GPS时钟系统(GPS同步时钟)技术方案

时间：10-08 来源：EDN 点击：

在电力系统、CDMA2000、DVB、DMB等系统中,高精度的GPS时钟系统（GPS同步时钟）对维持系统正常运转有至关重要的意义。

　　那如何利用GPS OEM来进行二次开发,产生高精度时钟发生器是一个研究的热点问题。

　　如在DVB-T单频网(SFN)中,对于时间同步的要求,同步精度达到几十个ns,对于这样高精度高稳定性的系统,如何进行商业级设计?

　　一、引言

　　在电力系统的许多领域，诸如时间顺序记录、继电保护、故障测距、电能计费、实时信息采集等等都需要有一个统一的、高精度的时间基准。利用GPS卫星信号进行对时是常用的方法之一。

　　目前，市场上各种类型的GPS-OEM板很多，价格适中，具有实用化的条件。利用GPS-OEM板进行二次开发，可以精确获得GPS时间信息的 GPS时钟系统（GPS同步时钟）。本文就是以加拿大马可尼公司生产的SUPERSTAR GPS OEM板为例介绍如何开发应用于电力系统的的GPS时钟系统（GPS同步时钟）。

　　二、GPS授时模块

　　GPS时钟系统（GPS同步时钟）采用SUPERSTAR GPS OEM板作为GPS接受模块，SUPERSTAR GPS OEM板为并行12跟踪通道，全视野GPS接受模块。OEM板具有可充电锂电池。 L1频率为1575.42MHz，提供伪距及载波相位观测值的输出和1PPS（1 PULSE PER SECOND）脉冲输出。OEM板提供两个输入输出串行口，一个用作主通信口，可通过此串行口对OEM板进行设置，也可从此串口读取国际标准时间、日期、所处方位等信息。另一个串行口用于RTCM格式的差分数据的输出，当无差分信号或仅用于GPS授时，此串行口可不用。1PPS脉冲是标准的TTL逻辑输出形式，当导航输出有效时，该脉冲的上升沿与时间相对应。1PPS脉冲是每秒中输出的正脉冲信号，其幅值为5V，1PPS脉冲的上升沿与UCT标准时间的秒脉冲同步，其误差在正负1μs之内。可以利用此脉冲信号的上升沿作为UTC时间的对时信号，此外我们可通过同步脉冲电路将1PPS信号扩展为1PPM（1 PULSE PER MINUTE）、1PPH（1 PULSE PER HOUR）等等根据实际情况用于对时。每种脉冲的输出口数可以根据应用要求进行扩展。

　　SUPERSTAR GPS OEM板的主串口的通讯数据格式可采用CMC BINARY二进制或者CMC支持的NMEA的ASCII码，波特率可以在300bps到38400bps之间根据应用要求进行调整，具有8位数据位、1位起始位，1位停止位，无奇偶校验位。GPS数据信息中包含卫星状态、经度、纬度、时间、高度、速度等等各种信息，对于同步时钟的开发来讲，我们只需要读取其时间信息即可。因而，可以通过主串口对OEM板进行设置，使其以一定的波特率和某种通讯数据格式仅仅发送时间信息。例如我们若采取NMEA的ASCII码，则只需读取以"$GPZDA"为命令头的时间数据即可，然后可以很方便地从中分离出UTC时间的年、月、日、时、分、秒。

　　三、系统组成

　　GPS时钟系统（GPS同步时钟）包括GPS接受模块、中心处理单元、RS-232/485接口、CAN总线接口、同步脉冲发生电路、显示电路等几个部分。

　　1.中心处理单元

　　GPS同步时钟采用DS80C320作为系统的CPU。DS80C320是美国DALLAS公司推出的8位高速单片机，是与MCS-51系列兼容的单片微机。由于对微处理器内核进行了重新设计省去了多余的时钟和存储周期，若时钟工作频率相同，执行相同的程序代码，DS80C320的执行速度至少为8051的2.5倍。

　　DS80C320与80C32具有完全相同的封装，除拥有80C32所具有的I/O口、2个定时/计数器、串行口等资源外，还具有一些新*源，现列举如下。

　　a.串行口1

　　DS80C320额外提供与80C32相同的一个硬件串行通信口，在GPS同步时钟的开发中，我们由串行通信口0获得GPS时间数据，而由串行通信口1负责与各种电网自动化装置进行通讯。

　　b.双数据指针

　　DS80C320提供两个数据指针，当GPS时钟接收到GPS OEM板信息后，利用这两个数据指针，可以将数据送到不同的存储区域。

　　c.片内复位电路

　　DS80C320具有一套完整的上电/掉电复位逻辑。所以，使用DS80C320，无需外加外部复位电路。简化了硬件，提高了可靠性。

　　d.看门狗定时器

　　DS80C320具有一个可编程的看门狗定时器,因而无须象80C32那样外加看门狗电路。

2.同步脉冲发生电路

P3.2和P3.3是1PPM(1 PULSE PER MINUTE)和1PPH(1 PULSE PER HOUR)脉冲的选通信号输出端(为禁止发送1PPS脉冲,这两个控制端在平时均置为低)。以产生1PPM脉冲为例：当由串行口0读入UTC时间信息，并判断其为某一分钟的59秒时刻之后，CPU将P3.2置高,从而在整分时刻发送一个脉冲。当再一次读入时间信息，并判断其为整分时刻时，重又将P3.2置低,以禁止发出脉冲。依次循环，即可得到精确的1PPM脉冲信号。采用同样的方法，也

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