基于GPS15xL-W塔钟控制系统的研究

摘要：针对传统塔钟走时存在累积误差的缺点，提出一种基于GPS15xL-W的塔钟控制系统，采用89C54RD+单片机作为主控芯片，介绍了系统的硬件电路和工作原理，并给出了相应的软件设计方法，实现了塔钟控制系统自动校时功能，从而消除了塔钟控制系统走时的累积误差，保证塔钟控制系统走时的高精度。研究结果表明：该系统运行可靠，具有很好的实用性。
关键词：GPS；自动校时；自动追时；单片机；累积误差

随着城市建设的快速发展，建筑物上的塔钟越来越多。目前实现塔钟自动校时的方式主要有3种：(1)利用收音机接收的报时信号进行校时；(2)利用电视机接收的电视信号进行校时；(3)利用短波接收机接收陕西天文台的短波授时信号进行校时。然而这3种校时方式所采用的校时信号极易受到外界干扰，可能导致长时间分离不出有效的校时信号。解决这一问题的最好办法就是采用全球定位系统。近年来，随着电子技术的发展，GPS接收机的造价愈来愈低，而且接收的卫星信号准确可靠不易受外界环境干扰，而且其安装不受地域的限制，一般装有塔钟的地方均可安装，完全满足了塔钟控制系统的使用要求。本文介绍了基于GPS15xL-W的塔钟控制系统。

1 GPS授时原理
GPS(Global Positioning System全球定位系统)是美国于1994年全面建成，集卫星导航、定位和定时于一体的多功能系统。GPS系统主要由三部分组成：空间部分、地面控制系统部分、用户设备部分。空间部分由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，均匀分布在6个轨道面上，使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息。GPS卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算可求出接收机的三维位置、三维方向、运动速度以及时间信息。本系统中获知时间信息即可。
若设接收机的位置为(X，Y，Z)，已知卫星的位置为(Xn，Yn，Zn)，其中n=1，2，3，4，则解以下4个方程便可计算出接收机的位置(X，Y，Z)和标准时间T。

式中，C-光速；△T-用户时钟与GPS主时钟标准时间的时差；Tn-卫星n发射信号的发射时间；τn-卫星n上的原子钟与GPS主时钟标准时间的时差。
用户利用GPS接收机就能全天候、实时、连续不断地接收到其发出的信号，通过对接收的信号进行解码和处理，从而获取精确的时间信息，包括1PPS，即秒脉冲信息，其脉冲前沿与国际标准时间(格林威治时间，UTC)的同步误差不超过1μs，以及经RS232串口输出的与秒脉冲前沿相对应的UTC时间。

2 硬件设计
2．1 系统硬件电路构成
本系统主要由以下几部分组成：单片机控制系统(89C54RD+)、步进电机驱动电路、GPS接收电路、电源电路、调节控制键盘电路、显示电路、报时电路，如图1所示。

系统中的塔钟由步进电机带动走时，STC89C54RD+以GPS时间信息为基准，输出步进电机的控制信号。GPS接收机选取美国GARMIN的产品GPS15xL-W模块，该GPS接受模块体积小，功耗低，授时精度可达±50 ns(典型值)，可以输出两种时间信号，一种是间隔为1 s的同步脉冲信号1PPS，其脉冲前沿与UTC的同步误差不超过1μs，另一种为包含在串口输出信息的与1PPS秒脉冲相对应的UTC绝对时间。主控器采用宏晶公司的STC89C54RD+增强型51单片机，通过MAX232电平转换芯片与GPS15xL-W连接，获得接收机接收的时间信息，作为塔钟的时基信号源，送入单片机的RXD端，单片机的P1．0—P1．3设计为输出端，提供步进电机的步进脉冲信号、方向控制信号以及脱机使能信号。