基于UM220芯片研發(fā)的北斗_GPS雙模授時系統(tǒng)

黃明亮 林濱 柯如峰

摘 ?要：通過研究NTP協(xié)議，利用和芯星通的UM220-III N雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊提供的北斗/GPS時間信息，通過單片機(jī)和W5500網(wǎng)絡(luò)模塊等硬件構(gòu)造UDP服務(wù)器。使用常見的單片機(jī)作為處理器，利用STC12C5A60s2的串行接口接收UM220模塊輸出的NMEA0183語句數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)、網(wǎng)絡(luò)模塊和RT1602C型通用液晶顯示模塊相結(jié)合，搭建一套北斗_GPS雙模授時系統(tǒng)，完成對空管系統(tǒng)的授時應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：UM220;單片機(jī);北斗;GPS;NTP;串口報(bào)文

1 引言

信息技術(shù)的發(fā)展和普及應(yīng)用，對時間精度提出了更高的要求。在諸多授時方法中，衛(wèi)星授時以其高精度和全球覆蓋度已經(jīng)成為授時的主要手段。目前空管所使用的空管自動化系統(tǒng)、內(nèi)話系統(tǒng)、記錄儀系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)等均接入了GPS時鐘作為授時時鐘源。隨著我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的逐漸成熟，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)也能夠提供標(biāo)準(zhǔn)的時鐘源。利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)時鐘給空管設(shè)備授時，可消除單一GPS時鐘授時存在單點(diǎn)故障隱患，使民航安全生產(chǎn)得到保障。基于此現(xiàn)狀，研究基于北斗和GPS系統(tǒng)的授時系統(tǒng)在空管設(shè)備中的應(yīng)用。

2 授時方式簡介

（1）串口報(bào)文對時

串口通信是指外設(shè)和計(jì)算機(jī)間，通過數(shù)據(jù)信號線、地線、控制線等，按位進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式。串口報(bào)文對時也稱軟對時，是利用一組時間數(shù)據(jù)（年、月、日、時、分、秒）按一定的格式、速率和順序等，通過串行通信接口發(fā)送給被授時裝置，被授時裝置利用這組數(shù)據(jù)預(yù)置其內(nèi)部時鐘。常用的串行通信接口為RS-232和RS-422/RS-485.串口報(bào)文對時的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)全面、不需要人工預(yù)置。

（2）NTP網(wǎng)絡(luò)授時

NTP（Network Time Protocol）是網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議，它是用來同步網(wǎng)絡(luò)中各個計(jì)算機(jī)的時間的協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)時鐘傳輸?shù)氖且?900年1月1日0時0分0秒算起時間戳的用戶數(shù)據(jù)協(xié)議（UDP）報(bào)文，周64位表示，前32位為秒，后32位為秒等分?jǐn)?shù)。網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文往返時間是可以估算的，因而采用補(bǔ)償算法可以達(dá)到精確對時的目的。

NTP的基本工作原理如下圖所示。

T1：客戶端請求發(fā)送時間

T2：服務(wù)端收到請求的時間

T3：服務(wù)端答復(fù)時間

T4：客戶端收到答復(fù)的時間

通過這四個時間戳，我們可以計(jì)算出NTP報(bào)文的往返時間Delay=（T4-T1）-（T3-T2），客戶端相對服務(wù)端的時間差offset=（（T2-T1）+（T3-T4））/2。網(wǎng)絡(luò)方式對時的優(yōu)點(diǎn)是基于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，物理實(shí)現(xiàn)方便，新引進(jìn)的空管設(shè)備大部分均支持NTP授時，本次課題也是基于此種授時方式進(jìn)行研發(fā)。

3 基于UM220研發(fā)的北斗_GPS雙模授時系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是基于和芯星通的UM220-III N雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊、51單片機(jī)和網(wǎng)絡(luò)模塊W5500開發(fā)，使用常見的51單片機(jī)作為處理器，利用STC12C5A60s2的串行接口接收UM220模塊輸出的NMEA0183語句數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)、網(wǎng)絡(luò)模塊和RT1602C型通用液晶顯示模塊相結(jié)合，完成網(wǎng)絡(luò)授時和時間顯示功能，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路如下：

