基于GPS授时的转播台专用定时控制器设计

武博昊，杨 微

(1.朝阳依莱科创电子科技有限公司，辽宁 朝阳 122000；2.朝阳三二八转播台，辽宁 朝阳 122000)

0 前言

广电系统的播出时间是严格的事,目前转播台的很多发射机本身就带有自动开关机功能,另外发射机以外的一些检测设备，如故障报警器也需要定时开关,否则会误报警。但是现有的定时装置,通常是采用最简单的计时方法,要么是直接用单片机自带的定时器,要么采用专用定时芯片如ds1302,ds12c887等,但是这些方式的计时精度都取决于所用晶体的准确性,而晶体自身总是有误差,只是大小不同而已,长时间运行,累计的误差不可忽视,以ds12c887为例,运行的误差每天可以达到5s,如果连续运行几个月,累计误差可想而知。所以,保持计时精度是必须解决的问题。通常方法是采用外部授时。

目前的授时方式比较：互联网授时—精度在2s～3s，能满足要求，但是偏僻地区或场合或许没有网络，甚至没有手机信号,所以不能适用于所有场合;短波授时—精度毫秒级,与中国的授时中心同步,设备复杂,成本高;GPS授时—精度毫秒级,只要能看到天空就能接收,而且计时精度最高,可以达到20ms,根据需要可以做到每秒授时或每小时授时。本设计采用该方式，它更适合偏僻和高山等特殊环境的场合。设计中采用了主要的元件包括GPS卫星接收模块、GPU触摸屏、单片机等，下面具体介绍。

1 GPS授时简介

UTC是协调世界时(universal time coordinated)英文缩写，是由国际无线电咨询委员会规定和推荐,并由国际时间局(Bureau International de l′Heure BIH)负责保持的以秒为基础的时间标度。UTC相当于本初子午线(即经度0度)上的平均太阳时，过去曾用格林威治平均时(GMT)来表示。北京时间比UTC时间早8小时，以1999年1月1日0000utc为例，UTC时间是零点，北京时间为1999年1月1日早上8点整。

整个地球分为二十四时区，每个时区都有自己的本地时间。在国际无线电通信场合，为了统一起见，使用一个统一的时间，称为通用协调时(UTC,universal time coordinated)。UTC与格林威治平均时(GMT,Greenwich Mean Time)一样，都与英国伦敦的本地时相同。

GPS模块采用ublox定位芯片,是一款能够以72通道接收卫星信号、低功耗、灵敏度高的模块，能够在城市、峡谷、高架下面等弱信号的地方，以及汽车内部任何位置快速、准确的进行定位。使得模块可广泛用于车载监控、公交车报站、车载导航、船载导航、笔记本导航等产品上。GPS模块获取的信息包括时间、日期、经度、纬度、速度等等。但是在本设计中仅使用时间信息，所以，只需接收rmc协议即可，这样可以节省通讯时间，使单片机能处理其它过程。以下是rmc协议接收数据的样例：

$gnrmc,051325.00,a,2240.60831,n,11359.87030,e,0.009,,231018,,,a*65

虽然有这么多数据，但是仅仅少部分对本设计有用，这里仅取出有用的数据如下：

消息id…………………$gnrmc

UTC(世界时间)……… 051325.00

状态…………………… a有效,v无效

2 触摸屏

采用触摸屏,可以使界面操作更灵活、更直观，也有利于复杂界面的设计。本设计采用Usart GPU触摸屏，该触摸屏是4.6吋屏，分辨率为854×480，可以显示图像文字，可以方便的显示表格(图2)，与单片机采用串口通讯方式，接线简便、易于操作。GPU屏有自己的一套指令传输格式，例如要传送一组字符串abcd到GPU屏，其格式如下：ds32(650,190,‘abcd’,15,0)，其中ds表示传送的是字符；32表示字号是32的；650,190是在屏幕上的坐标；‘abcd’是传送的内容；15是字符的颜色；0是右边界限制(可选)。更多更详细的指令参考文献[1]。本设计采用了4个界面，在此仅给出两个重要的界面，图1是主界面，该界面为运行界面，主要显示年月日时分秒星期，同时4个方框具有触摸功能，方框内显示可以操作的功能，例如触摸“设定状态”则进图2界面。

