基于GPS15xL-W塔钟控制系统的研究

摘要：针对传统塔钟走时存在累积误差的缺点，提出一种基于GPS15xL-W的塔钟控制系统，采用89C54RD+单片机作为主控芯片，介绍了系统的硬件电路和工作原理，并给出了相应的软件设计方法，实现了塔钟控制系统自动校时功能，从而消除了塔钟控制系统走时的累积误差，保证塔钟控制系统走时的高精度。研究结果表明：该系统运行可靠，具有很好的实用性。
关键词：GPS；自动校时；自动追时；单片机；累积误差

    随着城市建设的快速发展，建筑物上的塔钟越来越多。目前实现塔钟自动校时的方式主要有3种：(1)利用收音机接收的报时信号进行校时；(2)利用电视机接收的电视信号进行校时；(3)利用短波接收机接收陕西天文台的短波授时信号进行校时。然而这3种校时方式所采用的校时信号极易受到外界干扰，可能导致长时间分离不出有效的校时信号。解决这一问题的最好办法就是采用全球定位系统。近年来，随着电子技术的发展，GPS接收机的造价愈来愈低，而且接收的卫星信号准确可靠不易受外界环境干扰，而且其安装不受地域的限制，一般装有塔钟的地方均可安装，完全满足了塔钟控制系统的使用要求。本文介绍了基于GPS15xL-W的塔钟控制系统。

1 GPS授时原理
    GPS(Global Positioning System全球定位系统)是美国于1994年全面建成，集卫星导航、定位和定时于一体的多功能系统。GPS系统主要由三部分组成：空间部分、地面控制系统部分、用户设备部分。空间部分由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，均匀分布在6个轨道面上，使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息。GPS卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算可求出接收机的三维位置、三维方向、运动速度以及时间信息。本系统中获知时间信息即可。
    若设接收机的位置为(X，Y，Z)，已知卫星的位置为(Xn，Yn，Zn)，其中n=1，2，3，4，则解以下4个方程便可计算出接收机的位置(X，Y，Z)和标准时间T。
   
    式中，C-光速；△T-用户时钟与GPS主时钟标准时间的时差；Tn-卫星n发射信号的发射时间；τn-卫星n上的原子钟与GPS主时钟标准时间的时差。
    用户利用GPS接收机就能全天候、实时、连续不断地接收到其发出的信号，通过对接收的信号进行解码和处理，从而获取精确的时间信息，包括1PPS，即秒脉冲信息，其脉冲前沿与国际标准时间(格林威治时间，UTC)的同步误差不超过1μs，以及经RS232串口输出的与秒脉冲前沿相对应的UTC时间。

2 硬件设计
2．1 系统硬件电路构成
    本系统主要由以下几部分组成：单片机控制系统(89C54RD+)、步进电机驱动电路、GPS接收电路、电源电路、调节控制键盘电路、显示电路、报时电路，如图1所示。

    系统中的塔钟由步进电机带动走时，STC89C54RD+以GPS时间信息为基准，输出步进电机的控制信号。GPS接收机选取美国GARMIN的产品GPS15xL-W模块，该GPS接受模块体积小，功耗低，授时精度可达±50 ns(典型值)，可以输出两种时间信号，一种是间隔为1 s的同步脉冲信号1PPS，其脉冲前沿与UTC的同步误差不超过1μs，另一种为包含在串口输出信息的与1PPS秒脉冲相对应的UTC绝对时间。主控器采用宏晶公司的STC89C54RD+增强型51单片机，通过MAX232电平转换芯片与GPS15xL-W连接，获得接收机接收的时间信息，作为塔钟的时基信号源，送入单片机的RXD端，单片机的P1．0—P1．3设计为输出端，提供步进电机的步进脉冲信号、方向控制信号以及脱机使能信号。
    由于步进电机需220 V交流电带动，停电时步进电机不能工作，塔钟不再走时，因此，系统中引入高性能、低功耗、带RAM的实时时钟。电路当检测到即将停电时(由电源监视及检测电路实现)，CPU首先将当前时间写入DS1302提供的RAM中，然后CPU内部所有功能部件都停止工作，仅DS1302芯片由电池供电继续走时。上电后，CPU从DS1302中读取时间数据，计算出塔钟停走的时间，输出步进电机控制信号，从而控制步进电机带动塔钟指针走动，实现系统的自动追时功能。
    同时，根据要求，MCU可对塔钟上的相关设备：霓虹灯、语音芯片(ISD4004)、扩音器等进行控制。另外，通过按键，可设置塔钟的走时基准点。塔钟的时间数据可通过LCD显示。
2．2 步进电机驱动电路
    2M2260是一款等角度恒力矩细分型步进电机驱动器。该驱动器内部采用类似伺服控制原理的电路，此电路可以使电机低速运行稳定，几乎没有震动和噪音，由于驱动器工作电压高，使电机在高速时力矩大大高于其它二相、五相混合式及传统式步进电机。步进脉冲停止超过100 m／s，驱动电流自动减半。定位精度最高可达12800步／转。图2为单片机与2M2260的连接图。单片机I／O口与步进电机驱动器之间通过MC1413连接，可增大单片机输出的驱动电流。

