基于GPS15xL-W塔鐘控制系統的研究

摘要：針對傳統塔鐘走時存在累積誤差的缺點，提出一種基于GPS15xL-W的塔鐘控制系統，采用89C54RD+單片機作為主控芯片，介紹了系統的硬件電路和工作原理，并給出了相應的軟件設計方法，實現了塔鐘控制系統自動校時功能，從而消除了塔鐘控制系統走時的累積誤差，保證塔鐘控制系統走時的高精度。研究結果表明：該系統運行可靠，具有很好的實用性。
關鍵詞：GPS；自動校時；自動追時；單片機；累積誤差

隨著城市建設的快速發展，建筑物上的塔鐘越來越多。目前實現塔鐘自動校時的方式主要有3種：(1)利用收音機接收的報時信號進行校時；(2)利用電視機接收的電視信號進行校時；(3)利用短波接收機接收陜西天文臺的短波授時信號進行校時。然而這3種校時方式所采用的校時信號極易受到外界干擾，可能導致長時間分離不出有效的校時信號。解決這一問題的最好辦法就是采用全球定位系統。近年來，隨著電子技術的發展，GPS接收機的造價愈來愈低，而且接收的衛星信號準確可靠不易受外界環境干擾，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的使用要求。本文介紹了基于GPS15xL-W的塔鐘控制系統。

1 GPS授時原理
GPS(Global Positioning System全球定位系統)是美國于1994年全面建成，集衛星導航、定位和定時于一體的多功能系統。GPS系統主要由三部分組成：空間部分、地面控制系統部分、用戶設備部分。空間部分由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成，均勻分布在6個軌道面上，使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4顆以上的衛星，并能在衛星中預存導航信息。GPS衛星不間斷地發送自身的星歷參數和時間信息，用戶接收到這些信息后，經過計算可求出接收機的三維位置、三維方向、運動速度以及時間信息。本系統中獲知時間信息即可。
若設接收機的位置為(X，Y，Z)，已知衛星的位置為(Xn，Yn，Zn)，其中n=1，2，3，4，則解以下4個方程便可計算出接收機的位置(X，Y，Z)和標準時間T。

式中，C-光速；△T-用戶時鐘與GPS主時鐘標準時間的時差；Tn-衛星n發射信號的發射時間；τn-衛星n上的原子鐘與GPS主時鐘標準時間的時差。
用戶利用GPS接收機就能全天候、實時、連續不斷地接收到其發出的信號，通過對接收的信號進行解碼和處理，從而獲取精確的時間信息，包括1PPS，即秒脈沖信息，其脈沖前沿與國際標準時間(格林威治時間，UTC)的同步誤差不超過1μs，以及經RS232串口輸出的與秒脈沖前沿相對應的UTC時間。

2 硬件設計
2．1 系統硬件電路構成
本系統主要由以下幾部分組成：單片機控制系統(89C54RD+)、步進電機驅動電路、GPS接收電路、電源電路、調節控制鍵盤電路、顯示電路、報時電路，如圖1所示。

系統中的塔鐘由步進電機帶動走時，STC89C54RD+以GPS時間信息為基準，輸出步進電機的控制信號。GPS接收機選取美國GARMIN的產品GPS15xL-W模塊，該GPS接受模塊體積小，功耗低，授時精度可達±50 ns(典型值)，可以輸出兩種時間信號，一種是間隔為1 s的同步脈沖信號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秒脈沖相對應的UTC絕對時間。主控器采用宏晶公司的STC89C54RD+增強型51單片機，通過MAX232電平轉換芯片與GPS15xL-W連接，獲得接收機接收的時間信息，作為塔鐘的時基信號源，送入單片機的RXD端，單片機的P1．0—P1．3設計為輸出端，提供步進電機的步進脈沖信號、方向控制信號以及脫機使能信號。