图1 控制器主界面

图2界面是本设计的主要部分，其功能是完成定时时间数据以及控制功能的设定。为了操作的方便性和直观性，采用表格的形式，考虑到转播台的特定场合，本设计采用3个输出控制端口(可以同时控制三台设备)，每个端口每天可以有三次定时控制(能满足通常的播出要求)，以图2为例，它表明针对的是2#端口，控制时间为三次，在设定的时间内输出端子是闭合的，其它时间是断开的。其中界面中的“无效”字样，表明当前端口虽然设置了定时数据，但是输出无效，当触摸“无效”字样时，即变成“有效”字样，表明此时该端口控制有效，同理在每次定时时间后面的“无效”字样也有同样的功能；右侧三个方框的功能是，“端子序号”用于选择端子，“周二选择”在表格的时间栏会有提示，用于周二检机的特殊时间设置，每次设置完成后，触摸“返回主页”或15秒无操作，屏幕就会返回图1的界面且自动保存设定的数据。每次进入图2界面时，触摸表格的时间栏，则该时间栏闪动，通过左、右箭头选择要设定或修改的时间，通过上、下箭头增减数值。

图2 控制器设定界面

3 定时控制器原理图

图3是电路原理图，其中u2是电路的核心器件，采用atmega16单片机，具有高度抗干扰性能，工作稳定，功能强大等特点，详细内容参考文献[2]。

u1(ds12c887)是专用时间模块，能记录年月日时分秒和星期，具有掉电内部运行功能，再次上电可以直接读取数据，保证了时间的完整性，u1的ad0～ad7与u2的pc0～pc7对应连接，完成数据的传送。u1的sqw输出秒信号，连接到u2的int0端，通过中断方式保持u1与u2的同步。所用的GPU屏和GPS模块都是串口通讯方式，而单片机u2仅有一个串口，因此采用u3(cd4053)芯片，该芯片是三二通道模拟开关，其中x0、y0接GPU触摸屏，x1、y1接GPS卫星模块，xout、yout连接单片机串口，a、b端是控制端，用于分时复用选择GPU和GPS。GPS的秒信号是2v的电平，经过Q1转换成5v电平，送到单片机的int1端口，触发单片机中断后开始接收GPS数据。

本设计设有两种输出模式，都是无源触点，其中out7～out9端子是通断输出模式，即负载需要开机时处于接通状态，关机时处于断开状态，所用的继电器LRY1、RLY2、RLY3均可以带10A电流负载；其中out1～out6是脉冲输出模式，专为通常的发射机开关机所设计，每次的开机和关机时刻，输出1.5s的脉冲，所用的继电器J1～J6均是信号继电器，负载电流为200mA。

图3 电路原理图

4 流程图

图4是主程序界面，4个方框为触摸键，键值用key_n表示，首先是按键的判断，通过按键进入不同的界面，同时决定不同的状态，key_n取值1～4，分别代表运行状态、时钟状态、校时状态、设定状态。当处于“运行状态”时，对应的触摸框文字为红色，此时执行时间比较和控制功能；当处于“时钟状态”时，其文字也为红色，此时仅仅显示时钟数据，不再产生控制功能，主要是为特殊情况设计，此时由人工控制。具体流程如图4。

5 结论

通过应用GPS卫星接收模块，解决了定时控制时间不准确的问题，通过使用触摸屏，使得设定和操作界面更人性化，更易于理解和操作。产品可以应用到更广泛的领域，如果需要可以增加更多的定时次数和输出控制端口。

图4 流程图