GPS時鐘信號的接收與應(yīng)用

發(fā)布時間：2015-05-27 來源：

利用GPS全球定位系統(tǒng)的授時信號制作的GPS時鐘源可以獲得到毫秒的時鐘信號，在一些需要時間的場合有非常廣泛的應(yīng)用。一臺GPS授時鐘至少要一千多塊，一套完整的GPS網(wǎng)絡(luò)授時系統(tǒng)就更貴了，那么它到底是怎樣構(gòu)成和運作的呢？這篇文章將詳細(xì)介紹一個設(shè)計制作GPS授時鐘和相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)授時程序的全過程，包括所有的硬件、圖紙和程序。如果您有興趣，也可以自己做一個哦！
　　一、GPS接收模塊和天線這里用的GPS模塊和天線全部采購自www.ouravr.com郵購部，GPS模塊為Jupiter 21“Jupiter”GPS/OEM接收機(jī)具有尺寸小、性能穩(wěn)定等優(yōu)良特征。可方便、自主地開發(fā)出各種GPS應(yīng)用系統(tǒng)。
　　1.它具有如下特點：
　　●極其緊湊的GPS接收機(jī)尺寸：71mm×41mm×11mm；●其射頻輸入為1575.42MHz，范圍為-130dBw～-163dBw；●具有12個并行衛(wèi)星軌跡通道，能快速識別和再識別當(dāng)前位置；●支持真正的NEMA-0183數(shù)據(jù)格式；●直接微分的RECMSC-104數(shù)據(jù)動態(tài)提供定位度；圖一 GPS接收機(jī)clip_image002●自適應(yīng)門限檢測，提高微弱信號的檢測能力；●其于SA的靜態(tài)導(dǎo)航能力；●可與過去的天線兼容，花費很��；●3D到2D導(dǎo)航時能自動保持緯度；●可以基于SPS獲得佳導(dǎo)航度；●無初始化數(shù)據(jù)時可以自動開啟冷啟動程序；●通過串行通訊，用戶有很大的操作空間和配置能力；●可接受用戶通過主串口寫入的初始化數(shù)據(jù)；●具有三種啟動方式：熱啟動、初始化、冷啟動；●用戶可以選擇衛(wèi)星；●用戶可以選擇衛(wèi)星表面角；●具有可選的RF連接頭；●大測速可達(dá)500m/s；●工作溫度范圍為-40℃～+85℃。
　　這種接收器是通過兩個串口與外部通訊的，串口 1為主串口，串口2為輔助串口（提供修正量）。其中，串口1為全雙工方式，串口2為半雙工方式。系統(tǒng)通過這兩個串口同其外部器件或設(shè)備連接，也可以用軟件編程或硬件設(shè)置來配置其串口特性。
　　接收數(shù)據(jù)的用戶可以選擇的存儲方式有三種：SRAM、ROM、EEPROM。
　　接收機(jī)內(nèi)部的一個10kHz的參考時鐘輸出和一個1pps（每秒一個脈沖）的時鐘標(biāo)輸出可用來進(jìn)行時鐘同步，也可用于進(jìn)行時鐘校準(zhǔn)。
　　系統(tǒng)可以通過RESET進(jìn)行復(fù)位。
　　二、GPS模塊測試程序clip_image006clip_image008只要搭一個簡單的串行信號轉(zhuǎn)換電路即可將模塊接到計算機(jī)的串行口，GPS模塊供電幾分鐘后就可以進(jìn)行測試了，具體電路見本文所附的電路圖。
　　Jupiter 21模塊為二代接收芯片，可能有點慢，不過還是有很強的處理能力和穩(wěn)定性，我們需要把有源天線盡可能地安裝到室外空曠的地方，好是樓頂哦。給模塊供電后等待一會就可以進(jìn)行測試了。

　　三、單片機(jī)電路和圖紙為了方便顯示GPS時鐘信號，我們有必要制作一個電子鐘。要接受GPS模塊發(fā)出的串行信號，從中分析出時鐘信息，然后顯示出來需要單片機(jī)來完成。為了簡單起見，我們使用LCD作為顯示屏，并選用了Atmel M16L單片機(jī)，本來可以使用更低檔一些的MCU的，為了方便使用Atmel Dragon調(diào)試器，還是選用了有JTAG接口的M16L。如果只需要制作上位機(jī)軟件就簡單多了，單片機(jī)部分完全可以省略，只需要做一個串口電平轉(zhuǎn)換電路就好了，用一片MAX232就行。
　　至于使用8段LED或點陣LED來制作更醒目一些的電子鐘也可以，只是好要做好電路板或者買表頭來做，原來設(shè)計是用8段LED來做電子鐘的，可在實驗板上搞太麻煩了，我在實驗用的洞洞板上焊了好久還沒搞定6片74595和8段LED的線路，后干脆放棄改用LCD來做了。不過，需要注意的是GPS模塊發(fā)過來串口信號很多，過于復(fù)雜的顯示操作可能需要從硬件和軟件兩個方面多做優(yōu)化。
　　數(shù)據(jù)格式“Jupiter”GPS/OEM接收機(jī)具有兩種數(shù)據(jù)格式，一種是二進(jìn)制方式，另一種是NMEA（也為ASCII碼）方式，可通過設(shè)置GPIO2和GPIO3來選擇不同的數(shù)據(jù)格式。選擇不同的數(shù)據(jù)格式所對應(yīng)的形式不同，消息長度和內(nèi)容也不同。
　　二進(jìn)制方式消息格式共有31種消息（其中14種輸出消息，17種輸入消息），每種消息必有一個消息頭，且以“0xFF81”開始，數(shù)據(jù)段可 選；NEMA方式消息格式共有11種消息（其中7種輸出消息，4種輸入消息），每種消息以“$”開頭，以<CR><LF>結(jié)束。 前者消息長度比后者長，后者比前者消息種類少，可根據(jù)實際需要來選擇。