GPS时钟信号的接收与应用

发布时间：2015-05-27 来源：

利用GPS全球定位系统的授时信号制作的GPS时钟源可以获得到毫秒的时钟信号，在一些需要时间的场合有非常广泛的应用。一台GPS授时钟至少要一千多块，一套完整的GPS网络授时系统就更贵了，那么它到底是怎样构成和运作的呢？这篇文章将详细介绍一个设计制作GPS授时钟和相关的网络授时程序的全过程，包括所有的硬件、图纸和程序。如果您有兴趣，也可以自己做一个哦！
　　一、GPS接收模块和天线这里用的GPS模块和天线全部采购自www.ouravr.com邮购部，GPS模块为Jupiter 21“Jupiter”GPS/OEM接收机具有尺寸小、性能稳定等优良特征。可方便、自主地开发出各种GPS应用系统。
　　1.它具有如下特点：
　　●极其紧凑的GPS接收机尺寸：71mm×41mm×11mm；●其射频输入为1575.42MHz，范围为-130dBw～-163dBw；●具有12个并行卫星轨迹通道，能快速识别和再识别当前位置；●支持真正的NEMA-0183数据格式；●直接微分的RECMSC-104数据动态提供定位度；图一 GPS接收机clip_image002●自适应门限检测，提高微弱信号的检测能力；●其于SA的静态导航能力；●可与过去的天线兼容，花费很小；●3D到2D导航时能自动保持纬度；●可以基于SPS获得佳导航度；●无初始化数据时可以自动开启冷启动程序；●通过串行通讯，用户有很大的操作空间和配置能力；●可接受用户通过主串口写入的初始化数据；●具有三种启动方式：热启动、初始化、冷启动；●用户可以选择卫星；●用户可以选择卫星表面角；●具有可选的RF连接头；●大测速可达500m/s；●工作温度范围为-40℃～+85℃。
　　这种接收器是通过两个串口与外部通讯的，串口 1为主串口，串口2为辅助串口（提供修正量）。其中，串口1为全双工方式，串口2为半双工方式。系统通过这两个串口同其外部器件或设备连接，也可以用软件编程或硬件设置来配置其串口特性。
　　接收数据的用户可以选择的存储方式有三种：SRAM、ROM、EEPROM。
　　接收机内部的一个10kHz的参考时钟输出和一个1pps（每秒一个脉冲）的时钟标输出可用来进行时钟同步，也可用于进行时钟校准。
　　系统可以通过RESET进行复位。
　　二、GPS模块测试程序clip_image006clip_image008只要搭一个简单的串行信号转换电路即可将模块接到计算机的串行口，GPS模块供电几分钟后就可以进行测试了，具体电路见本文所附的电路图。
　　Jupiter 21模块为二代接收芯片，可能有点慢，不过还是有很强的处理能力和稳定性，我们需要把有源天线尽可能地安装到室外空旷的地方，好是楼顶哦。给模块供电后等待一会就可以进行测试了。

　　三、单片机电路和图纸为了方便显示GPS时钟信号，我们有必要制作一个电子钟。要接受GPS模块发出的串行信号，从中分析出时钟信息，然后显示出来需要单片机来完成。为了简单起见，我们使用LCD作为显示屏，并选用了Atmel M16L单片机，本来可以使用更低档一些的MCU的，为了方便使用Atmel Dragon调试器，还是选用了有JTAG接口的M16L。如果只需要制作上位机软件就简单多了，单片机部分完全可以省略，只需要做一个串口电平转换电路就好了，用一片MAX232就行。
　　至于使用8段LED或点阵LED来制作更醒目一些的电子钟也可以，只是好要做好电路板或者买表头来做，原来设计是用8段LED来做电子钟的，可在实验板上搞太麻烦了，我在实验用的洞洞板上焊了好久还没搞定6片74595和8段LED的线路，后干脆放弃改用LCD来做了。不过，需要注意的是GPS模块发过来串口信号很多，过于复杂的显示操作可能需要从硬件和软件两个方面多做优化。
　　数据格式“Jupiter”GPS/OEM接收机具有两种数据格式，一种是二进制方式，另一种是NMEA（也为ASCII码）方式，可通过设置GPIO2和GPIO3来选择不同的数据格式。选择不同的数据格式所对应的形式不同，消息长度和内容也不同。
　　二进制方式消息格式共有31种消息（其中14种输出消息，17种输入消息），每种消息必有一个消息头，且以“0xFF81”开始，数据段可 选；NEMA方式消息格式共有11种消息（其中7种输出消息，4种输入消息），每种消息以“$”开头，以<CR><LF>结束。 前者消息长度比后者长，后者比前者消息种类少，可根据实际需要来选择。