基于GPS15xL－ W 塔钟控制系统的研究

申冬琴，周国平，陈佳栋

(南京林业大学 信息科学技术学院，江苏 南京 210037)

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［1］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)［2］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［3］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［4］。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;ΔT—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)［5］的同步误差不超过1 μs，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［6］，STC89C54RD+以GPS 时间信息为基准［7］，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1 μs，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［8］，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。

图1 系统结构框图

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。

图2 单片机与步进电机的硬件连接图

图3 信号波形及时序

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。

图4 报时系统硬件原理

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“$GPRMC”语句。每当正确接收到“$GPRMC”语句就更新一次显示，同时送出塔钟走时的控制信号。

图5 系统主程序设计流程图

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［9］，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。

［1］全为民.塔钟自动校时系统的研制［J］.烟台大学学报(自然科学与工程版)，1999，12(1):75－78.

［2］钱天爵，瞿学林.GPS 全球定位系统及其应用［M］.北京:海潮出版社，1993.

［3］Michael S Braasch.The Model of the GPS Signal Navigation［M］.1990－1991，37(4).

［4］徐绍铨，张华海，杨志强，等.GPS 测量原理及应用［M］.武汉:武汉测绘科技大学出版社，1998.

［5］Hofman－Wellenhof B，Lichtenegger H.Global Positioning System Theory and Practice［M］.Springer－Verlag Wien New York，1992.

［6］张承学，龚庆武，胡志坚.基于GPS 同步采样装置的研制及其应用［J］.电力系统自动化，2000，24(10):49－52.

［7］何立民.MCS－51 系列单片机应用系统设计:系统配置与接口技术［M］.北京:北京航空航天大学出社，1990.

［8］全为民.塔钟的单片机自动控制系统设计［J］.烟台大学学报(自然科学与工程版)，2001(1):75－78.

［9］强蔚英.塔钟的单片机控制系统［J］.钟表.1996(2):10－11.