基于ATmega128的GPS時鐘設計與實現

1.引言

GPS（Global Positioning System）全球定位系統(tǒng)是利用美國的24顆GPS地球衛(wèi)星所發(fā)射的信號而建立的導航、定位、授時的系統(tǒng)。目前，GPS系統(tǒng)廣泛地應用在導航、大地測量、精確授時、車輛定位及防盜等領域。

GPS授時功能是其主要功能之一。時間信號的準確與否，直接關系到人們的日常生活、工業(yè)生產和社會發(fā)展。GPS時鐘為滿足精密定位和導航的需要，在系統(tǒng)設計與實驗之初就建立了自己專用的時間系統(tǒng)，該系統(tǒng)簡寫為GPST，它由GPS主控站的高精度原子鐘守時和授時。由于計算機技術、網絡技術、通信技術、GPS定位技術等相關技術的發(fā)展，以及GPS OEM板價格的降低，GPS時鐘已經具備了為各個應用領域提供高精度授時的可能性。

本文旨在通過利用GPS所提供的精確授時功能，采用單片機技術，設計適合于需要精確授時的高精度時鐘系統(tǒng)，并通過LCD進行顯示。

2.GPS授時原理

GPS時間系統(tǒng)是由GPS系統(tǒng)定義和使用的時間系統(tǒng)。衛(wèi)星定位系統(tǒng)以時間為基本觀測量,由于衛(wèi)星高速飛行，因此要求時間系統(tǒng)必須十分精確，否則就會帶來很大的距離誤差。GPS時間系統(tǒng)以原子頻率標準作為時間基準，以1980年1月6日0時作為起點。它不存在跳秒，它的時間與協調時秒以下的差異可以保持在100微妙內，并定期公布誤差，在星歷文件中發(fā)布的衛(wèi)星鐘差就是相對GPS時間系統(tǒng)的鐘差。

GPS 授時的基本原理是: 衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數和時間信息, 用戶接收到這些信息后,經過計算求出接收機的三維位置、三維方向以及運動速度和時間信息。這里只需要 GPS 授時系統(tǒng)的時間信息。若設(x,y,z)為接收機的位置, (x_n,y_n,z_n)為已知衛(wèi)星的位置, 則解下列方程就可以得 x,y,z到和標準時間 T:

(x-x₁)²+(y-y₁)²+ (z-z₁)² =C²(T+ T-T₁ - ₁)

(x-x₂)²+(y-y₂)²+ (z-z₂)² =C²(T+ T-T₂ - ₂)

(x-x₃)²+(y-y₃)²+ (z-z₃)² =C²(T+ T-T₃ - ₃)

(x-x₄)²+(y-y₄)²+ (z-z₄)² =C²(T+ T-T₄ - ₄)

其中△T為用戶時鐘與 GPS主鐘標準時間的時差；T_n 為衛(wèi)星 n 所發(fā)射信號的發(fā)射時間； 為衛(wèi)星 n 上的原子鐘與GPS主鐘標準時間的時差^[1]。

3.本系統(tǒng)構成及硬件軟件實現

3.1 本設計采用GPS板介紹

本設計采用THALES-NACIGATION公司生產的A12 GPSOEM接收板，它采用了先進半導體設計手段，具有尺寸小、功耗低、性能穩(wěn)定、性價比高等優(yōu)良特性。利用它可以方便、快速地開發(fā)出各種GPS應用系統(tǒng)。其主要性能指標如下：

接收通道――12通道并行接收，可同時跟蹤12顆衛(wèi)星；

授時精度――小于400ns，無累計誤差；

數據更新時間――1s；

體積和重量――39mm60mm10mm，約重40g；

數據輸出格式――NMEA-0183 v2.0；RTCM-sc104 v2.0；

環(huán)境工作溫度――-30℃～+80℃；

正常工作參數――電壓5（10.05）V；電流70mA。

圖1 GPSOEM板A12

GPSOEM板提供硬件接口如表1所示：

表 1 GPS輸出接口定義

其輸出數據邏輯電平為 TTL 電平，這樣能夠很方便地與單片機相連。格式位默認為：波特率4800，8個數據位，1個停止位，無奇偶校驗位。GPS輸出數據采用NME-0813格式輸出，數據代碼采用ASCII碼字符，本設計采用NME-0813中RMC格式，下面是GPS輸出的一組數據：$GPRMC,140736.00,A,3800.9040,N,11226.5364,E,00.0,355.6,121106,04,W,D*3B，其中140736.00代表14時07分36.00秒，121106代表06年11月12日，根據系統(tǒng)需要，我們需要提取這個數據。GPS所得時間為格林尼治時間（零時區(qū)），要得到北京時間（東八區(qū)）一定要將提取到的世界時加上 8 h 才是北京時間。

3.2 系統(tǒng)組成及其實現

系統(tǒng)選用ATmega128單片機，它有豐富的外部資源，利用它的USART1與GPS接收機通信：

其總體硬件連接如圖2所示。

圖2 GPS時鐘實現的結構

液晶顯示器采用含控制器S1D15G14的3510i彩色液晶顯示，S1D15G14附帶有LCD電源驅動電路的LCD驅動器，可在單片上實現彩色顯示，能顯示4096色，分辨率是98x67。它與單片機ATmega128采用串口連接。

主程序提取GPS數據采用查詢方式^[2]，

圖3 程序流程圖

GPS時鐘在ATmega128上軟件實現^[3] (其中LCD函數為顯示函數)：

if(USART1_Receive() == '$') // USART1_Receive()為串口接收函數

{ while((gps_data_buff[counter ++] = USART1_Receive()) != '*');

data = 1; j = 0; i = 0 ; //接收數據放入gps_data_buff[ ]數組當中

for (i=0;i69;i++)

{if(gps_data_buff[i] == ',')

{ data ++ ; j = 0;

}

switch(data)

{ case 1: break;

case 2: time[j ++] = gps_data_buff[i + 1];time[j] = '