摘要：本文研究的GPS自動校時塔鐘控制系統(tǒng)是以STC89C51單片機為控制器，由GPS接收器、伺服電機、LED顯示、語音報時等部分組成，具有自動校時、顯示、報時等功能。通過GPS15XL-W接收芯片捕捉來自衛(wèi)星的準確時間信息，以此為時鐘源。利用單片機對接收到的時間信息進行提取和處理，并完成對單片機走時的校正。系統(tǒng)由單片機走時構成母鐘，單片機向伺服電機發(fā)送脈沖驅動子鐘走時。其優(yōu)點是實現(xiàn)上電后的自動校時，改變了傳統(tǒng)校時的不便，減少了機械誤差，塔鐘精度可達±1μs，沒有累計誤差。
關鍵詞：GPS；伺服電機；單片機；實時校時

    隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，人們生活的節(jié)奏逐步加快，人們對時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)塔鐘為基礎的傳動、人工校時。傳統(tǒng)的塔鐘都是純機械集成電路驅動控制的，走時極不穩(wěn)定，需要人為周期地校時。現(xiàn)在的塔鐘，一般由小規(guī)模集成電路控制步進電機走時，整個系統(tǒng)體積大、準確性不高。因此，設計可以實時校時的塔鐘就成了研究的關鍵。

1 國內外研究現(xiàn)狀
    古老的機械塔鐘以重錘為動力源，通過機械傳動帶動走針機構指示時間，并通過敲打專門鑄出的“鐘”來報時。近現(xiàn)代的機電塔鐘的走針系統(tǒng)為機械式，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，通過步進電機帶動走針機構指示時間，并與母鐘同步運行。報時的鐘聲或音樂由錄音磁帶或程序控制方式發(fā)出。
    目前，對于GPS在授時方面的研究才剛剛起步，GPS的高精度授時不僅可以提供準確的時間，還可以使電力交通通訊等部門的網(wǎng)絡實現(xiàn)時間同步，如Internet中的計算機、CDMA基站等，都需要與UTC時間同步。利用GPS-OEM接收板，進行二次研制開發(fā)實現(xiàn)時間同步，與傳統(tǒng)授時方式相比，具有精度高、穩(wěn)定性好、無累計誤差，不受地域、氣候等環(huán)境條件限制，性價比高和操作方便等特點。“GPS塔鐘”2007年才出現(xiàn)，雖有GPS塔鐘產品問世，但技術不成熟，許多問題有待進一步研究。伴隨電子技術日新月異的發(fā)展，人們對時間同步要求越來越高，利用GPS實現(xiàn)時鐘同步是大勢所趨。

2 系統(tǒng)的總體設計
    本課題設計的GPS塔鐘是采用具有高精度的GPS授時，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，通過伺服電機帶動指針走時，并與GPS時間同步，音樂報時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、電機模塊、語音模塊，如圖1所示。

    GPS授時模式采用GPS為標準時鐘源，用單片機設計電路，由于使用軟硬件結合方式，單片機作為核心控制器，大部分硬件電路被軟件程序所取代，因此電路結構簡單、調試方便、成本低、自動化程度高、可靠性高。

3 硬件設計
3．1 微處理器的選擇
    本設計選用的是STC89C51 RC單片機。它是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機，12時鐘／機器周期和6時鐘／機器周期可任意選擇，最新的D版本內部集成MAX810專用復位電路。加密性強、超低價。
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，本設計選擇美國GARMIN系列GPS15XI-W，它是經(jīng)濟卡的精品，并行12通道GPS接收機、可同時跟蹤12顆衛(wèi)星、定位精度高、功耗低。GPS實時差分精度3m～5m、支持WAAS功能。體積小巧、結構緊湊、易于應用、接受機信息可方便地顯示于顯示單元或PC機上。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，接受機即可自動傳送導航數(shù)據(jù)；有較強的抗遮擋能力、性能極其穩(wěn)定可靠。
3．3 電機的選擇
    對常見的步進電機與伺服電機的比較可知，伺服電機主要優(yōu)點：良好的速度控制特性，在整個速度區(qū)內可實現(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)；額定運行區(qū)域內，實現(xiàn)恒力矩；低噪音；沒有電刷的磨損，免維護；不產生磨損顆粒、沒有火花，適用于無塵間、易爆環(huán)境。
    因此，本設計選用的伺服電機型號為日本安川生產的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，單片錄放時間4min～8min，音質好，適用于移動電話及其他便攜式電子產品中。芯片設計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技術，每個采樣值直接存貯在片內閃爍存貯器中，因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調和效果聲，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)設計要求，它包括天線、GPS-OEM接收模塊、單片機信號處理電路、EEPROM存貯器、報時電路、揚聲器，其中天線、GPS-OEM接收模塊、單片機信號處理電路、主控制電路四部分以串聯(lián)結構連接，主控制電路分別與EEPROM存貯器、報時電路、顯示電路以分支結構連接，報時電路與揚聲器以串聯(lián)結構連接。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單片機是CMOS電平，所以二者之間通信需要電平轉換。如圖3所示。

4 軟件設計
    本系統(tǒng)軟件設計主要有兩部分：單片機控制時鐘走時及單片機接收GPS接收機時間信息進行實時校時，前者較為簡單此處不再贅述，僅對校時系統(tǒng)進行介紹。
4．1 GPS同步校時方案選擇
    GPS的校時可分為兩種類型：脈沖中斷方式和串行通信接口方式。GPS本身提供的時間信息是非常精確的。但采用哪種方式對自動保護裝置中的實時時鐘芯片進行授時，就成了保證時間精度的關鍵。本設計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)流的方式輸出時間信息，各個自動保護裝置接收每秒一次的串行時間信息來進行校時。在此校時過程中，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的時間，此外延時的大小還與雙方串口中斷優(yōu)先級的設置有關。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)?，因此總線傳輸也將有延時，該延時的大小與波特率以及傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量均有關。在以上影響校時精度的各個因素中，只有傳輸延時是可以準確計算的，其他的只能作大致的估計，在將以上因素綜合考慮后，可以通過給時間信息一個修正值，來保證校時的精度。
4．2 獲取GPS標準時間信息
    GPS20EM板采用NMEA20183通信標準格式，可以輸出多種句型，均以“$”開頭。設計要提取的語句是“$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
    在系統(tǒng)設計中，完成以下幾個部分：
    (1)系統(tǒng)硬件設計，設計以可靠性和實用性為原則，選用器件在保證可用的基礎上，盡量使電路簡化，在設計過程中，用實驗的方法完成了全部軟件與硬件配合的調試工作；
    (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中提取準確的時間信息；
    (3)完成母鐘走時和顯示的功能；
    (4)向伺服電機發(fā)送脈沖帶動子鐘的走時功能。