基于GPS的高精度无误差倒计时牌的设计

1 引言

    GPS是Global Positioning System的简称，是利用导航卫星进行测时和测距的全球定位系统。它具有精度高、全天候和全球覆盖能力。将GPS应用于时钟倒计时系统中能实现高精度时间显示功能。基于GPS的高精度、倒计时牌是卫星测时技术、计算机技术及通信技术三者的有机结合。从功能模块上看，整个系统分为GPS测时接收系统和时钟显示系统。它主要完成以下功能：

    定时接收GPS卫星发送的数据并进行识别和缓存；
    对GPS测时数据进行格式转换，以使编码格式适于接收；
    在给定时间内刷新DS12C887型时钟的时间；
    读DS12C887时间，进行倒计时换算并显示。

2 硬件设计

    基于GPS的高精度倒计时牌的硬件结构较为简单，包括控制模块和显示模块，如图1所示。

2.1 控制模块

    89C51型单片机是整个控制系统的核心，完成对串行口控制器的初始化和数据读写，还要对接收的各种数据进行识别、转储及显示。

    由于日本光电公司GSV－15型OEM GPS接收板传输的数据以串行方式输出一帧10位、波特率为4800bit，MCS－51型单片机串口输入输出格式匹配，所以利用单片机串行口直接从OEM接收数据。

    DS12C887具有提供较高精度年、月、日、时、分、秒时间的功能，对其校准后，在掉电情况下，10年之内仍能准确的进行计时，并且能与单片机直接相连。

2.2 显示模块

    本系统利用74HC595实现串行方式控制数码管显示，占用口线少，硬件结构简单。74HC595型串/并转换移位寄存器具有锁存和3态输出功能。14脚（SER）为串行输入端；12脚（RCLR）为移位时钟端，上升沿将14脚数据移入寄存器；11脚（SRCLR）为锁存时钟端，上升沿锁存数据；8脚（E）为3态输出控制端，接低电平时输出数据。

    单片机输出数据和移位时钟，在时钟上升沿时将数据移入74HC595。P1.0输出数据，在移位脉冲上升沿到来时数据移出。P1.1输出移位脉冲。P1.2输出锁存脉冲。数据出现在并行输出端上经74HC07驱动数码管显示，由于数据已被锁存，在传送下一组数据时，前一组数据的内容不变，以此方式进行数据的传送和显示。由于在控制模块中已用单片机的串行口接收OEM板内容，所以在显示模块软件中要将P1.0、P1.1、P1.2定义为模拟的串行口。这样，P1.0、P1.2、P1.3就可作为串行口使用。

3 软件设计

3.1 主程序

    包括对单片机自身机制的设置串行口的初始化等，如图2所示。

3.2 GPS测时接收

    GPS测时接收数据由串行口接收，由单片机对其进行读入、识别、转换及存储等操作，在程序开始时，首先识别接收信号，看其是否是要接收的信号，OEM板接收的时间信号的字头为GPZDA。由于接收的时间信号是ASCⅡ码，所以要将接收数据转化为二进制数。由于接收的时间为格林威治时间，所以必须转化为北京时间，然后将转化后的时间写入DS12C887中。DS12C887是一种比较准确的计时电路，不需要时刻接收GPS信号。笔者规定1小时接收1次GPS信号，其流程如图3所示。

3.3 时钟倒计时显示

    在此程序中模拟串行口，读DS12C887的数据，利用74HC595对其数据进行显示，流程如图4所示。

3.4 倒计时子程序

    以计算从现在到2006年1月1日为例，单片机读DS12C887的时间单元，并将其存放在以69H为起始的单元中。先读取月份，利用查表的方法计算其下月份到预定时间的天数。然后再利用查表方式判断其月份是31天、30天，28天或29天，然后将查表得到的天数减去读取日期，这样将二个天数相加就得到实际天数。进行时、分、秒的计算时，首先把2006年1月1日0点0时0分0秒转化为2006年12月31日23点59时60秒，这样直接利用时、分、秒相减就得到相差的时、分、秒。倒计时流程如图5所示。

4 结束语

    本文所述的基于GPS的高精度、无误差倒计时牌经调试运行和参数整定后，运行稳定可靠，连续长期运行积累的误差为零，当时的时间精度误差＜15ms。本系统的控制模块结构简单，便于实际开发应用。