毕业论文---GPS时钟

1、jiu jiang university 毕毕 业业 论论 文文 （设设 计计） 题 目 gps 时 钟 英文题目 gps clock 院 系 电子工程学院 专 业 应用电子技术 姓 名 温绍军 年 级 2007 级(b073235) 指导教师 朱亚军 二零零九年十一月 ii 摘要摘要 由于目前的时钟没能提供统一的准确的公众时间，大多数都是 通过手动调整为标准时间，常常因时钟不准确而为人们的日常生活 带来的不便。实际上各地的当地时间也是有所不同的，也就是说存 在时差。而我所设计的 gps 时钟是对 gps 接收器接收到的卫星的 数据分析而得来，所以绝对是标准时间，而且精确度是 100%的，不

2、仅如此，它还会根据地域的不同而且自动调整。目前 gpsoem 已 商品化，与晶体钟相比，具有价格低、精度高的优点，因此，应用 前景广阔。这里介绍了 gn77n 的结构特点、技术指标、同步原 理及其在 gps 同步数据采集中的应用gps 时钟。 关键词关键词 ：数据采集，全球定位系统，时钟 ii abstract because the present clock has not been able to provide the unification the accurate public time, the majority all is through the hand regulatio

3、n is the standard time, frequently because of the clock but inconvenient which brings for peoples daily life. in fact each place local time also has differently, in other words exists the time difference. but i design the gps clock is the satellite data analysis which receives to the gps receiver bu

4、t comes, therefore absolutely is the standard time, moreover the precision also is 100%, not only that, it also can act according to the region to be different moreover the automatic control. at present gps - oem commercialized, compares with the crystal clock, has the price lowly, the precision hig

5、h merit, therefore, the application prospect is broad. here introduced the gn - 77n unique feature, the technical specification, the synchronized principle andits in gps in the synchro data gathering application - gps clock. keywords:data acquisition, global positioning system, clo 目录目录 摘要摘要.i abstr

6、act.ii 前言前言.1 第一章第一章 功能要求及方案论证功能要求及方案论证.2 1.11.1 功能要求功能要求 .2 1.21.2 方案论证方案论证 .2 第二章第二章 系统理论论述及设计系统理论论述及设计.4 2.12.1 系统硬件电路的设计系统硬件电路的设计 .4 2.22.2 控制系统的软件设计控制系统的软件设计 .5 2.32.3 调试及性能分析调试及性能分析 .9 第三章第三章 程序模块设计程序模块设计.10 3.13.1 主程序模块设计主程序模块设计 .10 3.23.2 显示程序模块设计显示程序模块设计 .12 3.33.3 延时程序模块设计延时程序模块设计 .15 3.43

7、.4 中断接收程序模块设计中断接收程序模块设计 .16 第四章第四章 软硬件设计及调试软硬件设计及调试.16 4.14.1 软件设计及调试软件设计及调试 .16 4.24.2 硬件设计及调试硬件设计及调试 .17 结束语结束语.18 参考文献参考文献.18 致致 谢谢.19 1 前言前言 gps（global positioning system）全球定位系统是利用美国的 24 颗 gps 地 址卫星所发射的信号而建立的导航、定位、授时的系统。美国政府已承诺，在 今后相当长的一段时间内，gps 系统将向全世界免费开放。目前，gps 系统广 泛地应用在导航、大地测量、精确授时、车辆定位及防盗等领

8、域。因此，开展 对 gps 系统的研究和应用，将极大地提高生产力，并产生巨大的经济效益。我 们所采用的 gps 是由日本古野公司生产的 gps-oem 接收板 gn-77n，它输出 的秒脉冲(1pps)与 gps 卫星的时钟同步，其精度达几十纳秒，该秒脉冲的上升 沿与协调世界时(utc)同步，精度为 utc400ns，这里就是利用该秒脉冲 (1pps)使不同地点的数据采集同步地工作。由于每个数据采集均配有 gpsoem，故仪器间的距离和同步的仪器数量不受技术条件的限制。gps 精 密时钟主要应用于城市重要公共建筑，如车站、码头、公园、交通路口、标志 建筑等场所和电信行业的移动及固定电话报时等方

