基于Motorola M12 GPS接收机实现继电保护同步检测

硬件系统

该系统分为上位机和下位机两大部分，M12作为定时模块接入，其基本的框图如图1所示。
上位机是具有一定配置的PC机，AT89C58作为下位机主控CPU与上位机相连接，完成控制数据与信号数据的交互。与AT89C58相连的可以划分为五个模块，它们分别是：DDS(直接频率合成)模块，采用AD9852来实现；电流电压输出模块，采用TMS320VC5402定点DSP来实现；同步定时模块，采用M12 GPS接收器来实现；开入动作变化量检测模块，采用AT89C2051来实现；开出动作变化量计时模块，采用8255定时器来实现。
本文主要介绍作为同步定时模块的M12是如何与主控设备完成软硬件连接，并且协调工作的。此处硬件的连接是通过标准异步串口来完成的，需要指出的是，M12的标准异步串行接口采用的是3V逻辑电平，而主控设备输出的逻辑电平却是5V，因此采用MAXIM公司生产的MAX3370作为逻辑电平转换模块，起到衔接的作用；主控设备与M12之间采用模拟串行通信。硬件连接简单，主要功能由软件来实现。M12的初始化编程以及定时数据的采集、比较、反馈的详细过程见软件实现。

模块特点
M12接入系统如图2所示。

该系统使用Motorola 公司生产的M21 GPS接收器作为定时源。M12接收器的并行通道已经扩展到12个，提供码跟踪和载波辅助跟踪，可同时跟踪12颗卫星，可串行输出纬度、经度、高度、速度、航向和时间信息。M12接收器的核心硬件MRFIC1504是基于MMC2003的32位RISC控制器。M12接收器提供2.75～3.2V的电压，支持逆向差分，可以通过设置差分基站的方法来改良定位效果。支持RTCM SC-104(美国海用无线电技术委员会)格式的差分功能，NAEA 0183(美国国家海洋电子学会)格式输出，双通信串口，用户可控制的速度滤波器和一个天线检测回路。用户还可以选择使用垂直于电路板或者是平行于电路板的数据/电源连接器。基本的控制流程如图3所示。

在主控设备与M12通信过程中，建议采用其特有的Motorola二进制数据与指令格式，通信速率可以保证在9600bps(取决于M12)，而采用NMEA-0183格式时，通信速率只有4800bps，同时在初始化GPS时还需要加入由Motorola二进制转化为NMEA-0183的指令，相比之下较为繁琐，而Motorola二进制是默认通信模式。
在此设计当中，关键的环节在于两个方面，一是M12的初始化，二是主控设备与M12之间采用的模拟串口通信是否可靠。对于M12初始化而言，重点在于理解Motorola二进制数据格式的结构，其次是设置初始化时间。实时时钟是M12的特征之一，它用于缩小TTFF（捕获时间），在主电源被切断而后备电源工作时，数据和时间信息将被存储在RTC寄存器中。因此存在初始化在GPS锁定第一颗卫星之前，或是让让卫星自动搜索两种初始化时间信息的方式。实践证明，第一种方案得到的TTFF较小，所以建议采用。GPS默认提供的是GMT(格林威治时间)，因此用户需要根据当地的情况设置时区的偏移量(中国为东8区，+8)。具备以上知识后，就可以从数据包中提取时间信息。此处选用短位置消息。

