單片機在GPS和CDMA計時系統(tǒng)中的設(shè)計

摘要 介紹了一種基于MSP430單片機的GPS和CDMA雙接收計時系統(tǒng)的設(shè)計思路與方法，并給出了系統(tǒng)的硬件電路和軟件流程。該系統(tǒng)采用GPS和CDMA時鐘信號，其可以自動調(diào)整時間，同時還擁有多方位保障時間的精確性、一致性、高可靠性及環(huán)境適應(yīng)性強的優(yōu)勢。

在可靠性、擴展性、控制功能以及體積、功耗等方面比其他電子產(chǎn)品具有優(yōu)越性。在天文、地震臺、航空航天等對時間精度較高的場合，以及國防、通信、電力、交通等要求高精度時間同步的領(lǐng)域，得到廣泛應(yīng)用。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于MSP430單片機的GPS和CDMA雙接收計時系統(tǒng)，是傳統(tǒng)鐘表計時技術(shù)與現(xiàn)代時頻、微電子、通訊、計算機等多項技術(shù)的結(jié)合，通過接收不同形式的時間碼，經(jīng)內(nèi)置微處理器解碼處理，自動校準計時器走時，使該系統(tǒng)顯示時間與標準時間自動保持精確同步。除保留傳統(tǒng)機械時鐘計時特點外，還增加了LCD數(shù)字顯示，雙顯示方式。接收GPS、CDMA信號，實現(xiàn)雙系統(tǒng)聯(lián)合精確定時，在接收到精確的時碼后，經(jīng)數(shù)據(jù)處理器處理，即可自動校正時鐘的走時誤差，使每只時鐘的走時均受統(tǒng)一精確的時碼控制，從而實現(xiàn)了高精度計量時間的一致性，同時也可手動校時、接收時間信號，系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)各部分的硬件設(shè)計

1.2.1 MSP430 MCU

MSP430F5xx是德州儀器儀表推出的實現(xiàn)超低功耗MSP430 MCU系列產(chǎn)品。該系列針對峰值高達25 MHz的產(chǎn)品，實現(xiàn)業(yè)界最低的功耗，擁有更高的閃存與RAM存儲器存儲容量，以及射頻(RF)、USB、加密和LCD接口等集成外設(shè)。MSP430F5xx MCU的工作功耗與待機功耗僅為160μA/Hz與1.5μA，系統(tǒng)能以較小功耗運行的同時可執(zhí)行高強度的任務(wù)?？沙浞职l(fā)揮高達25 MHz峰值執(zhí)行性能，同時確保功耗僅為160μA/HMz。MCU采用16位精簡指令，一個時鐘周期可執(zhí)行一條指令，運行速度可達25～30 MI·s-1，而傳統(tǒng)51單片機6個或12個時鐘周期可執(zhí)行一條指令。以上特點確保了其可編制出高效率的源程序，用以滿足電池供電超低功耗要求。

1.2.2 GPS接收模塊

GPS模塊是應(yīng)用較廣的一種導(dǎo)航、定位和定時的多功能系統(tǒng)，具有全天候、高精度、自動測量以及體積小、功耗低的特點，且技術(shù)成熟、價格低廉。

GPS模塊為系統(tǒng)提供GPS定時、定位信息，設(shè)計采用u-blox公司的MAX-6Q，其具有以下特點：(1)精度高，抗干擾能力強。(2)啟動時間短，冷啟動只需26 s，熱啟動只需1 s。(3)串行接口有1UART、1DDC，可方便與MSP430F5xx的UART模塊通信。(4)體積小，電壓為3.3 V，與MSP430F5xx相同。(5)輸出信息采用標準的NEMA-0183協(xié)議。

1.2.3 CDMA接收模塊

CDMA無線通信模塊從CDMA基站上獲取標準的時間信號，CDMA校時系統(tǒng)信號穩(wěn)定，不易受電源、外界無線電干擾，便于部署在任何有CDMA信號的地方。針對以上特性，在室內(nèi)無衛(wèi)星信號或GPS信號難于接收的地點使用，恰好解決了常見的GPS模塊局限性問題。