9、面。它提供了准确的公众时 间，为人们的日常生活提供便利，避免了因时钟不准确而带来的不便。同时， 也为 gps 系统的应用开拓了一个较好的用途，具广泛的现实意义。要制作好 gps 精密时钟，我们要解决两个问题，首先是硬件设计，在硬件设计中必须要 解决 usb 通讯问题，在 usb 通讯上，与 at89s52 单片机通讯需要 ch341t 芯片而 这种芯片采用了 sop28 封装此种封装不适合面包板的搭建也不适合我的 pcb 图与印刷电路板的制作（下面我会引用相关资料） ，但只要有相关工艺技术就可 以成功。其次是软件设计，在软件设计上我们采用 mscomm 控件，microsoft communi

10、cations control（以下简称 mscomm）是 microsoft 公司提供的简化 windows 下串行通信编程的 activex 控件，它为应用程序提供了通过串行接口 收发数据的简便方法。软件方面已经调试成功。虽然我的设计不够完美，但此 过程确实让我受益非浅。 2 第一章 功能要求及方案论证 1.1 功能要求 gps 时钟要求采用 led 显示器显示实时时间。 1.2 方案论证 gn77n gpsoem 接收板具有如下特点： （1）定位迅速：由于该 oem 为并行 8 通道接收机，可同时跟踪 8 颗卫 星，因此定位速度很快； （2）授时精度高：授时精度优于 400ns。没有误差

11、累计； （3）体积小、重量轻：只有名片的 2/5 大小，重量仅 38 克； （4）重捕获能力强：仅 1.6s； （5）功耗仅 500mw。 gpsoem 接收板 gn77n 的主要技术指标如下： （1）接收通道：8 通道并行接收； （2）跟踪卫星数：8 颗卫星同时跟踪； （3）接收频率：1575.42mhz； （4）接收灵敏度：-133dbm； （5）输出协议：nmea-0183； （6）数据更新率：1s； （7）同步脉冲：1pps 精度时优于 400ns； （8）差分输入：rtcmsc104 格式； （9）实时定位精度：26mrms(s/a on)； （10）差分后精度：3mrms； （11

12、）首次定位时间：自动初始化：120s，冷启动：40s，热启动： 12s； （12）重捕获时间：遮挡 10s：1.6 秒，遮挡 1m：5s，遮挡 10m：10s； （13）环境要求：工作温度：-3080，存贮温度：-4085， 湿度：2090； 3 （14）电源电压：5v5，电流：100ma，功耗：0.5w。 图 1-1 该接收板的引脚排列如图 1-1 所示，各引脚名称及其含义如下： rd1:数据输入 1，格式：nmea0183； td1：数据输出 1，格式：nmea0183； gnd：地； vcc：电源，5v5； vbak：后备电池，2.55.5v； 1pps：1 秒脉冲输出； vant：天线

13、供电，5v5； rd2：数据输入 2，格式：rtcm104； td2：数据输出 2，格式：rtcm104。 考虑到端口的使用要求，决定使用 at89c52 单片机为控制器，用两个四位 的 led 共阳显示器及 gn-77n 系列 oem 接收板实现系统功能。gps 精密时钟电路 设计框架图如图 1-2 所示 4 图 1-2 第二章 系统理论论述及设计 2.1 系统硬件电路的设计 控制系统的电路原理如图所示。单片机采用 12mhz 晶振，以串口方式 1 接 收 gps 信息，p0 口和 p2 口用于 7 段共阳 led 显示接口，led 显示器轮流实时时 间、纬度、经度或其它 gps 信息数据。

14、 5 xtal2 18 xtal1 19 ale 30 ea 31 psen 29 rst 9 p0.0/ad0 39 p0.1/ad1 38 p0.2/ad2 37 p0.3/ad3 36 p0.4/ad4 35 p0.5/ad5 34 p0.6/ad6 33 p0.7/ad7 32 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 p3.0/rxd 10 p3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p3.7/rd 17 p3.6/wr 16 p3.5/t1 15 p2.7/a

15、15 28 p2.0/a8 21 p2.1/a9 22 p2.2/a10 23 p2.3/a11 24 p2.4/a12 25 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 u1 at89c51 12 u2:a 7404 34 u2:b 7404 56 u2:c 7404 1312 u2:d 7404 1110 u2:e 7404 98 u2:f 7404 gps接收模块 r1 220r r2 220r r3 220r r4 220rr5 220r r6 220r r7 220r r8 220r 图 2-1 gn-77n 系列 oem 接收板采用 9 脚的接口，接口各引脚如图的功能如图 1

16、所 示。设计中使用了 1 和 2 脚的 nmea0183 数据输入输出，1 脚可用于 6 nmea0183 输入口用于单片机信息发送处理，2 脚 nmea0183 输出口用于单片 机信息接收处理。 2.2 控制系统的软件设计 （1）软件协议； gn77n 提供基于 nmea0183 版本 2.0(national marine electrolnics association，即美国国家海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式)和 rtcm104 版本 2.0(radio technical commission for maritime，即国际海运 事业无线电技术委员会为全球推广应用差分 g

