基于C8051F340单片机的GPS校时器设计

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基于C8051F340单片机的GPS校时器设计
肖强 一，王冲 ，林炳章
(1．空军雷达学院三系，湖北武汉430019；2．武汉大学卫星定位技术研究中心，湖北武汉430079；
3．武汉大学电子信息学院．湖北武汉430079)
摘要：基于GPS定位技术在全球的广泛应用，为了提供给用户标准的时间基准：采用GPs提供的标准时间设计了一
个校时设备，能给指定的外部设备校时；以微控制器C805lF340为核心处理接收到的GPS数据，从大量的GPS数据
中提取出有用的数据信息，并将处理后标准的时间信息通过串口发送给外部的设备校时；能给外部设备提供精确
的时间信息，校时准确度高，且体积小便于携带，并配有电池装置使用起来方便简单，十分灵活，是一款多功能的校时
设备。
关键词：GPS定位技术：C8051F340；GPS数据；数据发送
中图分类号：TN710 文献标识码：A 文章编号：1674—6236(2011)17—0120—03
GPS timing device based on C8051F340 M CU
XIAO Qiang ，WANG Chong ，LIN Bing—zhang
(1．No．3 Department，AFRA， Wuhan 430019， China；
2．EngineeringResearch Centerfor Satellite PositioningSystem，Wuhan University，Wuhan 430079，China；
3．School ofElectronic Information Engineering，Wuhan University，Wuhan 430079，China)
Abstract：GPS positioning technology has been widely used around the world，it can give as the standard time base．This
system use the standard time to design a timing device which can specify the external device．The GPS data contain the
standard time，we use C805 1 F340 microcontroller core process received GPS data and transform the standard time information
through the serial port to other equipments，it can give US high—precision time signal，in addition to its small size and
portability，it is more convenient to use with a battery device，SO it is a multi-function devices．
Key words：GPS positioning technology；C805 1 F340；GPS data；data sending
随着电子行业的飞速发展，各种电子产品层出不穷，单
片机处理器也从早期的8031／805l演变成如今嵌入有51核
的各种处理器芯片，笔者设计了一款GPs时间校时器．由于
不同仪器显示的时钟总是存在差异，此校时器能提供精准的
时钟标准，并将此标准时间传给外部设备来校时。根据地理
位置不同，我国均采用首都北京所在的东八时区的区时作为
标准时『日J，与世界时相隔8个小时．标准北京时间是与国家
授时中心标准时间同步更新的。因此电脑、手机、手表等时钟
显示器可以以此为标准来校准，一般标准的时间可以通过上
网来鱼询更新，但是这种方法往往比较麻烦，而且在对户外
设备校时时，也会带来很多不便，本设计的校时器，其时间可
以与标准的北京时间同步，此外与电脑相比此校时器体积小
且方便携带，使用起来也十分方便。
1 系统总体概述
本系统没计的是一款GPs校时器，所谓校时器是指能够
提供标准的时间基准的仪器，这款校时器是用来对指定的外
收稿日期：201 1—06—29 稿件编号：201 106144
部设备校时的，主要使用GPS的标准世界时，将标准的时间
信息通过串口发送给外部设备，发送的数据有标准的格式，