3.1硬件設(shè)計(jì)

衛(wèi)星時間接收模塊：采用UM220-III N芯片模塊，該模塊能夠同時支持BD2 B1，GPS L1兩個頻點(diǎn)，接收北斗和GPS衛(wèi)星信號，并通過軟件配置選擇模塊上串口輸出數(shù)據(jù)，可選擇只接收北斗衛(wèi)星信號或者只接收GPS衛(wèi)星信號或者兩者同時接收，本次研發(fā)是選擇同時接收GPS和BD衛(wèi)星信號。該模塊串口1為主串口，輸入輸出信號類型為LVTTL電平，默認(rèn)波特率為9600bps，最高可以設(shè)為115200bps，可自行配置。模塊上還集成了MAX232芯片，提供EIA/TIA-232-E標(biāo)準(zhǔn)電平，以便與PC機(jī)等通過RS232串口進(jìn)行通信。模塊輸出的時間信息，通過串口發(fā)送給51單片機(jī)進(jìn)行接收處理。

服務(wù)器模塊：W5500+STC51單片機(jī)模塊中W5500是一款TCP/IP嵌入式以太網(wǎng)控制器，提供了更加簡易的互聯(lián)網(wǎng)連接方案，W5500集成了TCP/IP協(xié)議棧，10/100M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層及物理層，內(nèi)嵌32K字節(jié)片上緩存以供以太網(wǎng)包處理，能同時使用8個硬件socket獨(dú)立通訊。STC51單片機(jī)簡單易學(xué)，應(yīng)用廣泛，價(jià)格便宜，此次研發(fā)選用的是51單片機(jī)中的STC12C5A60s2芯片，該芯片是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。

時間接收模塊輸出的時間信息輸出至服務(wù)器模塊的P30和P31引腳，經(jīng)過51單片機(jī)串口中斷完成時間接收，通過STC12C5A60s2+W5500搭建硬件平臺，通過指令編程構(gòu)造的SNTP服務(wù)器，完成網(wǎng)絡(luò)授時功能。

3.2軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件由5個模塊組成。分別是系統(tǒng)初始化模塊，串口中斷處理模塊，UDP服務(wù)器模塊，SNTP數(shù)據(jù)包收發(fā)處理模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊。

系統(tǒng)初始化模塊：在用戶對設(shè)備加電時，對單片機(jī)的硬件端口、液晶顯示模塊、W5500模塊做初始化操作;

串口中斷處理模塊：在UM220接收到時間信息后，觸發(fā)STC12C5A60s2串口中斷，利用編程指令完成時間信息接收和處理;

UDP服務(wù)器模塊：由于NTP協(xié)議工作于UDP模式，利用編程指令構(gòu)造UDP協(xié)議，定義端口運(yùn)行于UDP模式，定義網(wǎng)絡(luò)參數(shù)變量，定義好UDP模式下數(shù)據(jù)的接收和處理功能。

SNTP數(shù)據(jù)包收發(fā)處理模塊：接收并處理接收到的SNTP數(shù)據(jù)包，解析數(shù)據(jù)包時間信息，構(gòu)造SNTP協(xié)議并發(fā)送NTP報(bào)文給被授時用戶。

數(shù)據(jù)顯示模塊：負(fù)責(zé)將接收到的時間信息，顯示到1602顯示屏指定位置。

4 結(jié)束語

基于UM220研發(fā)的北斗_GPS雙模授時系統(tǒng)，不僅能夠同時接收北斗和GPS兩種衛(wèi)星時間提供精確的時間信息，而且具有硬件電路簡單，編程方便，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，并且較好的同時實(shí)現(xiàn)了NTP授時和串口報(bào)文授時兩種授時功能，滿足了大部分空管設(shè)備對授時系統(tǒng)的需求，具有一定的推廣使用價(jià)值。