@@Hbmdyyhmsffffaaaaoooohhhhmmmm VVvvhhddntssrrvvvvvvCCR>LF>
下面仅仅分析它有关定时信息的部分。
实例如下。
@@Hb021C07D4092D280001121A000000000000 00000000000000000000000000000000000000016088 0000503035463039
转化成16进制的数是021C07D4092D280001，对应的时间是2.28.2004.9:45:40:0001。
对于模拟串口而言，首先应当明确采用哪一种执行方式。其次，就是选定通信波特率。最后就是确定具体的硬件结构。这里采用起始位为1bit，终止位为1bit，无奇偶校验位，波特率为9600，晶振频率为11.0592MHz。处理流程如图4所示。
MRXD代表一个1比特的位地址，它用于检测串口通信起始位，终止位的有效性；MTXD代表一个1比特的位地址，它用于发送串口通信所需的起始位，终止位；CONT代表一个计数器，用于控制所发比特的个数。
源代码。
PCON EQU 87H
HEAD EQU 20H
INT_OK BIT 08H
ORG 0000H
LJMP START
ORG 0023h
LJMP RECIEVE
ORG 0100H
START: MOV PSW,#00H
MOV SP,#70H
MOV TMOD,#20H
MOV TH1,#0FAH
MOV TL1,#0FAH
MOV PCON.#80H
SETB EA
SETB TR1
SETB ES
SETB P1.0
CLR INT_OK
MOV SCON,#70H
MOV DPTR,#TAB1
MOV R7,#11H
SEND1： CLR A
MOVC A,@A+DPTR
MOV SBUF,A
SWAIT1： ；发送@@Gb数据帧，初始化时间偏移
JNB TI，SWAIT1
CLR TI
INC DPTR
DJNZ R7，SEND1
MOV DPTR，#TAB2
MOV R7，#08H
SEND2： CLR A
MOVC A ，@A+DPTR
MOV SBUF,A
SWAIT2： ；发送@@Hb数据帧，启动GPS
JNB TI，SWAIT2
CLR TI
INC DPTR
DJNZ R7，SEND2
MOV R5，#00H
STOP_HERE： ；检测接收到的数据帧是否有效
JNB INT_OK,STOP_HERE
MOV DPTR,#TAB3
MOV RO,#65H
MOV R7,#03H
TIME_1： ；与规定的时间相比较，相等时置中断标志位
CLR A ；不相等时重新接收
MOVC A ,@A+DPTR
MOV @RO,A
INC RO
INC DPTR
DJNZ R7,TIME_1
MOV RO,#36H
MOV R1,#65H
MOV R7,#03H
ACALL CMP
CJNE A ,#00H,WAIT
CPL P1.0
WAIT： CLR INT_OK
AJMP STOP_HERE
RECIEVE： ；接收程序，完成接收，校验，置中断标志位的功能
PUSH PSW
PUSH ACC
CLR ES
CLR RI
MOV PSW,#08H
MOV A,SBUF
CJNE A ,#40H,STOP
RR1： JNB RI,RR1
CLR RI
MOV A ,SBUF
CJNE A ,#40H,STOP；前两个字节若为@@继续，
否则，跳出
MOV RO,#30H
MOV R7,#34H
RR2： JNB RI,RR2
CLR RI
MOV A ,SBUF
MOV @RO,A
INC RO
DJNZ R7,RR2
MOV RO,#30H
MOV R7,#30H
ACALL TEST
MOV A,@RO
CJNE A ,20H,STOP
SETB INT_OK；置中断标志位
STOP： POP ACC
POP PSW
SETB ES
RETI
TEST： MOV A,@RO
MOV 20H,A
INC RO
TT1： MOV A,@RO
XRL 20H,A
INC RO
DJNZ R7,TT1
RET
CMP： MOV A ,@RO
MOV B,A
MOV A,@R1
CJNE A ,B,CMP1
INC R0
INC R1
DJNZ R7,CMP
MOV A,#00H
LJMP CMP3
CMP1： JC CMP2
MOV A,#OFFH
LJMP CMP3
CMP2： MOV A,#01H
CMP3： RET
TAB1： DB
40H,40H,47H,62H,01H,01H,07H,0D4H,0CH,00H,00H,00H,08H, 00H,0D9H,0DH.0AH
TAB2： DB 40H,40H,48H,62H,01H,2BH.0DH,0AH
TAB3： DB 0BH,10H,01H
END

总结
本文主要介绍了如何使用Motorola公司生产的M12 GPS接收器来完成继电保护检测装置的异地双端同步试验，该模块大大提高了继电保护测试水平和工作效率，并且有效减少了人为误差，防止了继电保护及其安全自动装置的不正确动作。