基于PIC18F8520 的GPS 精准时钟实现

　　GPS(Global Positioning System，全球定位系统)是世界上最完善的卫星导航系统。它不仅有覆盖全球的实时、连续的高精度的三维定位能力，同时也有精准的授时功能。利用高度稳定、精确的星载原子钟作为信号源进行时间传输和比对，已成为众多领域获取时间的重要手段。基于此，本文利用GPS所提供的精确授时功能，采用单片机技术，实现了一种GPS时钟，并将时间信息通过LCD进行显示。

　　系统构成及硬件实现

　　1 系统构成

　　GPS时钟系统主要由GPS接收机、单片机、LCD显示器三部分组成，如图1所示。

图1 GPS时钟系统构成框图

　　GPS接收机

　　在本系统中，GPS接收机采用Garmin公司的GPS15XL，它是12通道的GPS接收机，体积小，重量轻，功耗低，首次定位和重捕获时间短，有较强抗遮挡和抗干扰能力，性能极其稳定可靠，且操作简单，易于开发。可工作在3.3～5.4V电压范围内，本系统采用+3.3V供电；精密授时类型精度可达±50ns(典型值)；具有串行端口，输出为RS232，输入可为RS232或者具有RS232极性的TTL电平，波特率从300～38 400可选，默认为4800，无奇偶校验，8个数据位，1个起始位，1个停止位。GPS15XL输出的数据以美国国家海洋电子协会(National Marine Electronics Association)的NMEA0183 ASCII码接口协议为基础，可输出多条语句，内容包括经度、纬度、速度、方位角、高度、世界时、星历等信息。还可输出Garmin二进制格式信息。非常适合应用于车辆导航、海事导航、电力系统校时等。

　　对GPS15XL的配置，可以利用单片机通过NMEA 0183语句在程序中实现，也可以利用SNSRCFG软件来进行。配置参数将被保存在永久性存储器中，下次加电时自动生效。为简化设计，本文采用第二种方法，即通过SNSRCFG软件对GPS15XL进行初始化配置。

　　GPS15XL可以输出两种时间信号：一是包含在串口输出信息中的UTC(Coordinated Universal Time协调世界时)绝对时间(年、月、日、时、分、秒)；二是间隔为1s的同步脉冲信号1PPS，其脉冲前沿与UTC的同步误差不超过1μs。本系统主要是利用串口输出的NMEA 0183语句获取UTC时间信息。

　　NMEA 0183语句以“$”开始，以<CR><LF>，即ASCII字符“回车”（十六进制的0D）和“换行”（十六进制的0A）结束。下面以本文使用的GPRMC语句为例说明其格式：

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh <CR><LF>
$GPRMC：语句起始标志（Recommended Minimum Specific GPS／TRANSIT Data推荐定位信息）
<1> UTC时间，hhmmss(时分秒)格式
<2>定位状态，A=有效定位，V=无效定位
<9>UTC日期，ddmmyy(日月年)格式
最后的校验码*hh用于做奇偶校验，通常不是必需的，但当周围环境有较强的电磁干扰时则推荐使用校验码。hh代表了“$”和“*”之间所有字符的按位异或值（不包括这两个字符）。

　　单片机PIC18F8520

　　系统采用Microchip公司生产的高性能RISC CPU PIC18F8520作为控制器，它内部有32KB的FLASH程序存储器和2KB的SRAM数据存储器、1KB的EEPROM数据存储器；运算速度可达 10MIPS；可以工作在DC～40MHz的时钟频率范围之内；具有USART接口，支持RS-485和RS-232，可与GPS模块相连，用来获取时间信息；支持ICSP在线串行编程，便于软件的升级和维护；支持ICD，可以在线调试，缩短开发周期。

　　LCD显示器

　　系统采用LCD1602作为显示设备。LCD1602液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中应用广泛。它可以显示两行，每行16个字符，采用单＋5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。

　　2 硬件电路

　　系统的硬件电路如图2和图3所示。

图2 单片机外围电路连接

图3 单片机与GPS模块的连接

 　　电路板上有3.3V和5V两种电压，其中LCD采用5V供电，而单片机和MAX3232工作在3.3V电压下。外部电源为5V，经 AS2830转换为3.3V，给单片机和MAX3232供电。从图2中可以看到，单片机的电源脚没有与3.3V直接相连，而是通过J2、J3跳线即可连到 3.3V上，也可连到VDD上。这是因为单片机在采用PIC16-MCD2编程器通过ICSP接口进行在线编程时由MCD2供电，这时，单片机电源脚需连接到VDD上（MCD2输出电压VDD为5V）；而正常运行时单片机由电路板供电，J2、J3跳线连接到3.3V上，单片机就工作在3.3V，可以降低功耗。

　　PIC18F8520既有模拟电源、模拟地引脚也有数字电源、数字地引脚，在电路设计中，采用模拟电源、数字电源分离，模拟地、数字地分离，模拟电源和数字电源之间通过磁珠连接，模拟地和数字地通过0Ω电阻在单点连接，以避免模拟信号与数字信号之间的干扰，提高系统的可靠性。