单片机在GPS和CDMA计时系统中的设计

摘要 介绍了一种基于MSP430单片机的GPS和CDMA双接收计时系统的设计思路与方法，并给出了系统的硬件电路和软件流程。该系统采用GPS和CDMA时钟信号，其可以自动调整时间，同时还拥有多方位保障时间的精确性、一致性、高可靠性及环境适应性强的优势。

在可靠性、扩展性、控制功能以及体积、功耗等方面比其他电子产品具有优越性。在天文、地震台、航空航天等对时间精度较高的场合，以及国防、通信、电力、交通等要求高精度时间同步的领域，得到广泛应用。

1 系统硬件设计方案

1.1 系统总体设计

基于MSP430单片机的GPS和CDMA双接收计时系统，是传统钟表计时技术与现代时频、微电子、通讯、计算机等多项技术的结合，通过接收不同形式的时间码，经内置微处理器解码处理，自动校准计时器走时，使该系统显示时间与标准时间自动保持精确同步。除保留传统机械时钟计时特点外，还增加了LCD数字显示，双显示方式。接收GPS、CDMA信号，实现双系统联合精确定时，在接收到精确的时码后，经数据处理器处理，即可自动校正时钟的走时误差，使每只时钟的走时均受统一精确的时码控制，从而实现了高精度计量时间的一致性，同时也可手动校时、接收时间信号，系统硬件框图如图1所示。

1.2 系统各部分的硬件设计

1.2.1 MSP430 MCU

MSP430F5xx是德州仪器仪表推出的实现超低功耗MSP430 MCU系列产品。该系列针对峰值高达25 MHz的产品，实现业界最低的功耗，拥有更高的闪存与RAM存储器存储容量，以及射频(RF)、USB、加密和LCD接口等集成外设。MSP430F5xx MCU的工作功耗与待机功耗仅为160μA/Hz与1.5μA，系统能以较小功耗运行的同时可执行高强度的任务。可充分发挥高达25 MHz峰值执行性能，同时确保功耗仅为160μA/HMz。MCU采用16位精简指令，一个时钟周期可执行一条指令，运行速度可达25～30 MI·s-1，而传统51单片机6个或12个时钟周期可执行一条指令。以上特点确保了其可编制出高效率的源程序，用以满足电池供电超低功耗要求。

1.2.2 GPS接收模块

GPS模块是应用较广的一种导航、定位和定时的多功能系统，具有全天候、高精度、自动测量以及体积小、功耗低的特点，且技术成熟、价格低廉。

GPS模块为系统提供GPS定时、定位信息，设计采用u-blox公司的MAX-6Q，其具有以下特点：(1)精度高，抗干扰能力强。(2)启动时间短，冷启动只需26 s，热启动只需1 s。(3)串行接口有1UART、1DDC，可方便与MSP430F5xx的UART模块通信。(4)体积小，电压为3.3 V，与MSP430F5xx相同。(5)输出信息采用标准的NEMA-0183协议。

1.2.3 CDMA接收模块

CDMA无线通信模块从CDMA基站上获取标准的时间信号，CDMA校时系统信号稳定，不易受电源、外界无线电干扰，便于部署在任何有CDMA信号的地方。针对以上特性，在室内无卫星信号或GPS信号难于接收的地点使用，恰好解决了常见的GPS模块局限性问题。

CDMA接收模块采用华为MC323模块，MC323将基带、RF收发器、电源管理模块单元、功率放大器集成，功能全面、应用广泛。其电路框图如图2所示。

2 系统软件设计方案

系统的软件部分主要负责设置GPS模块与MCU之间的串口通信1、CDMA模块与MCU之间的串口通信2、时间的显示及人机接口。其主要包括初始化、串口通信、数据处理、故障提示、显示、键盘处理及电源管理等部分，其中初始化包括MSP430中各种寄存器的配置、串口相关参数配置以及外围电路的初始化等。

2.1 系统软件双接收的整体方案

系统采用GPS和CDMA双模式接收，同时可定时进行自动接收，也可通过外部接收按键进行强制接收。软件优先接收GPS模块的数据信息，当GPS数据无效或无法采集到信号时，再接收CDMA数据。若GPS和CDMA接收的数据有效，则更新数据;若无效，则数据保持。系统双接收处理流程如图3所示。

2.2 GPS模块接收方案

GPS模块MAX-6Q通信采用串口通信1，包括数据发送、接收、校验、通信障碍提示等，数据处理主要有GPS接收数据的解码、存储和数据刷新等。MAX-6Q的数据输出为NMEA-0183格式，最大更新速率5 Hz，为保证数据传输的可靠性与实时性，并提高单片机的利用率，文中采用中断方式而非查询方式。

在中断处理程序中，将接收到的GPS数据放入数组中，通过读取数据包的前7 bit，可判断该数据包格式，系统只处理了NEMA中GPGGA和GPZDA两种格式的消息，并定义了两种相应的处理函数，其各函数功能如下：

GPZDA()函数：提出UTC日期和时间。

GPRMC()函数：提出UTC日期、时间、经度和纬度信息。

通过GPS数据处理，误码的判断，刷新数据显示，其GPS处理流程如图4所示。

2.3 CDMA模块接收方