一種基于MSP430的GPS和CDMA雙接收計時系統(tǒng)設(shè)計

　　摘要 介紹了一種基于MSP430單片機(jī)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(qiáng)的優(yōu)勢。

　　在可靠性、擴(kuò)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(jī)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(jī)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(zhǔn)計時器走時，使該系統(tǒng)顯示時間與標(biāo)準(zhǔn)時間自動保持精確同步。除保留傳統(tǒng)機(jī)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(dá)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(jī)功耗僅為160μA/Hz與1.5μA，系統(tǒng)能以較小功耗運(yùn)行的同時可執(zhí)行高強(qiáng)度的任務(wù)?？沙浞职l(fā)揮高達(dá)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(yùn)行速度可達(dá)25～30 MI·s-1，而傳統(tǒng)51單片機(jī)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(qiáng)。(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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(jī)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(jìn)行自動接收，也可通過外部接收按鍵進(jìn)行強(qiáng)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(jī)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(jìn)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(jī)返回時間信息，而單片機(jī)將對時間信息進(jìn)行分析處理并將處理后的時間信息進(jìn)行存儲和更新，CDMA處理流程如圖5所示。