17、ps 业务制定数据格式标准)标准的 软件接口。 gn77n 提供 11 条接收语句和 16 条发射语句。接收语句用于接收用户发 送的历书信息、oem 初始化信息、oem 配置信息和 oem 输出语句使能控制等。发 送语句输出 gps 历书数据、gps 固定数据、gps 星座几何精度因子、可视 gps 卫 星状态、当前位置的地理坐标和 oem 状态信息等。 （2）秒脉冲输出； gn77n 提供高精度的秒脉冲输出，可用于需要高精度定时服务的测量系 统。该信号在初次定位后产生，一直持续到电源关闭，其上升沿与每一 gps 秒 的上升沿同步。本文论述的电路就是用该脉冲(1pps)来实现定时和同步的。 （

18、3）nmea0183 数据格式； nmea0183 是美国国家海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式。它 是在过去海用电子设备的标准格式 0180 和 0182 的基础上，增加了 gps 接收机 输出的内容而完成的。目前广泛采用的是 ver 2.00 版本。现在除少数 gps 接收 机外，几乎所有的接收机均采用了这一格式。为了有效地开发 gpsoem 芯片， 必须熟练掌握这一格式。因此，下面介绍两种最常用的 gn77n 输出语句格式。 （4）gps 固定数据输出语句(gpgga)； 这是一帧 gps 定位的主要数据，也是使用最广的数据。 为了便于理解，下面举例说明gpgga 语句各部分的含义

19、。 例 1 是用 gn77n 和笔者开发的软硬件接口，在笔者所在地接收到的 gpgga 语句的内容。 7 例 1：gpgga，050901，3931.4449，n，11643.5123，e，1，07，1.4，76.2，m ，7.0，m， ，65 其标准格式为： gpgga，(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，(8)，(9)，m，(10)， m，(11)，(12)hh(cr)(lf) 各编号部分所对应的含义为： (1)定位 utc 时间：05 时 09 分 01 秒； (2)纬度(格式 ddmm.mmmm:即 dd 度，mm.mmmm 分)； (3)n/s(北纬或南纬)：北纬

20、 39 度 31.4449 分； (4)经度(格式 dddmm.mmmm：即 ddd 度，mm.mmmm 分)； (5)e/w(东经或西经)：东经 116 度 43.5123 分； (6)质量因子(0=没有定位，1=实时 gps，2=差分 gps)：1=实时 gps； (7)可使用的卫星数(08)：可使用的卫星数=07； (8)水平精度因子(1.099.9)：水平精度因子=1.4； (9)天线高程(海平面，9999.999999.9，单位：m)：天线高程=76.2m)； (10)大地椭球面相对海平面的高度(999.99999.9，单位：m): 7.0m； (11)差分 gps 数据年龄，实时

21、gps 时无:无； (12)差分基准站号(00001023)，实时 gps 时无:无； 总和校验域； hh 总和校验数:65； (cr)(lf)回车，换行。 另外一个日期时间的输出语句（$gpzda） 例 2: gpzda, hhmmss, xx, xx, xxxx, *hh (1), (2), (3), (4) (1)世界时（utc） hh：时 mm：分 ss：秒； (2)日； 8 (3)月； (4)年； 总和校验域； hh 总和校验数:65。 （5）同步原理； 图 2-2 gn77n 定位后，每秒输出一与 ttl 电平兼容的秒脉冲 1pps(onepulsepersecond)，该秒脉冲的

22、上升沿与协调世界时(utc)同步， 其精度为 utc400ns。在输出秒脉冲 1pps 的同时，在其 td1 引脚还输出 nmea0183 格式的卫星定位信息。其中与定时/同步关系最为紧密的，就是当 前的时间信息。gn77n 输出的秒脉冲 1pps 与其 td1 引脚输出的时间信息的对 应关系如图 2-2 所示，图中 time t 表示当前时刻(t),time t1 表示前一时刻 (t1)。gps 同步就是利用该脉冲的上升沿和 td1 引脚输出的时间信息的对应 关系来实现的。 （6）实现电路； 图 2-3 图 2-3 所示为 gps 同步实现电路，通过 cpu 的串行口读取 gn77n td1

