基于GPS15xL-W塔鐘控制系統(tǒng)的研究

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)塔鐘走時(shí)存在累積誤差的缺點(diǎn)，提出一種基于GPS15xL-W的塔鐘控制系統(tǒng)，采用89C54RD+單片機(jī)作為主控芯片，介紹了系統(tǒng)的硬件電路和工作原理，并給出了相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了塔鐘控制系統(tǒng)自動(dòng)校時(shí)功能，從而消除了塔鐘控制系統(tǒng)走時(shí)的累積誤差，保證塔鐘控制系統(tǒng)走時(shí)的高精度。研究結(jié)果表明：該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，具有很好的實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：GPS；自動(dòng)校時(shí)；自動(dòng)追時(shí)；單片機(jī)；累積誤差

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，建筑物上的塔鐘越來越多。目前實(shí)現(xiàn)塔鐘自動(dòng)校時(shí)的方式主要有3種：(1)利用收音機(jī)接收的報(bào)時(shí)信號(hào)進(jìn)行校時(shí)；(2)利用電視機(jī)接收的電視信號(hào)進(jìn)行校時(shí)；(3)利用短波接收機(jī)接收陜西天文臺(tái)的短波授時(shí)信號(hào)進(jìn)行校時(shí)。然而這3種校時(shí)方式所采用的校時(shí)信號(hào)極易受到外界干擾，可能導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間分離不出有效的校時(shí)信號(hào)。解決這一問題的最好辦法就是采用全球定位系統(tǒng)。近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，GPS接收機(jī)的造價(jià)愈來愈低，而且接收的衛(wèi)星信號(hào)準(zhǔn)確可靠不易受外界環(huán)境干擾，而且其安裝不受地域的限制，一般裝有塔鐘的地方均可安裝，完全滿足了塔鐘控制系統(tǒng)的使用要求。本文介紹了基于GPS15xL-W的塔鐘控制系統(tǒng)。

1 GPS授時(shí)原理
GPS(Global Positioning System全球定位系統(tǒng))是美國(guó)于1994年全面建成，集衛(wèi)星導(dǎo)航、定位和定時(shí)于一體的多功能系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)主要由三部分組成：空間部分、地面控制系統(tǒng)部分、用戶設(shè)備部分?？臻g部分由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成，均勻分布在6個(gè)軌道面上，使得在全球任何地方、任何時(shí)間都可觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星，并能在衛(wèi)星中預(yù)存導(dǎo)航信息。GPS衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息，用戶接收到這些信息后，經(jīng)過計(jì)算可求出接收機(jī)的三維位置、三維方向、運(yùn)動(dòng)速度以及時(shí)間信息。本系統(tǒng)中獲知時(shí)間信息即可。
若設(shè)接收機(jī)的位置為(X，Y，Z)，已知衛(wèi)星的位置為(Xn，Yn，Zn)，其中n=1，2，3，4，則解以下4個(gè)方程便可計(jì)算出接收機(jī)的位置(X，Y，Z)和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間T。

式中，C-光速；△T-用戶時(shí)鐘與GPS主時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)差；Tn-衛(wèi)星n發(fā)射信號(hào)的發(fā)射時(shí)間；τn-衛(wèi)星n上的原子鐘與GPS主時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)差。
用戶利用GPS接收機(jī)就能全天候、實(shí)時(shí)、連續(xù)不斷地接收到其發(fā)出的信號(hào)，通過對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解碼和處理，從而獲取精確的時(shí)間信息，包括1PPS，即秒脈沖信息，其脈沖前沿與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(格林威治時(shí)間，UTC)的同步誤差不超過1μs，以及經(jīng)RS232串口輸出的與秒脈沖前沿相對(duì)應(yīng)的UTC時(shí)間。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成
本系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)(89C54RD+)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、GPS接收電路、電源電路、調(diào)節(jié)控制鍵盤電路、顯示電路、報(bào)時(shí)電路，如圖1所示。

系統(tǒng)中的塔鐘由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)走時(shí)，STC89C54RD+以GPS時(shí)間信息為基準(zhǔn)，輸出步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)。GPS接收機(jī)選取美國(guó)GARMIN的產(chǎn)品GPS15xL-W模塊，該GPS接受模塊體積小，功耗低，授時(shí)精度可達(dá)±50 ns(典型值)，可以輸出兩種時(shí)間信號(hào)，一種是間隔為1 s的同步脈沖信號(hào)1PPS，其脈沖前沿與UTC的同步誤差不超過1μs，另一種為包含在串口輸出信息的與1PPS秒脈沖相對(duì)應(yīng)的UTC絕對(duì)時(shí)間。主控器采用宏晶公司的STC89C54RD+增強(qiáng)型51單片機(jī)，通過MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片與GPS15xL-W連接，獲得接收機(jī)接收的時(shí)間信息，作為塔鐘的時(shí)基信號(hào)源，送入單片機(jī)的RXD端，單片機(jī)的P1．0—P1．3設(shè)計(jì)為輸出端，提供步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)脈沖信號(hào)、方向控制信號(hào)以及脫機(jī)使能信號(hào)。