其他设备接收到数据后提取出有用信息再进行校时。此系统
主要包括3大模块：GPS模块、单片机控制模块和液晶显示
模块。具体框图如图1所示，其中单片机是控制的核心部件。
数据来源于GPS接收到的数据，时问信息通过液晶显示供用
户观察。
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电源控制部分
图1 系统结构框图
Fig．1 Structure diagram of system
2 各模块的介绍
2．1 单片机的介绍
C8051F340是在早期的803x／805x的基础上发展起来
作者简介：肖强(1984一)，男，湖北武汉人，硕士，助教。研究方向：硬件电路设计。
一120-
肖强．等 基于C8051F340单片机的GPS校时器设计
的，以其低功耗，高速的运算能力等优点而得到广泛的应用。
是目前运用较多的一款单片机处理芯片lIl。它是新华龙公司
研制的一款芯片．使用CIP一51微控制器内核。CIP一5】与
MCS一51指令集完全兼容，可以使用标准803x／805x的汇编器
和编译器进行软件开发。此外还添加了很多外设，因而提高
了单片机的整体性能，使其更易于在实际中使用。
2．2 GPS模块的介绍
此系统使用了一款MG2217S2模块，它是一个高精度的
GPS模块，包括一个RF射频接收端，基带信号处理部分，内
部Flash存储。以及电源供电单元．这些部件全部集成在模块
内部，在使用时只用连接简单的外围电路就可以接收GPS信
号。此模块工作于Ll频段，采用C／A码调制，数据每ls更新
一次，热启动只需1 S的时间，而温启动需32 s，实行热启动
可以大大节省G1)S信号的捕获时间， 输出的信号有GGA，
GLL，GSA，GSV，RMC和VTG 6种形式，每种形式都有固定的
数据格式且各不相同，这些数据均包含当前的时间．地理位
置等信息。
在本系统中主要使用的是RMC格式的数据，其数据格
式为$GPRMC，l61229．487，A，3723．2475，N，12158．3416，W ，
0．13．309．62，120598． 10其中161229．487表示的就是hhmmss．
SSS，3723．2475表示的是经度信息．12158．3416表示的是纬度
信息，N和W 分别表示的是南北纬．东西经，状态位A(V)用
来判断收到的GPS数据是否有效，在接收端用软件处理时首
先要判断有效位，如果该位为A则可以使用时问和位置信
号。除了使用GPS精确的时间和地理信息外，还可以利用秒
脉冲信号PPS，因为不管GPS是否有收到信号，只要GPS模
块是上电的则能够工作，则可以发送1 S的连续脉冲波，其精
度高达20 ns。这比GPS信号有效时将接收到的时『自J数据再来
处理要方便得多．此信号的精确度相当高，因此可以根据需
要接收此PPS信号做相应的处理．例如用来产生l S的中断。
2．3 oLED 的介绍
由于系统大小尺寸有限制。液晶的大小也有规定，因此
选用一款多功能的液晶显示芯片SSD1305．它是一款CMOS
的OLED，它由132x64的点阵构成，能同时显示4行汉字，每
行最多8个字，可以设置不同的背景颜色．调节对比度，使显
示的结果看起来更加舒适。内嵌有对比度控制器，显示区
RAM 以及晶振等．可以减少外部元件的数量进而减少功耗，
因其体积小功耗低在各种便携器件中应用较多．比如计算器
的显示屏．手机的屏幕，MP3／MP4的显示屏等。
3 各模块功能的实现方法
GPS模块的应用是基于目前全球定位系统GPSI l是：技术
上最成熟且已实用的一种卫星导航和定位系统 GPS发播一
种形式的协调世界时(UTC)，以便为全世界的用户提供时间
同步能力。本文主要采用的是集成的GPS模块，它能提供标
准的世界时间．通过单片机控制GPS模块的数据用串口来传
送．单片机的串口接收数据并提取出有用的信息，经处理后
在液晶OLED上显示出来，便于用户观察当前时间．此外单
片机还将时间信号以一定的格式通过串口传给外部设备用
来校准时间
由于采用的是集成的GPS模块，只用提供电源，连接简
单的外围部件，模块就可以正常地丁作，数据的输出通过串
口发送端与单片机的串口接收端相连．就可以被单片机正常
地接收。单片机从串口接收到的数据中提取出有用的当前世
界时，当地的地理位置的经度和纬度。
时钟芯片DS1302是为了防止GPS接收到的信号无效而
使用的，在考虑到GPS模块在没有信号时其时间数据是随机
的．数据均是无效的， 因此必须使用一款时钟芯片来记录
GP$有效的时间。在上电后DS1302内部的振荡器开始工作
