基于STM32的GPS授時系統設計

吳彥霖 　劉瑞敏　王興隆　楊智勇

摘要： 本文設計了一種基于STM32高速單片機的GPS衛星授時時鐘，它由四部分組成，分別是接收機、中央處理單元、LCD顯示和輸出接口。其中接收機用于接收標準時間信號，中央處理單元的作用是處理數據，可同步輸出時間數據，保證高精度授時。這不僅能解決時間獲取問題，而且能真正實現全球范圍內的時間校準。該方法不僅具有實現手段簡單、精度高、范圍大等特點，還具有無需通道聯系，不受地理和氣候條件限制等優勢，是理想的時鐘同步方法。本文介紹了基于STM32的GPS授時時鐘裝置的硬件；根據裝置要實現的功能，給出了主程序和中斷程序的流程圖和程序介紹。

Abstract： This paper designed a GPS satellite timing clock based on STM32 high speed microprocessor， which is composed of four parts： receiver， CPU， LCD display and output interface. The receiver is used to receive standard time signal， and the CPU is used for data processing， which can output time data synchronously， thus ensuring high precision timing. This can not only solve the problems of time acquisition， but can truly realize global time calibration. This method has features of simple implementation means， high precision and large scope and there is no need of channel contact. It is free from the restriction of geographical and climate conditions. So it is the optimal clock synchronization method. This paper introduces the hardware of the GPS timing clock device based on STM32 and the supposed function. The main program and interrupt program flow chart and program introduction are presented.

關鍵詞： 授時系統；STM32；GPS；中央處理單元

Key words： timing system；STM32；GPS；central proceeding section

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）05-0117-03

0 引言

在計算機革命的影響下，于20世紀70年代誕生了一批新的時間用戶，這些用戶需要精確的計算機時間。然而，計算機時鐘同腕表、家里的掛鐘等時鐘相比，其性能要較弱，不可否認，計算機時鐘的守時能力并不強。

由于很多計算機應用需要精確的計算機時間，而計算機時鐘不良的性能給其帶來了很多負面問題。比如用于金融系統的計算機，出于安全方面的考慮，必須精確的記錄每次轉賬、交易的時間。對于電視基站、無線電臺等同步通信系統而言，必須保證能夠在正確的時間建立鏈路連接，這離不開授時系統的支持，它是實現儀器或者計算機與國際標準時間精確同步的關鍵。而要想使兩者精確同步，通常的做法是采用原子鐘，但是原子鐘價格昂貴。本文介紹一種簡單、相對廉價的時間同步方法，其利用全球定位系統提供的時間信號和秒脈沖，可以使接受裝置的時鐘與UTC（Universal Time Coordinated 世界統一時間）達到精確同步。

1 STM32的GPS授時系統設計的意義[1]

隨著社會的不斷發展和進步，人們的時間意識越來越強，因此對時間的精確度要求越來越高?，F在有很多行業對時間的同步性要求也越來也高，而原子鐘的成本又太高，所以，基于STM32的GPS高精度授時時鐘將完全能夠勝任這些時間要求較高的行業。

2 系統設計思想與方案的選擇

本系統用一片STM32F103VBT6作為中央處理單元，STM32F103VBT6有128K的存儲空間，系統框圖如圖1所示，由中央處理單元對接受到的GPS報文進行處理，提取相關時間和日期信息，將其顯示在LCD上面，并通過光口和電口將信息發送給其他接受裝置，為了方便系統的調試，在此系統模塊的基礎上增加了一個RS485接口，除了以上外設之外，此系統模塊上還有JTAG程序燒寫口和ISP接口。RS485接口主要用來方便調試程序。系統還有串口和光口，串口用來接收GPS報文，光口通過B碼[2]向接受裝置發送時間數據，，此外本系統還增設了一個電口以便符合接受裝置尤其是電力裝置的接口需求。GPS模塊的1PPS引腳接到STM32的中斷管腳上，以提高授時的精度。STM32自帶一個實時運行的時鐘。接收到的GPS時間信息是要為本系統校時，而不是直接為系統提供時間。這樣系統內就始終有一個時鐘在運行。

3 系統組成原理及硬件設計

3.1 系統的組成和原理

本系統主要采用單片機STM32做處理器。整個系統由單片機中央控制和運算模塊、電源模塊、GPS模塊、光口和電口、LCD1602液晶顯示模塊、RS485接口組成。

3.2 硬件電路的設計

3.2.1 STM32F103VBT6單片機系統設計

單片機中央控制與運算模塊負責接收GPS報文[3]，讀寫I2C時鐘，將GPS報文中的時間信息提取出來，經過數據運算后，在1PPS中斷到來的時刻，將時間數據寫入I2C時鐘芯片，同時將時間和信息整合后送到屏幕顯示。

