GPS智能塔钟控制系统的研究

摘要：本文研究的GPS自动校时塔钟控制系统是以STC89C51单片机为控制器，由GPS接收器、伺服电机、LED显示、语音报时等部分组成，具有自动校时、显示、报时等功能。通过GPS15XL-W接收芯片捕捉来自卫星的准确时间信息，以此为时钟源。利用单片机对接收到的时间信息进行提取和处理，并完成对单片机走时的校正。系统由单片机走时构成母钟，单片机向伺服电机发送脉冲驱动子钟走时。其优点是实现上电后的自动校时，改变了传统校时的不便，减少了机械误差，塔钟精度可达±1μs，没有累计误差。
关键词：GPS；伺服电机；单片机；实时校时

    随着经济社会的不断发展，人们生活的节奏逐步加快，人们对时间的精确度要求越来越高，尽管城市建筑物上的塔钟也越来越多，但大部分都是以传统塔钟为基础的传动、人工校时。传统的塔钟都是纯机械集成电路驱动控制的，走时极不稳定，需要人为周期地校时。现在的塔钟，一般由小规模集成电路控制步进电机走时，整个系统体积大、准确性不高。因此，设计可以实时校时的塔钟就成了研究的关键。

1 国内外研究现状
    古老的机械塔钟以重锤为动力源，通过机械传动带动走针机构指示时间，并通过敲打专门铸出的“钟”来报时。近现代的机电塔钟的走针系统为机械式，控制系统为子母钟形式。塔钟为子钟，它接收高精度母钟(一般为石英钟)定期发出的电脉冲信号，通过步进电机带动走针机构指示时间，并与母钟同步运行。报时的钟声或音乐由录音磁带或程序控制方式发出。
    目前，对于GPS在授时方面的研究才刚刚起步，GPS的高精度授时不仅可以提供准确的时间，还可以使电力交通通讯等部门的网络实现时间同步，如Internet中的计算机、CDMA基站等，都需要与UTC时间同步。利用GPS-OEM接收板，进行二次研制开发实现时间同步，与传统授时方式相比，具有精度高、稳定性好、无累计误差，不受地域、气候等环境条件限制，性价比高和操作方便等特点。“GPS塔钟”2007年才出现，虽有GPS塔钟产品问世，但技术不成熟，许多问题有待进一步研究。伴随电子技术日新月异的发展，人们对时间同步要求越来越高，利用GPS实现时钟同步是大势所趋。

2 系统的总体设计
    本课题设计的GPS塔钟是采用具有高精度的GPS授时，微处理器控制系统为母钟形式，塔钟为子钟，它接收微处理器发送的脉冲，通过伺服电机带动指针走时，并与GPS时间同步，音乐报时通过专门的语音芯片完成。
    本系统主要由以下几部分组成：系统控制模块、接收模块、显示模块、键盘模块、电机模块、语音模块，如图1所示。

    GPS授时模式采用GPS为标准时钟源，用单片机设计电路，由于使用软硬件结合方式，单片机作为核心控制器，大部分硬件电路被软件程序所取代，因此电路结构简单、调试方便、成本低、自动化程度高、可靠性高。

3 硬件设计
3．1 微处理器的选择
    本设计选用的是STC89C51 RC单片机。它是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统的8051单片机，12时钟／机器周期和6时钟／机器周期可任意选择，最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。加密性强、超低价。
3．2 GPS接收器模块的选择
    常见的GPS接收器有很多，如SiRF-starIIe、SiRF-starIII、Sony-single chip solution-CXD2951、Evermore、Garmin等等。通过比较，本设计选择美国GARMIN系列GPS15XI-W，它是经济卡的精品，并行12通道GPS接收机、可同时跟踪12颗卫星、定位精度高、功耗低。GPS实时差分精度3m～5m、支持WAAS功能。体积小巧、结构紧凑、易于应用、接受机信息可方便地显示于显示单元或PC机上。全屏蔽封装、具备优秀抗电磁干扰特性。用户无需初始化，安装完毕，接受机即可自动传送导航数据；有较强的抗遮挡能力、性能极其稳定可靠。
3．3 电机的选择
    对常见的步进电机与伺服电机的比较可知，伺服电机主要优点：良好的速度控制特性，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡；高效率，90％以上，不发热；高速控制；高精确位置控制(取决于何种编码器)；额定运行区域内，实现恒力矩；低噪音；没有电刷的磨损，免维护；不产生磨损颗粒、没有火花，适用于无尘间、易爆环境。
    因此，本设计选用的伺服电机型号为日本安川生产的SGMAH-04AAA4C，功率400W，电压200V，电流2．8A，3000r／m。
3．4 语音模块的选择
    ISD4002系列工作电压3V，单片录放时间4min～8min，音质好，适用于移动电话及其他便携式电子产品中。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口(SPI或Microwire)送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。
3．5 系统原理框图
    根据设计要求，它包括天线、GPS-OEM接收模块、单片机信号处理电路、EEPROM存贮器、报时电路、扬声器，其中天线、GPS-OEM接收模块、单片机信号处理电路、主控制电路四部分以串联结构连接，主控制电路分别与EEPROM存贮器、报时电路、显示电路以分支结构连接，报时电路与扬声器以串联结构连接。本系统原理框图如图2所示。

    由于GPS15XL-W输出的是RS232电平，AT89C51单片机是CMOS电平，所以二者之间通信需要电平转换。如图3所示。

4 软件设计
    本系统软件设计主要有两部分：单片机控制时钟走时及单片机接收GPS接收机时间信息进行实时校时，前者较为简单此处不再赘述，仅对校时系统进行介绍。
4．1 GPS同步校时方案选择
    GPS的校时可分为两种类型：脉冲中断方式和串行通信接口方式。GPS本身提供的时间信息是非常精确的。但采用哪种方式对自动保护装置中的实时时钟芯片进行授时，就成了保证时间精度的关键。本设计选择串行通信方式可以满足塔钟基本要求。
    串口通信方式是以串行数据流的方式输出时间信息，各个自动保护装置接收每秒一次的串行时间信息来进行校时。在此校时过程中，串口发送以及接受数据都是采用中断方式，双方的中断处理程序都将占用CPU的时间，此外延时的大小还与双方串口中断优先级的设置有关。另外，在串行通信方式中，数据是按照一定的波特率逐位传输的，因此总线传输也将有延时，该延时的大小与波特率以及传输的数据量均有关。在以上影响校时精度的各个因素中，只有传输延时是可以准确计算的，其他的只能作大致的估计，在将以上因素综合考虑后，可以通过给时间信息一个修正值，来保证校时的精度。
4．2 获取GPS标准时间信息
    GPS20EM板采用NMEA20183通信标准格式，可以输出多种句型，均以“$”开头。设计要提取的语句是“$GPRMC”，$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11> 3 hh <CR>，<LF>。
    软件编译窗口如图4所示：

5 小结
    在系统设计中，完成以下几个部分：
    (1)系统硬件设计，设计以可靠性和实用性为原则，选用器件在保证可用的基础上，尽量使电路简化，在设计过程中，用实验的方法完成了全部软件与硬件配合的调试工作；
    (2)接收模块的软件是用汇编语言完成的，它的功能是从GPS15XL-W中提取准确的时间信息；
    (3)完成母钟走时和显示的功能；
    (4)向伺服电机发送脉冲带动子钟的走时功能。