、地標等信息，如表2所示［5］。時間精度為1 ms，值得注意的是接收到的時間為0區UTC世界時間，需要將其轉換成東8區北京時間。

表1 NMEA-0183常用命令

表2 NMEA-0183命令舉例

GPS接收機由VK162 GPS接收模塊、CPU、無線收發器等組成，CPU讀取VK162接收到的GPS數據中的GLL命名，提取GPS授時所需的時間、年、月、日等信息，并將其過無線收發器送給主機控制器。為提高授時成功率，增大輻射傳輸距離，將GPS接收機置于接收靈敏度高的室外，并使用太陽能光伏供電。設計GPS接收機硬件如圖3所示［6］，使用STM8L151F2P低功耗單片機作控制器，其內部采用3級流水線的哈弗結構，并集成了16M晶振、2個16位定時器、1個8位定時器以及了12bit分辨率的A/D轉換器，有I2C、SPI接口電路，工作電壓為 1．6～3．6 V，內部集成2KBFlash、1．5KBRAM 等 存 儲 器，指 令 速 度 為16MIPS［7］。為提高太陽能電池發電效率，使用MPPT最大功率點追蹤技術，使任意時刻太陽能電池處于發電的最佳時刻，輸出最大功率［8］，圖中 U2、Q1、L1 等元件為MPPT及Boost充電電路，使用自適應變步長擾動觀測法實現MPPT跟蹤控制，以實現對蓄電池的高效率充電。

圖3 GPS接收機原理圖

3 雙時鐘源授時機設計

3．1 主機控制器設計

GPS授時機通過無線方式向主機發送時間信息，主機接收以后再通過無線方式發送給所有子機，實現對子機的GPS授時。為提高系統穩定性和可靠性，主機設有DS12C887備用時鐘源，作為第二時鐘源以備應急使用。DS12C887將時鐘、鋰電池、充電電路集成在一起，信息能保持10年之久，是一種工業中常用的RTC時鐘芯片［9］。主機在向其他子機發送GPS授時信號時亦同時校準DS12C887時鐘，當主機與GPS接收機失去聯系時，主機啟用DS12C887的第二時鐘源對子機授時。主機兼有電鈴控制功能，預先作息時間表存于主機中，主機實時比對作息時間表，若定時時間到則向打鈴儀子機發送響鈴控制信號，控制其響鈴。

圖4 主機硬件電路原理圖

為實現無人值守，主機中保存了不同季節的作息時間表，根據設定日期自動切換。此外，主機還可以向打鈴儀發送“禁響”指令，使某些特殊位置的電鈴或在特殊時期“禁響”，直到子機接收“解禁”指令后方能正常工作。主機硬件電路原理圖如圖4所示，使用STM32F103C8做控制器，并有LCD液晶屏和四按鍵組成的人機操作交互界面。STM32F103C8為ARM7 Cortex-M3內核結構，48腳封裝，工作頻率為72 MHz，64KB FLASH，20KB RAM，7個定時器，具有包含 I2C、SPI、USB在內的9個通信接口，2個10通道12 bit A/D轉換器［10］，芯片具有較高性價比。主機具有USB、以太網等接口，以太網的物理鏈接層由ENC28J60以太網接口芯片實現，CPU運行TCP/IP協議棧即可鏈接到Internet網，以便實現計算機或智能終端遠程控制和互聯網授時［11］。通過USB接口可以實現對主機內部的數據信息進行更新。

3．2 子機設計

子機為萬年歷或打鈴儀，分布在不同樓宇，子機還可以接傳感器，以實現對樓宇的監測控制，當觸發傳感器時子機將向主機發送信息并控制電鈴響鈴報警。子機 CPU 控 制 器 使 用 STM8L101F1T3，其 與STM8L151F2P相比僅內部缺少A/D轉換器，限于這部分電路較簡單不再贅述。

3．3 無線通信網節點設計

基于系統集成設計思路，將GPS授時機、主機、子機組成一個無線通信網絡，通過主機的以太網網關接入Internet網絡。CC1101是TI公司的單芯片無線射頻模塊，可工作于315～915 MHz的ISM頻段，集成10 mW PA功率放大器，遮體穿透能力強、抗干擾性能好，接口簡單，編程方便，是一種低功耗、低成本的無線通信網物理層媒介設計方案［12］，本系統使用CC1101無線通信模塊作為無線通信網，工作在900 MHz頻段，CPU通過SPI接口與其連接即可實現數據通信，其硬件電路見參考文獻［12］。