通过单片机的读写控制向DS1302写人初值，芯片便开始以
秒为基准计数，且只要DS1302的供电电源有效则秒信号就
会加1计数。可以将GPS有效的时间值写入DS1302，即使在
GPS信号无效时DS1302的时问也是准确的。当GPS信号有
效时，GPS信号的时间与DS1302读}fj来的时间是同步的。在
GPS信号无效时DSI302仍可以渎出标准的时间，可以把
DS1302的时间作为时间基准，但为了防止出现误差，可以隔
一段时间对其校准，这里使用PPS产生的中断来校准时间，
当GPS信号有效时，将写入当前DS1302的秒数据加1，在下
一个PPS中断信号到来时将此秒信号加1后的值写入到
DS1302，完成一次校时。这一系列的操作均通过软件实现．用
这种方式DS1302显示的时间精确度与PPS的精度相当。可
以保证不管在GPS信号是否有效时均能保证读出的时间是
标准时间，达到校时的目的
系统的电源由5 V的USB提供，单片机、GPS模块、串口
转换模块、时钟模块等的供电电源为3．3 v，液晶供电电源为
l2 V。因此设计使用了两个电压转换芯片 1，其中一个为5 V
转3-3 V的DC—DC 片MIC29152，另一块为3_3 V转12 V
的DC—DC芯片TPS61040．此外还配有4．2 V电池装置．可以
配置一块充电电池在电耗完时接外接电源充电，与手机充电
电池相当，这样在户外校时就会很方便。其中两款DC—DC芯
片均配有工作使能引脚，只有在使能端电压为有效时芯片才
正常工作，使能端通过单片机控制，软件编程可以输出有效
的3_3 V和12 V的电压。
数据的传输都是通过串口传送的，但是由于此电路板设
计规则有要求，因此数据在发送给外部设备时采用的是USB
接口，这就要求电路必须要有电平转换电路 ．这里使用了一
片MAX3232， 串行数据通过MAX3232后USB接口发送出
去，在程序的调试阶段通过与电脑相连设置相同的波特率就
可以接收单片机发送的数据。同时也可以将电脑要发送的数
据通过USB接口给单片机接收。此系统设置有两个串口，一
个用来发送GPS信号，主要用来判断GPS是否正常工作，另
一个接口用来发送提供给外部设备的校时信息，一般串曰输
出的信息包含规定的起始标志符， 当前的时间信息以及从
PPS中断开始到时间信息发送完毕时定时器所记录的时间作
一12】一
《电子设计工程)2011年第17期
为一次发送的结束标志．此结束标志也可以作为外部校时设
备收到信号后的开始标志。
在外部环境使用此校时器没有外接电源，需要使用电池
来供电，但长时间的供电会使电池耗尽，为了减小功耗，当不
需要校时时，选择单片机工作在停机模式，同时其他电源芯
片使能脚无效电源不能正常工作，这样可以减小电池的消
耗．这里利用了C8051F340单片机的特殊停机模式的功能．
按键按下后即可进入停机模式。只有在系统复位时才能由停
机模式转换为正常的工作模式，这一功能主要靠程序控制字
FCON实现。此方式减少了电源的消耗也大大节省了电池充
电的次数。
4 软件实现方法
校时的核心步骤均是通过软件来实现的，一般GPS天线
在室外容易收到信号，而在室内往往不易收到，因此要用此
设备校时时可以先在室外接收GPS信号，在上电后在液晶上
会显示当前的时间信息以及当前所处的地理信息，此时由于
GPS信号有效，DS1302的时间已经被校准过了，若要开始校
时可以按下按钮KEY2，串口开始发送数据，对方接收后处理
接收到的数据即可，若校时结束则断开KEY2。在校时结束后
不需要使用时可以按下KEY1，此时进入停机模式，液晶显示
关闭。处于节能状态。需要再次校时时按下KEY3，系统复位
重新恢复显示。其中软件流程图如图2所示，具体编程使用
的是C语言16]，因其语法结构简单易懂而被广泛应用，环境编
程使用Keil C51可以设置断点、单步全速运行等，方便进行
在线调试。
5 结束语
此校时器利用GPS标准的世界时，用串口发送时间数据
来校时，精确度高，性能稳定，且自备有天线和电池装置，可
图2 软件流程图
Fig．2 Theflow chart of software
以随时随地使用。因而不同于一般的校时设备，通过单片机
的核心控制由软件来实现校时功能，可以由程序灵活地控
制，性能良好，方便携带，是一款理想的校时仪器。
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2014-9-30 06:30 上传

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