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。