    图3为2M2260的信号波形及时序。驱动器上电后两秒给步进电机发送脉冲。驱动器对步进脉冲要求是低电平为0～0．5 V，高电平为4～5 V，脉冲宽度大于2．5 μs。ENA-接电源地时，驱动器正常工作，否则，驱动器停止工作，电机处于自由状态。电机正常工作时，若DIR-输入为低电平，电机沿顺时针方向转，反之，电机沿逆时针方向转动。
2．3 报时系统
    报时系统硬件原理见图4。报时系统由一块ISD4004语音芯片、扬声器及外围电路构成。ISD4004有两个信号输入端，一个是录音信号的同相输入端ANA IN+，另一个是录音信号的反相输入端ANA IN-。ISD4004被启动后，发出报时信号，首先是音乐，接着是打点声。此信号送入LM386，经过放大后，推动扬声器发声。

3 软件设计
    系统软件设计采用模块式，设计包括：初始化模块，串口中断接收模块，数据处理模块，显示模块，键盘处理模块，走时模块。图5为主程序流程图。系统初始化模块包括串口初始化、液晶显示初始化。串行中断接收GPS_OEM板的“$ GPRMC”语句。每当正确接收到“$ GPR MC”语句就更新一次显示，同时送出塔钟走时的控制信号。

    单片机上电复位，通过串行接口RXD与GPS15XL-W接收机通讯，获取卫星数据；另一方面步进电机的指针快速走时，若查询到按键1按下，则此时的位置为塔钟的走时基准点。若查询到按键2按下，则指针快速走到当前时刻，继而正常走时。单片机通过P1口与塔钟控制系统通讯实现塔钟校时。单片机接收GPS接收机发来的数据信息，从中筛选出所需要的时间信息。传送时间信息的指令是$GPRMC，是命令头，其ASCII码是24，47，50，52，4D，43，2C。紧随命令头的是UTC时间，hhmmss(时分秒)格式。
    此外，单片机接收到的时间数据为UTC时间(格林威治时间)，UTC时间与世界各地的时间有时差，例如，UTC时间比北京时间晚8 h，因此，将接收到的UTC时间加上8 h，即为北京时间。在对小时加8的时候，要注意对日期的影响，因为日期涉及到闰年等问题。
    步进电机每获得一个脉冲指针转过1．8°，但是塔钟转盘一圈360°，秒针走过一小格，即6°，但是连续给步进电机三个脉冲，指针只能走5．4°，因此，为了减小误差，给步进电机发送脉冲的时序为3—4—3，即单片机按三个脉冲、四个脉冲和三个脉冲给步进电机发送脉冲，塔钟指针走过5．4°、7．2°和5．4°，照此循环发送，所以每三秒钟就可以消除指针转动的误差。
    因此，在软件设计中，首先判断当前的时刻的秒值与三相除所得余数，余数为0和2，则发送3个脉冲，若余数为1，则发送4个脉冲，以此类推。秒针每转过一圈为一分，即分针走过一小格；分针每转过一圈为一小时，即带动时针走一大格。塔钟按上述情况走时。GPS时间信息每秒钟校正一次塔钟走时，从而保证塔钟走时的高精度。

4 结论
    因采用了GPS作为塔钟走时的标准时钟源，解决了塔钟走时不准确的问题，控制系统硬件设计简单，抗干扰性强，系统运行稳定可靠，具有很好的实用性。