摘要：本文研究的GPS自動(dòng)校時(shí)塔鐘控制系統(tǒng)是以STC89C51單片機(jī)為控制器，由GPS接收器、伺服電機(jī)、LED顯示、語音報(bào)時(shí)等部分組成，具有自動(dòng)校時(shí)、顯示、報(bào)時(shí)等功能。通過GPS15XL-W接收芯片捕捉來自衛(wèi)星的準(zhǔn)確時(shí)間信息，以此為時(shí)鐘源。利用單片機(jī)對(duì)接收到的時(shí)間信息進(jìn)行提取和處理，并完成對(duì)單片機(jī)走時(shí)的校正。系統(tǒng)由單片機(jī)走時(shí)構(gòu)成母鐘，單片機(jī)向伺服電機(jī)發(fā)送脈沖驅(qū)動(dòng)子鐘走時(shí)。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)上電后的自動(dòng)校時(shí)，改變了傳統(tǒng)校時(shí)的不便，減少了機(jī)械誤差，塔鐘精度可達(dá)±1μs，沒有累計(jì)誤差。
關(guān)鍵詞：GPS；伺服電機(jī)；單片機(jī)；實(shí)時(shí)校時(shí)

    隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，人們生活的節(jié)奏逐步加快，人們對(duì)時(shí)間的精確度要求越來越高，盡管城市建筑物上的塔鐘也越來越多，但大部分都是以傳統(tǒng)塔鐘為基礎(chǔ)的傳動(dòng)、人工校時(shí)。傳統(tǒng)的塔鐘都是純機(jī)械集成電路驅(qū)動(dòng)控制的，走時(shí)極不穩(wěn)定，需要人為周期地校時(shí)。現(xiàn)在的塔鐘，一般由小規(guī)模集成電路控制步進(jìn)電機(jī)走時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)體積大、準(zhǔn)確性不高。因此，設(shè)計(jì)可以實(shí)時(shí)校時(shí)的塔鐘就成了研究的關(guān)鍵。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
    古老的機(jī)械塔鐘以重錘為動(dòng)力源，通過機(jī)械傳動(dòng)帶動(dòng)走針機(jī)構(gòu)指示時(shí)間，并通過敲打?qū)ｉT鑄出的“鐘”來報(bào)時(shí)。近現(xiàn)代的機(jī)電塔鐘的走針系統(tǒng)為機(jī)械式，控制系統(tǒng)為子母鐘形式。塔鐘為子鐘，它接收高精度母鐘(一般為石英鐘)定期發(fā)出的電脈沖信號(hào)，通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)走針機(jī)構(gòu)指示時(shí)間，并與母鐘同步運(yùn)行。報(bào)時(shí)的鐘聲或音樂由錄音磁帶或程序控制方式發(fā)出。
    目前，對(duì)于GPS在授時(shí)方面的研究才剛剛起步，GPS的高精度授時(shí)不僅可以提供準(zhǔn)確的時(shí)間，還可以使電力交通通訊等部門的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，如Internet中的計(jì)算機(jī)、CDMA基站等，都需要與UTC時(shí)間同步。利用GPS-OEM接收板，進(jìn)行二次研制開發(fā)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，與傳統(tǒng)授時(shí)方式相比，具有精度高、穩(wěn)定性好、無累計(jì)誤差，不受地域、氣候等環(huán)境條件限制，性價(jià)比高和操作方便等特點(diǎn)。“GPS塔鐘”2007年才出現(xiàn)，雖有GPS塔鐘產(chǎn)品問世，但技術(shù)不成熟，許多問題有待進(jìn)一步研究。伴隨電子技術(shù)日新月異的發(fā)展，人們對(duì)時(shí)間同步要求越來越高，利用GPS實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步是大勢所趨。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
    本課題設(shè)計(jì)的GPS塔鐘是采用具有高精度的GPS授時(shí)，微處理器控制系統(tǒng)為母鐘形式，塔鐘為子鐘，它接收微處理器發(fā)送的脈沖，通過伺服電機(jī)帶動(dòng)指針走時(shí)，并與GPS時(shí)間同步，音樂報(bào)時(shí)通過專門的語音芯片完成。
    本系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：系統(tǒng)控制模塊、接收模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、電機(jī)模塊、語音模塊，如圖1所示。

    GPS授時(shí)模式采用GPS為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源，用單片機(jī)設(shè)計(jì)電路，由于使用軟硬件結(jié)合方式，單片機(jī)作為核心控制器，大部分硬件電路被軟件程序所取代，因此電路結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、成本低、自動(dòng)化程度高、可靠性高。

