多數據來源機載時鐘設備的研究與設計

中國民航大學 朱 浩 陳柏安 錢文高深圳航空有限責任公司維修工程部 何滿英 李曉平

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多數據來源機載時鐘設備的研究與設計

中國民航大學 朱 浩 陳柏安 錢文高
深圳航空有限責任公司維修工程部 何滿英 李曉平

【摘要】本文研究民航飛機機載時鐘功能及原理，設計出機載時鐘設備仿真件，模擬時鐘的時間顯示和計時功能，用于機務模擬器實訓教學。本套設備利用AT89C52單片機作中央處理單元，接收GPS以及北斗衛星較為準確的時鐘授時。同時設備配備獨立的DS1302芯片作為內部基準時鐘源，用于GPS信號接收不正常等特殊情況時，來提供準確的時間顯示以及完成實訓及教學中的計時工作。經實物仿真驗正，其可完成機載時鐘設備提供精準計時及時間顯示的功能。

【關鍵詞】GPS授時；北斗授時；機載時鐘；DS1302芯片；AT89C52

0　引言

隨著中國民航事業的不斷發展，民航業對于機務維修人員的需求與日俱增，而對相關從業人員的培養也尤為重要。機載時鐘設備的主要功能是為機組人員提供其所需要的精確的當地時間，世界時間以及飛行耗費時長，同時其也是機務人員工作所需的主要計時儀器。但是在維修培訓，以及相關的測試中，一般的機載時鐘設備成本較為昂貴。所以實現高精度機載時鐘設備的仿真設計對相關人員的使用有很大的幫助。

全球定位系統（global position system，GPS）可在全球范圍提供全天候授時服務，是世界上覆蓋范圍最廣，精度最高的時間系統[1]。北斗衛星導航系統（BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System）是中國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統[2]。

由于GPS信號源來自于美國并由軍方控制，在自主性以及安全性上會存在一定的問題。所以北斗授時系統的引進可以在一定程度上提高機載時鐘設備信號源的安全性與獨立性。采用DS1302芯片可以自主計時。通過軟件控制可判斷GPS授時的準確性。GPS授時正常時,授時數據會校正DS1302計時的基礎秒。

分析可知，基于GPS授時系統，北斗授時系統，與DS1302授時的多數據來源授時方案可以有效提高機載時鐘設備的時鐘精度及其穩定性和安全性。

GPS時鐘采用的是世界協調時—UTC。其既可滿足人們對均勻時間間隔的要求，也可滿足人們對以地球自轉為基礎的準確世界時刻的要求[3]。在GPS衛星上載有與UTC時間同步的銫原子鐘，這樣它就成為了一種空間的時間基準，地面上的用戶能夠接收發自GPS衛星的時間服務信號，校正本機時鐘，使之與GPS時鐘同步，實現時間傳遞功能[4]。

由于機載時鐘設備中的GPS/BD授時模塊只需要被動的接收衛星轉發的導航時間信息，結合本設計產品所采用的GPS/BD授時模塊主要采用單向授時原理實現，則以BD授時系統中的單向授時技術原理來分析上述的誤差來源[5]，如表1所示：

表1　衛星授時主要誤差源

則可以得出授時精度為：δ=34ns ①

對于機載時鐘設備，由于工作環境的特殊性，其多路徑效應誤差較小[6]。所以由式①可以得出其在理論上完全滿足機載時鐘設備工作精度的需求[7]。

基于DS1302的單片機內部獨立計時，高精度晶振的工作方式。由于DS1302芯片計時存在累計誤差[8]，需要及時利用GPS/BD有效授時時間進行校正，在較短時間內，GPS時鐘不存在累積誤差，可以在接收到GPS/BD有效時間信息時對芯片時間進行校正。

在GPS衛星正常工作時，此時的GPS授時芯片會反饋回代碼A，用基本的靜態接收的方法即可得到精確的時間[9]。此時對DS1302芯片進行實時信息校正。當返回值不為A，即衛星信號存在問題時，系統會自動切換，顯示DS1302時間信息，當系統重新接收到衛星返回值A，會再次對DS1302芯片進行時間校正，實現與GPS時鐘的信息同步[10]。

1　總體設計方案

如圖1，該設計方案以單片機AT89C52為數據處理中心，接收GPS 以及北斗模塊授予的時鐘信號。通過調節相應按鈕，可以在數碼管上顯示出對應的時間類型，同時單片機還外接有獨立的計時模塊用于計時整個飛行所耗用的時間，同時為特殊情況下導致不準的GPS及北斗授時時間進行校準。

圖1　總體模塊設計圖

其中，GPS和北斗模塊授予中央處理單元時間數據，同時內部DS1302模塊授予中央處理單元內部時間，通過程序判斷可在顯示模塊上顯示準確的時間數據。同時，在GPS或北斗模塊信號正常情況下，其可以校準DS1302的內部時間。通過按鈕模塊可以得到對應的時間數據或計時數據。

2　硬件部分

中央處理單元采用AT89C52單片機模塊，其主要作用是接收GPS模塊及北斗模塊和DS1302芯片的實時時間數據，同時掃描設備相關按鈕的實時位置，通過軟件部分設定的轉換機制，在數碼管上顯示出其正確對應的時間和計時時間。