CDMA接收模塊采用華為MC323模塊，MC323將基帶、RF收發(fā)器、電源管理模塊單元、功率放大器集成，功能全面、應(yīng)用廣泛。其電路框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案

系統(tǒng)的軟件部分主要負責(zé)設(shè)置GPS模塊與MCU之間的串口通信1、CDMA模塊與MCU之間的串口通信2、時間的顯示及人機接口。其主要包括初始化、串口通信、數(shù)據(jù)處理、故障提示、顯示、鍵盤處理及電源管理等部分，其中初始化包括MSP430中各種寄存器的配置、串口相關(guān)參數(shù)配置以及外圍電路的初始化等。

2.1 系統(tǒng)軟件雙接收的整體方案

系統(tǒng)采用GPS和CDMA雙模式接收，同時可定時進行自動接收，也可通過外部接收按鍵進行強制接收。軟件優(yōu)先接收GPS模塊的數(shù)據(jù)信息，當(dāng)GPS數(shù)據(jù)無效或無法采集到信號時，再接收CDMA數(shù)據(jù)。若GPS和CDMA接收的數(shù)據(jù)有效，則更新數(shù)據(jù);若無效，則數(shù)據(jù)保持。系統(tǒng)雙接收處理流程如圖3所示。

2.2 GPS模塊接收方案

GPS模塊MAX-6Q通信采用串口通信1，包括數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、校驗、通信障礙提示等，數(shù)據(jù)處理主要有GPS接收數(shù)據(jù)的解碼、存儲和數(shù)據(jù)刷新等。MAX-6Q的數(shù)據(jù)輸出為NMEA-0183格式，最大更新速率5 Hz，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c實時性，并提高單片機的利用率，文中采用中斷方式而非查詢方式。

在中斷處理程序中，將接收到的GPS數(shù)據(jù)放入數(shù)組中，通過讀取數(shù)據(jù)包的前7 bit，可判斷該數(shù)據(jù)包格式，系統(tǒng)只處理了NEMA中GPGGA和GPZDA兩種格式的消息，并定義了兩種相應(yīng)的處理函數(shù)，其各函數(shù)功能如下：

GPZDA()函數(shù)：提出UTC日期和時間。

GPRMC()函數(shù)：提出UTC日期、時間、經(jīng)度和緯度信息。

通過GPS數(shù)據(jù)處理，誤碼的判斷，刷新數(shù)據(jù)顯示，其GPS處理流程如圖4所示。

2.3 CDMA模塊接收方案

CDMA模塊MC323通信采用串口通信2，數(shù)據(jù)處理主要是CDMA接收數(shù)據(jù)的解碼、存儲和數(shù)據(jù)刷新等。CDMA時間查詢指令如表1所示。

CDMA接收打開，CDMA模塊進行初始化。MSP430F5xx打開串口2向CDMA模塊MC323發(fā)出查詢指令“AT^TIME”，若查詢時間超過10 min，則自動退出查詢。CDMA模塊MC323收到“AT^TIME”查詢指令后，向單片機返回時間信息，而單片機將對時間信息進行分析處理并將處理后的時間信息進行存儲和更新，CDMA處理流程如圖5所示。

3 結(jié)束語

根據(jù)GPS和CDMA的不同特點，采用兩種接收模式聯(lián)合定時，不僅在GPS接收正常時，能保證時間的高精度、一致性，且在GPS失效或室內(nèi)GPS信號接收困難時，通過CDMA接收，同樣保障了時間的精確性和一致性，且還具有可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強的特點。本單片機采用MSP430，其不僅功耗低，且處理能力強，模擬技術(shù)性能高及片上外圍技術(shù)豐富，故滿足了低功耗高性能的要求。此外，性能還可滿足高精度計時系統(tǒng)對時間精度性和實時性的要求，本設(shè)計不論在室外或室內(nèi)均具有良好的接收、自動智能授時能力。其既可滿足精度要求較高的天文、航空航天等系統(tǒng)，又可滿足普通民用使用，還可應(yīng)變特殊情況下的使用需求，因此擁有良好的應(yīng)用前景。