23、 引 脚输出的时间信息数据，其格式为时分秒(hhmmss)，如 123818(表示 12 时 38 分 18 秒)，hh=1*10+2+8;(if(hh23) hh=hh-24) （7）单片机的信息接收处理； 在单片机串口收到信息后，先判别是否为语句引导头“$” ，判断是不是 9 “g” “p” “d” “z” “a”如果逐一判断是话，在接收信息内容。在收到“*”字 符 ascii 码后，在接收二字节结束接收。然后根据语句标识区分出信息类别， 以对收到 ascii 码进行处理显示。 注意：在北京时间时，应在把 ascii 码时间转换成十进制在加上 8h 才是准 确的北京时间。在超过 24h 时

24、，应作减 24h 处理。 程序的处理流程如图所示。 开始 初始化 接收 处理时间 接收时间 是否接收到 $gpzda 显示时间 是 否 图 2-4 2.3 调试及性能分析 （1）调试步骤； oem 板的设置。从日本古野公司网上下载 gn-77n 系列产品应用软件（文件 名为 gpscfg） ，设置时选择 pc 机的串口 1（com1）或串口 2（com2）与 oem 板 串口 1 进行连接，设置内容主要是 oem 板的通信波特率及输出语句。本设计选 10 择波特率为 4800，选择“$gpzda”单语句输出。 硬件及软件综合调试。先进行电路板的静态测试，然后通电检测，再结合 软件进行调试，最后

25、接上 gps 有源天线置于露天场所进行综合调试。 （2）性能分析； gps 精密时钟的时间为原子钟时间，因此非常精确，而定位经纬度的误差 是由 oem 板的性能所决定，gn-77n 系列方位定位精度可达到 10m 左右，能满足 一般应用项目的使用。 第三章 程序模块设计 3.1 主程序模块设计 ;主程序 此 #include #include #include #include #define uchar unsigned char char data buffer10=1,2,3,4,5,6; /*显示缓冲区*/ uchar data ndig ; /*待显示的字符数*/ uchar xda

26、ta sumup=0 ; /*测试用的变量*/ uchar idata stringgps10; uchar number ; uchar igps,d=0,a=0,z=0,douhao=0 ; 11 / #define pxian p0 /p1 接四位数码管的数据端口 #define pwei p2 /p2 接四位数码管的位选端口 unsigned char tab1= /0,1,2,3 0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0, /4,5,6,7 0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8, /8,9,a,b 0 x80,0 x90,0 x88,0 x83, /c,d,e,f 0

27、 xc6,0 xa1,0 x86,0 x8e ; /共阳数码管 unsigned char tab2= 0 xfb,0 xf7,0 xef,0 xdf,0 xbf,0 x7f,0 xff ; /小时，分钟，秒钟，清屏 void jieshou(void); void xianshi(void); void delay1ms(void); / main()主函数 12 void main(void) tmod|=0 x20 ; / 初始化串口 tl1=0 xfa ; th1=0 xfa ; scon=0 x50 ; pcon=0 x00 ; ie=0 x90 ; tr1=1 ; for(;) x

28、ianshi(); serial()interrupt 4 using 1 char *jieshou1; ri=0 ; /软件清除中断标志位 jieshou(); /接收数据 if(jieshou1=$gpzda) ; 13 3.2 显示程序模块设计 图 3-1 ;显示程序 (7 次显示 0) /显示的子程序 void xianshi(void) unsigned char l ; unsigned char n,h1,h2,m1,m2,s1,s2,a; for(l=0;l23) a=a-24; h1=a/10; h2=a%10; m1=buffer3-0 ; m2=buffer4-0 ;

29、s1=buffer5-0 ; 14 s2=buffer6-0 ; for(n=0;n6;n+) switch(n) case 0 : pwei=tab20; pxian=tab1h1; delay1ms(); pwei=tab26; delay1ms(); break ; case 1 : pwei=tab21; pxian=tab1h2 delay1ms(); pwei=tab26; delay1ms(); break ; case 2 : pwei=tab22; pxian=tab1m1; delay1ms(); pwei=tab26; delay1ms(); break ; case 3

30、 : pwei=tab23; pxian=tab1m2 15 delay1ms(); pwei=tab26; delay1ms(); break ; case 4 : pwei=tab24; pxian=tab1s1; delay1ms(); pwei=tab26; delay1ms(); break ; case 5 : pwei=tab25; pxian=tab1s2; delay1ms(); pwei=tab26; delay1ms(); break ; default : pwei=tab26; pxian=tab10; delay1ms(); break ; 16 3.3 延时程序模块设计 /延时 1ms void delay1ms(void) unsigned char n ; / for(m=0