GPS高精度时钟的设计和实现

　　1 概述

　　GPS(Global Positioning System)全球定位系统是利用美国的24颗GPS地址卫星所发射的信号而建立的导航、定位、授时的系统。美国政府已承诺，在今后相当长的一段时间内，GPS系统将向全世界免费开放。目前，GPS系统广泛地应用在导航、大地测量、精确授时、车辆定位及防盗等领域。因此，开展对GPS系统的研究和应用，将极大地提高生产力，并产生巨大的经济效益。本文旨在通过利用GPS所提供的精确授时的功能，采用单片机技术，设计适合于需要精确授时的高精度时钟系统。

　　GSU-16是日本光电(KODEN)公司生产的并行11通道GPS OEM接收板，由于采用了先进半导体设计手段，它具有尺寸小、功耗低、性能稳定、性价比高等优良特性。利用它，可以方便、快速地开发出各种GPS应用系统。其主要性能指标如下：

　　接收通道——11通道并行接收，可同时跟踪11颗卫星;

　　授时精度——小于400ns，无累计误差;

　　数据更新时间——1s;

　　体积和重量——65mm×35mm，约重40g(含锂电池);

　　数据输出格式——NMEA-0183 v2.0;RTCM-sc104 v2.0;

　　环境工作温度——-30～+75℃;

　　正常工作参数——电压5(1±0.05)V;电流100mA;功耗100mW。

　　2 GSU-16的硬件接口和软件接口

　　(1)硬件接口

　　GSU-16同时提供12脚接口(J3)和5脚接口(J4)。本设计中采用5链接口J4，各引脚的功能如表1所列。

　　GSU-16的RD1脚为RS232C的通信接口，其逻辑电平为TTL电平。这样能够很方便地与各种单片机连接连接，无须电平转换。同时，12脚接口还提供了高精度的秒脉冲输出，可用于需要更高精度定时服务的测量系统。在此，我们仅使用其时钟信息，故只需在其输出的ASCII数据中直接提取即可。

　　(2)软件接口

　　GSU-16的通信波特率为4800，1个起始位，8个数据位，1个停止位，无奇偶校验。通常使用NMEA-0183格式输出，数据代码为ASCII码字符。

　　NMEA-0183是美国海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式，目前广泛使用V2.0版本。由于该格式为ASCII码字符串，比较直观和易于处理，在许多高级语言中都可以直接进行判别、分离，以提取用户所需要的数据。

　　NMEA-0183主要语句中，最常见的几种格式为：

　　GPGGA GPS定位数据

　　GPGLL 地址位置和经纬度

　　GPZDA 日期和时间

　　GPVTG 方位角对地速度

　　例如，GPZDA为时间和日期输出语句，其标准格式如下：