基于ARM的GPS同步授时系统设计

摘要：基于国际航海标准NMEA-0183为数据协议，以保证电力系统精准授时为目的，通过ARM微控制器STM32f103rbt6和高精度GPS接收模块NEO-5Q为核心控制数据采集和传输，实现了GPS同步授时的设计方案。系统采用GPS接收模块接收卫星发送的标准数据串，通过微控制器对GPIRMC最小定位信息中的时间数据进行筛选和处理，最后经上位机授时软件对本地计算机进行成功校时，保证了系统的可行性。
关键词：NMEA-0183；Codex-M3；STM32f103；CPS

时间同步在工业应用中是十分重要的基础工作，特别是对时间要求较高的电力系统。近年来，电力系统大多采用不同厂家的计算机监控系统、谐波分析系统、故障录波装置、微机保护、电能质量计费系统等，时间数据大多是设备提供自己独立的时钟，而时钟因产品质量差异，在对时精度上都会有一定的偏差，从而使整个系统不能在统一的时间基础上进行数据的分析和比较，给事故后采取正确的故障分析判断带来很大的困难。
由于电力系统传统的时间同步方法只能保证全系统时钟误差在毫秒级，很难达到目前要求的精度。GPS同步授时系统具有授时精度高、范围广、可靠性高全天候且又不受各种干扰影响的特点，因此，采用GPS同步授时系统比采用传统的时钟设备有着明显的优势，并且可广泛应用于对时统精度较高的行业中。

1 GPS同步授时系统原理
如图1所示，整个系统以Cortex-M3为内核的ARM微处理器STM32f103rbt6为核心，并采用瑞士U-Blox公司NEO-5Q GPS数据接收模块接收卫星数据，微处理器从卫星数据中提取标准UTC时间码同时将其转换成标准北京时间码传输给本地计算机，最后由上位机授时软件对本地计算机进行校时，完成授时过程。

1．1 ARM微处理器STM32f103rbt6
STM32f103rbt6是意法半导体公司一款基于Conex-M3内核的32位微控制器，它主要应用于智能仪表、变频器、工控网络、高端家电和操作界面等领域。STM32f103系列微控制器开发简单，有丰富的语句代码库，与ARM7TDMI相比运行速度最多可快35％且代码最多可省45％。综合考虑选用了此款微控制器为本系统的核心。
该微控制器特点如下：
1)Cortex-M3内核、哈佛总线结构(可达90 DMIPS)；
2)20 K字节的SRAM，128 K字节的Flash；主频72 MHz，可在系统编程；
3)带唤醒功能的低功耗模式、内部RC振荡器、内置复位电路；
4)在待机模式下，典型的耗电值仅为2μA，非常适合电池供电的应用；
5)3个16位通用的定时器，1个系统时间定时器：24位自减型。
1．2 NEO-5Q GPS接收模块
本系统选用较低功耗的NEO-5Q GPS超小型卫星接收模块，此芯片为多功能独立型GPS模组，以ROM为基础构架，成本低，体积小，最多可搜寻32个卫星频道，能够从接收到的信息中提取并输出2种时间信号：一是脉冲信号1PPS，其脉冲前沿与国际标准时间的同步误差不超过1μs；二是经串口输出的时间信息，它在1PPS脉冲之间给出，用来说明一个1PPS脉冲对应的UTC时间(年、月、日、时、分、秒)。NEO-5Q有UART和USB2．0两种接口，数据全速传输可达12 Mbit／s，具有高精度时间信号、在恶劣环境下持续工作的优点，可以达到系统要求。