3.2.2 電源電路的設計

由于系統中需要兩種電壓，例如STM32、串行電平轉換芯片為3.3V供電，而GPS模塊、液晶屏幕以及RS485接口則用5V供電。為了保證系統模塊簡潔化，系統模塊直接采用外部5V電源供電，而3.3V輸出采用SA1117。在電源電路中并入多個不同容值的電容所構成的濾波電路來抑制各種高頻信號。使系統能夠得到穩定可靠且低干擾的電源，保證系統的可靠運行。

3.2.3 GPS模塊電路設計

GPS模塊通過天線接收多顆衛星傳來的定位及時間數據，通過串口將數據送出，并產生1PPS秒脈沖。該GPS接收模塊采用GARMIN公司的最新的GPS OEM板[4]，型號為GPS15XL-W。GPS OEM接收板在任意時刻能同時接收其視野范圍里4～11顆衛星的信號，其內部硬件電路和軟件通過對接收到的信息進行解碼和處理，能從中提取并輸出二種時間信號：一是間隔為1s的同步脈沖信號1PPS（電平為3V），其脈沖前沿與UTC的同步誤差不超過1μs：二是包括在串口輸出信息中的UTC（Coordinate Universal Time協調世界時）絕對時間（年、月、日、時、分、秒），它是與1PPS脈沖相對應的，如圖2所示。

3.2.4 光/電口數據傳輸模塊

本系統的一大特點就是可使用光纖對相關數據進行傳輸，因此用到光/電及電/光的轉換模塊。該模塊分別用的是HFBR-1414[5]和 HFBR-2412進行電/光和光/電的轉換。單片機所接收到的信號就可通過電/光轉換進行傳輸。

3.2.5 LCD顯示模塊

顯示模塊采用金鵬公司的OCMJ4×8C，該模塊采用ST7920芯片[6]。經過單片機處理的日期數據可顯示在LCD上。

3.2.6 RS-485接口[7]的設計

系統采用RS-485通信。RS-485接口采用差分方式傳輸信號?？煞奖愕耐ㄟ^PC對系統進行調試。

4 系統軟件設計

根據上文所說的，一個GPS授時系統應對GPS衛星信號進行接收并且解調；然后根據相應的衛星導航電文計算標準的UTc時間；再通過相應的計算確定鐘差，最終存儲并調整本機的時鐘。本系統為了調試方便用了RS-485進行數據傳輸并可通過液晶屏顯示相應的結果。系統軟件主要包括GPS信息提取、RS485的通信及LCD屏的顯示。

在GPS的信息提取部分主要要提取報文時間信息。本系統用GPS用NMEA-0183通信協議中的RMC數據格式?！鯮MC幀結構為：

■GPRMC，<1>.<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>

數據格式中各字段含義見表1。

程序需提取的是它的字段一。程序運行后檢測是否接受到報文，若沒有則繼續檢測，若接收到報文則接受報文的所有數據；再繼續檢測是否接收完全，若沒有則繼續接收，若收到則返回繼續檢測是否有報文。流程圖如圖3所示。

所提取到的時間信息就可對GPS的時間進行校準。并把時間顯示到LCD1602上，完成GPS的授時。

5 調試結果

經過對軟、硬件的設計及實現，最后所完成的基于單片機的GPS高精度授時時鐘在運行過程中性能良好。系統可以實現準確接收GPS報文，并對時間信息進行運算處理，在整10秒時刻為系統內運行的I2C時鐘授時。單片機將讀出的時間數據與讀出的城市數據整合，送LCM顯示。具有菜單功能，菜單共四項。實現了顯示任意城市時鐘、設任意城市時鐘為默認、在GPS未接收到準確數據時手動調整默認城市時鐘、鬧鐘調整和顯示本地經緯度等功能。

6 結束語

目前市面上GPS的運用很廣泛，如何使GPS精確的授時是一個很大的問題。本技術應用ST32可很好地解決這個問題。①用1pps輸出加RS-485數據輸出進行授時；②有電/光口可用光纖對數據進行傳輸。③精確度很高，可精確到ns級?？蓾M足天文、地震等的要求。GPS OEM板會得到更加廣泛的應用。

參考文獻：

[1]徐文輝，王大為.實時在線式 GPS 授時系統原理與設計[J]. 哈爾濱工業大學學報，1998，30（5）：30-33.

[2]楊保平，郭文峰，卜格鴻，等.基于 FPGA 的 IRIG—B 碼解碼器設計[J].裝備指揮技術學院學報，2006，16（6）：79-82.

[3]王杰.基于 GPS 的時間服務系統的研究[D].大連海事大學，2011.

[4]張超，鄭勇.利用 GPS OEM 板進行精確授時的研究[J].信息工程大學學報，2001，2（4）：50-53.

[5]王利桓.波特率自適應的 RS-485 光電收發器模塊設計[J]. 2008.

[6]洪家平.中文圖形顯示控制芯片 ST7920 的原理與應用[J]. 國外電子元器件，2005（1）：38-40.

[7]潘群，向軍，王琳.RS-485 串行通信接口電路的設計與應用[J].常州工學院學報，2009（3）：38-42.