4 無線通信網軟件設計

4．1 無線通信協議

以CC1101組成無線通信網絡的物理鏈接媒介，采用頻分復用與碼分復用相結合的組網方式，按協議指令集進行組網通信。為避免頻道沖突，主機與GPS授時機及子機之間采用不同通信信道，為提高系統可靠性，主機實時監測子機工作狀態，主機逐一向子機發起查詢命令，子機接收到命令后檢查ID地址是否匹配并向主機發送應答信號［13］。系統上電后按約定的協議自動進行鏈接并組網，各種協議命令如圖5所示。圖5定義了7 Byte的短協議和63個字節長協議。短協議內容少，傳輸時延小，主要用實時授時和控制，長協議主要用于批量數據傳送。

圖5 通信協議集定義

廣播授時命令字為00H～03H，共4條指令，分別代表GPS接收機的4種不同的狀態:00H GPS同步授時，01H表示GPS接收失敗，02H表示GPS設備故障，03H表示GPS授時不成功，改用本地 RTC授時［14］。查詢命令為主機向從機發送的指令，地址匹配的子機接收將向主機發送應答信號。查詢命令和應答命令只使用2個字節，余下字段填充AAH和55H［15］。設置命令為07H，主要用于通信信道參數設置，控制命令用于實時控制，可定義5個功能，如控制子機開關機等。數據傳輸命令用于作息時間數據傳輸，有4條指令，分別表示不同夏季時令、秋季時令、備用時令1、備用時令2，包ID用作大量數據時的分包傳輸，為0時表示只有一個包，為FFH時表示最后一個包。

4．2 無線網通信過程

GPS接收機使用頻道0(CH0)與主機通信，主機與子機使用廣播信道(CH1)通信，所有子機開機守候在CH1頻道等待主機發送信號或命令，主機通過CH1向所有子機發送授時數據，發送間隔周期為300 s。主機每1 hr對子機進行一次檢查，通過CH1廣播信道呼叫指定子機，子機接收后向主機發送應答信號完成子機檢查過程。所有子機檢查完畢后主機切換到CH2信道監測傳感器信號。若主機無法接收到子機的應答信號將在液晶屏給出提示信息。子機可與紅外、微波等傳感器進行無線連接，CH5為傳感器專用信道，子機空閑時自動切換到CH5接收傳感器發送信號，每60 s接收一個次傳感器信號，若接收到傳感器信號則立即通過CH2信道向主機發送盜情信號。整個系統鏈接通信過程如圖6所示［16］。

圖6 節點通信過程

4．3 軟件設計

授時系統分別選用了STM系列8位處理器和32位的Cortex-M3處理器，所有程序使用C語言編寫實現，主機軟件程序圖見圖7(a)所示，子機軟件流程圖見圖7(b)所示。

5 測試與結論

樣機制作成功之后包含一個GPS接收機、1臺主機、2個子機、3個傳感器，借助AT6010頻譜分析儀和GPS導航儀時鐘構建測的評平臺進行測試，主要測試系統對環境和氣候的適應能力和節點網落性能。GPS接收機分別放置室內和室外，連續實驗3天，測試結果如表4所示，實踐證明置于室外時100%能正常接收衛星信號并成功提取時間。分別測試CC1101無線通信模塊的直線傳輸距離和遮體穿透通信能力，如表5所示，實踐證明，CC1101有遮體(2道水泥墻)的傳輸距離為320 m左右，空曠地帶的直線傳輸距離約為500 m左右。測試結果表明，樣機組網后工作穩定可靠，授時精度高，萬年歷實現免調試，打鈴儀實現無人值守，通過TCP/IP客戶端軟件可以實現授時系統的遠程控制，通過計算機、智能手機終端即可實現程監測和控制。

圖7 軟件流程圖

表4 GPS接收機測試結果

表5 CC1101無線通信網通信距離測試結果

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