衛星授時模塊采用K2525M3G5 G-MOUSE芯片，其采用北斗/GPS雙系統互為備用設計，支持單北斗，單GPS，北斗/GPS雙系統。授時精度為30us，標準時鐘脈沖為0.25Hz～1KHz，啟動時間33s，溫啟動時間30s，熱啟動時間1s。在信號強度較好時，可以接收到北斗與GPS雙模塊的時間信息。信號較弱時，可以接收北斗模塊或GPS模塊有效信息。在能接收到有效信息的條件下，通過中央處理器處理數據，將有效的授時信息顯示在數碼管上，并及時對DS1302芯片進行實時校準。通過按下相應的按鍵可以切換數碼管上顯示時間或日期信息。

DS1302模塊采用涓流充電時鐘芯片，該芯片內部包含一個實時時鐘/日歷和31字節的靜態RAM，通過串行通信口可與單片機進行實時通信。實時時鐘/日歷電路提供精確到秒的實時時鐘信息，每月的天數以及閏年的天數可以自動調整。DS1302芯片提供單片機內部計時，同時提取時鐘的秒時間作為耗用時間（ET）計時的基準，用于計時飛機飛行及其它計時的時長。

計時模塊以DS1302為時間信息來源，通過獲取計時開始的時間作為計時時基，在開始鍵按下以后，實時獲取DS1302的時間信息，并通過中央處理器對數據進行處理，得到計時時間，并發送到顯示模塊，顯示相應的計時時間。

顯示模塊采用數碼顯示管，顯示UTC時間，時鐘所在地的當地時間，以及飛行及其他計時的耗用時間。數碼管采用芯片MX7219驅動完成時間及其日期的正確顯示，芯片MX7219在此設備中可以減少I/O口的使用，節約I/O口資源。

圖2　串口通信接收BD/GPS授時時間信息方案設計圖

3　軟件部分

北斗/GPS雙模模塊發送數據格式如下：

$GPRMC,123400.000,A,4002.217821,N,11618.105743,E,0.026,18 1.631, 180411,,E,A*2C

$BDRMC,123400.000,V,4002.217821,N,11618.105743,E,0.026,18 1.631, 180411,,E,A*2C

其中：GPRMC代表GPS數據信息，BDRMC代表北斗數據信息。123400.000對應格式為 hhmmss.sss（hh-小時，mm-分，ss-秒），180411對應格式為ddmmyy（dd-日，mm-月，yy-年）。數據有效判別位為‘A’位，如果數據有效該位為‘A’，如果數據無效該位為‘V’。因此可根據接收到的此位的字符判定數據是否有效，并判別是否對DS1302芯片進行時間校正。如果接受到的有效標志位均為‘A’，則選擇GPS授時時間對DS1302進行時間校正并驅動顯示模塊顯示GPS授時時間[11]。

處理接收數據方面，由串口接收到的每一位數據為數字的字符格式，需要進行相應的數制轉換，將ASCII碼值轉換為對應數字。計算公式為：數值=接收的ASCII碼值-48。獲取時間信息的公式：

在轉換成北京時間的算法中,hour需要進行加8處理，在進行hour 加8小時處理過程中，當超過當天的24時，此時日期將進行加1處理，同時對日期、月份，年份進行判斷，進行相應的進位或者借位處理。

串口通訊接收BD/GPS授時時間信息方案設計如圖2所示。

通過截取部分有用授時信息，有效節約單片機內部存儲空間。

在處理計時時間過程中，在開始計時鍵按下時，得到DS1302當前時間，并存入相應的數組，作為計時時間的起始時基.在計時過程中，不斷讀取DS1302的時間信息，通過算法處理數據得到耗用時間，并將其傳送到顯示模塊進行顯示。

由上述步驟，可得如圖3顯示數據。測試證明，該設備可以提供高精度穩定的時鐘信號，滿足功能的需求。

圖3　設備顯示面板

4　結束語

本文主要介紹了一種多數據來源的高精度機載時鐘設備研究及設計.仿真出通過北斗模塊、GPS模塊和DS1302模塊,在確保能夠正常接收時間信號的情況下可以獲得較高精度時鐘設備。北斗/GPS的時鐘誤差在信號強度時為20ns-150ns，在中央處理器處理數據通過仿真，到數據在顯示模塊顯示出來執行約260us，總體誤差在3us左右。通過RS232接收數據，處理數據以及顯示數據，在優化程序的過程中實現高精度性，同時滿足機載時鐘設備使用的要求。

參考文獻

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[2]北斗衛星導航系統.北斗衛星導航系統簡介[OL].http://www.beidou. gov.cn/2011/12/06/20111206e06b16a3bd8846459b969277a3317e5b.html.

[3]張斌.基于GPS的高精度時鐘在線校頻與授時研究[J].中國電機工程學報,2015.

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[10]王淑芳,王禮亮.衛星導航定位系統時間同步技術[J].全球定位系統,2005(2):10-14.

[11]王惠南.GPS導航原理與應用[M].北京:科學出版社,2003.

朱浩（1995—），男，現就讀與中國民航大學，研究方向：電子信息工程、自動控制。

陳柏安（1993—），男，現就讀于中國民航大學，研究方向：電子信息工程、自動控制。

作者簡介：

基金項目：大學生創新創業訓練項目（項目編號：2015100590820）。