3 硬件設(shè)計(jì)
3．1 微處理器的選擇
    本設(shè)計(jì)選用的是STC89C51 RC單片機(jī)。它是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，12時(shí)鐘／機(jī)器周期和6時(shí)鐘／機(jī)器周期可任意選擇，最新的D版本內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。加密性強(qiáng)、超低價(jià)。
3．2 GPS接收器模塊的選擇
    常見的GPS接收器有很多，如SiRF-starIIe、SiRF-starIII、Sony-single chip solution-CXD2951、Evermore、Garmin等等。通過比較，本設(shè)計(jì)選擇美國GARMIN系列GPS15XI-W，它是經(jīng)濟(jì)卡的精品，并行12通道GPS接收機(jī)、可同時(shí)跟蹤12顆衛(wèi)星、定位精度高、功耗低。GPS實(shí)時(shí)差分精度3m～5m、支持WAAS功能。體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊、易于應(yīng)用、接受機(jī)信息可方便地顯示于顯示單元或PC機(jī)上。全屏蔽封裝、具備優(yōu)秀抗電磁干擾特性。用戶無需初始化，安裝完畢，接受機(jī)即可自動(dòng)傳送導(dǎo)航數(shù)據(jù)；有較強(qiáng)的抗遮擋能力、性能極其穩(wěn)定可靠。
3．3 電機(jī)的選擇
    對(duì)常見的步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)的比較可知，伺服電機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)：良好的速度控制特性，在整個(gè)速度區(qū)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)平滑控制，幾乎無振蕩；高效率，90％以上，不發(fā)熱；高速控制；高精確位置控制(取決于何種編碼器)；額定運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒力矩；低噪音；沒有電刷的磨損，免維護(hù)；不產(chǎn)生磨損顆粒、沒有火花，適用于無塵間、易爆環(huán)境。
    因此，本設(shè)計(jì)選用的伺服電機(jī)型號(hào)為日本安川生產(chǎn)的SGMAH-04AAA4C，功率400W，電壓200V，電流2．8A，3000r／m。
3．4 語音模塊的選擇
    ISD4002系列工作電壓3V，單片錄放時(shí)間4min～8min，音質(zhì)好，適用于移動(dòng)電話及其他便攜式電子產(chǎn)品中。芯片設(shè)計(jì)是基于所有操作必須由微控制器控制，操作命令可通過串行通信接口(SPI或Microwire)送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，每個(gè)采樣值直接存貯在片內(nèi)閃爍存貯器中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”。
3．5 系統(tǒng)原理框圖
    根據(jù)設(shè)計(jì)要求，它包括天線、GPS-OEM接收模塊、單片機(jī)信號(hào)處理電路、EEPROM存貯器、報(bào)時(shí)電路、揚(yáng)聲器，其中天線、GPS-OEM接收模塊、單片機(jī)信號(hào)處理電路、主控制電路四部分以串聯(lián)結(jié)構(gòu)連接，主控制電路分別與EEPROM存貯器、報(bào)時(shí)電路、顯示電路以分支結(jié)構(gòu)連接，報(bào)時(shí)電路與揚(yáng)聲器以串聯(lián)結(jié)構(gòu)連接。本系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

    由于GPS15XL-W輸出的是RS232電平，AT89C51單片機(jī)是CMOS電平，所以二者之間通信需要電平轉(zhuǎn)換。如圖3所示。

4 軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要有兩部分：單片機(jī)控制時(shí)鐘走時(shí)及單片機(jī)接收GPS接收機(jī)時(shí)間信息進(jìn)行實(shí)時(shí)校時(shí)，前者較為簡單此處不再贅述，僅對(duì)校時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行介紹。
4．1 GPS同步校時(shí)方案選擇
    GPS的校時(shí)可分為兩種類型：脈沖中斷方式和串行通信接口方式。GPS本身提供的時(shí)間信息是非常精確的。但采用哪種方式對(duì)自動(dòng)保護(hù)裝置中的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片進(jìn)行授時(shí)，就成了保證時(shí)間精度的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)選擇串行通信方式可以滿足塔鐘基本要求。
    串口通信方式是以串行數(shù)據(jù)流的方式輸出時(shí)間信息，各個(gè)自動(dòng)保護(hù)裝置接收每秒一次的串行時(shí)間信息來進(jìn)行校時(shí)。在此校時(shí)過程中，串口發(fā)送以及接受數(shù)據(jù)都是采用中斷方式，雙方的中斷處理程序都將占用CPU的時(shí)間，此外延時(shí)的大小還與雙方串口中斷優(yōu)先級(jí)的設(shè)置有關(guān)。另外，在串行通信方式中，數(shù)據(jù)是按照一定的波特率逐位傳輸?shù)模虼丝偩€傳輸也將有延時(shí)，該延時(shí)的大小與波特率以及傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量均有關(guān)。在以上影響校時(shí)精度的各個(gè)因素中，只有傳輸延時(shí)是可以準(zhǔn)確計(jì)算的，其他的只能作大致的估計(jì)，在將以上因素綜合考慮后，可以通過給時(shí)間信息一個(gè)修正值，來保證校時(shí)的精度。
4．2 獲取GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息
    GPS20EM板采用NMEA20183通信標(biāo)準(zhǔn)格式，可以輸出多種句型，均以“$”開頭。設(shè)計(jì)要提取的語句是“$GPRMC”，$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11> 3 hh <CR>，<LF>。
    軟件編譯窗口如圖4所示：

5 小結(jié)
    在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，完成以下幾個(gè)部分：
    (1)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)以可靠性和實(shí)用性為原則，選用器件在保證可用的基礎(chǔ)上，盡量使電路簡化，在設(shè)計(jì)過程中，用實(shí)驗(yàn)的方法完成了全部軟件與硬件配合的調(diào)試工作；
    (2)接收模塊的軟件是用匯編語言完成的，它的功能是從GPS15XL-W中提取準(zhǔn)確的時(shí)間信息；
    (3)完成母鐘走時(shí)和顯示的功能；
    (4)向伺服電機(jī)發(fā)送脈沖帶動(dòng)子鐘的走時(shí)功能。