GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))是世界上最完善的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它不僅有覆蓋全球的實(shí)時(shí)、連續(xù)的高精度的三維定位能力，同時(shí)也有精準(zhǔn)的授時(shí)功能。本文利用GPS所提供的精確授時(shí)功能，采用單片機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一種GPS時(shí)鐘，并將時(shí)間信息通過(guò)LCD進(jìn)行顯示。

系統(tǒng)構(gòu)成及硬件實(shí)現(xiàn)
1 系統(tǒng)構(gòu)成
GPS時(shí)鐘系統(tǒng)主要由GPS接收機(jī)、單片機(jī)、LCD顯示器三部分組成，如圖1所示。

圖1 GPS時(shí)鐘系統(tǒng)構(gòu)成框圖

GPS接收機(jī)
在本系統(tǒng)中，GPS接收機(jī)采用Garmin公司的GPS15XL，它是12通道的GPS接收機(jī)，體積小，重量輕，功耗低，首次定位和重捕獲時(shí)間短，有較強(qiáng)抗遮擋和抗干擾能力，性能極其穩(wěn)定可靠，且操作簡(jiǎn)單，易于開(kāi)發(fā)?？晒ぷ髟?.3～5.4V電壓范圍內(nèi)，本系統(tǒng)采用+3.3V供電；精密授時(shí)類型精度可達(dá)±50ns(典型值)；具有串行端口，輸出為RS232，輸入可為RS232或者具有RS232極性的TTL電平，波特率從300～38 400可選，默認(rèn)為4800，無(wú)奇偶校驗(yàn)，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)起始位，1個(gè)停止位。GPS15XL輸出的數(shù)據(jù)以美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)(National Marine Electronics Association)的NMEA0183 ASCII碼接口協(xié)議為基礎(chǔ)，可輸出多條語(yǔ)句，內(nèi)容包括經(jīng)度、緯度、速度、方位角、高度、世界時(shí)、星歷等信息。還可輸出Garmin二進(jìn)制格式信息。非常適合應(yīng)用于車輛導(dǎo)航、海事導(dǎo)航、電力系統(tǒng)校時(shí)等。

對(duì)GPS15XL的配置，可以利用單片機(jī)通過(guò)NMEA 0183語(yǔ)句在程序中實(shí)現(xiàn)，也可以利用SNSRCFG軟件來(lái)進(jìn)行。配置參數(shù)將被保存在永久性存儲(chǔ)器中，下次加電時(shí)自動(dòng)生效。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本文采用第二種方法，即通過(guò)SNSRCFG軟件對(duì)GPS15XL進(jìn)行初始化配置。

GPS15XL可以輸出兩種時(shí)間信號(hào)：一是包含在串口輸出信息中的UTC(Coordinated Universal Time協(xié)調(diào)世界時(shí))絕對(duì)時(shí)間(年、月、日、時(shí)、分、秒)；二是間隔為1s的同步脈沖信號(hào)1PPS，其脈沖前沿與UTC的同步誤差不超過(guò)1μs。本系統(tǒng)主要是利用串口輸出的NMEA 0183語(yǔ)句獲取UTC時(shí)間信息。

NMEA 0183語(yǔ)句以“$”開(kāi)始，以，即ASCII字符“回車”（十六進(jìn)制的0D）和“換行”（十六進(jìn)制的0A）結(jié)束。下面以本文使用的GPRMC語(yǔ)句為例說(shuō)明其格式：

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh
$GPRMC：語(yǔ)句起始標(biāo)志（Recommended Minimum Specific GPS／TRANSIT Data推薦定位信息）
<1> UTC時(shí)間，hhmmss(時(shí)分秒)格式
<2>定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無(wú)效定位
<9>UTC日期，ddmmyy(日月年)格式
最后的校驗(yàn)碼*hh用于做奇偶校驗(yàn)，通常不是必需的，但當(dāng)周圍環(huán)境有較強(qiáng)的電磁干擾時(shí)則推薦使用校驗(yàn)碼。hh代表了“$”和“*”之間所有字符的按位異或值（不包括這兩個(gè)字符）。
單片機(jī)PIC18F8520

系統(tǒng)采用Microchip公司生產(chǎn)的高性能RISC CPU PIC18F8520作為控制器，它內(nèi)部有32KB的FLASH程序存儲(chǔ)器和2KB的SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、1KB的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；運(yùn)算速度可達(dá)10MIPS；可以工作在DC～40MHz的時(shí)鐘頻率范圍之內(nèi)；具有USART接口，支持RS-485和RS-232，可與GPS模塊相連，用來(lái)獲取時(shí)間信息；支持ICSP在線串行編程，便于軟件的升級(jí)和維護(hù)；支持ICD，可以在線調(diào)試，縮短開(kāi)發(fā)周期。

LCD顯示器
系統(tǒng)采用LCD1602作為顯示設(shè)備。LCD1602液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。它可以顯示兩行，每行16個(gè)字符，采用單＋5V電源供電，外圍電路配置簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，具有很高的性價(jià)比。

2 硬件電路
系統(tǒng)的硬件電路如圖2和圖3所示。

圖2 單片機(jī)外圍電路連接

圖3 單片機(jī)與GPS模塊的連接

電路板上有3.3V和5V兩種電壓，其中LCD采用5V供電，而單片機(jī)和MAX3232工作在3.3V電壓下。外部電源為5V，經(jīng)AS2830轉(zhuǎn)換為3.3V，給單片機(jī)和MAX3232供電。從圖2中可以看到，單片機(jī)的電源腳沒(méi)有與3.3V直接相連，而是通過(guò)J2、J3跳線即可連到3.3V上，也可連到VDD上。這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)在采用PIC16-MCD2編程器通過(guò)ICSP接口進(jìn)行在線編程時(shí)由MCD2供電，這時(shí)，單片機(jī)電源腳需連接到VDD上（MCD2輸出電壓VDD為5V）；而正常運(yùn)行時(shí)單片機(jī)由電路板供電，J2、J3跳線連接到3.3V上，單片機(jī)就工作在3.3V，可以降低功耗。

PIC18F8520既有模擬電源、模擬地引腳也有數(shù)字電源、數(shù)字地引腳，在電路設(shè)計(jì)中，采用模擬電源、數(shù)字電源分離，模擬地、數(shù)字地分離，模擬電源和數(shù)字電源之間通過(guò)磁珠連接，模擬地和數(shù)字地通過(guò)0Ω電阻在單點(diǎn)連接，以避免模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。