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單片機在GPS和CDMA計時系統的設計

[日期:2014-09-04] 來源:  作者:胡善偉,王志強,張守鵬 [字體: ]

     內容摘要:介紹了一種基于MSP430單片機的GPS和CDMA雙接收計時系統的設計思路與方法,并給出了系統的硬件電路和軟件流程。該系統采用GPS和CDMA時鐘信號,其可以自動調整時間,同時還擁有多方位保障時間的精確性、一致性、高可靠性及環境適應性強的優勢。

    在可靠性、擴展性、控制功能以及體積、功耗等方面比其他電子產品具有優越性。在天文、地震臺、航空航天等對時間精度較高的場合,以及國防、通信、電力、交通等要求高精度時間同步的領域,得到廣泛應用。

 

    1 系統硬件設計方案

    1.1 系統總體設計

    基于MSP430單片機的GPS和CDMA雙接收計時系統,是傳統鐘表計時技術與現代時頻、微電子、通訊、計算機等多項技術的結合,通過接收不同形式的時間碼,經內置微處理器解碼處理,自動校準計時器走時,使該系統顯示時間與標準時間自動保持精確同步。除保留傳統機械時鐘計時特點外,還增加了LCD數字顯示,雙顯示方式。接收GPS、CDMA信號,實現雙系統聯合精確定時,在接收到精確的時碼后,經數據處理器處理,即可自動校正時鐘的走時誤差,使每只時鐘的走時均受統一精確的時碼控制,從而實現了高精度計量時間的一致性,同時也可手動校時、接收時間信號,系統硬件框圖如圖1所示。

單片機在GPS和CDMA計時系統中的設計

    1.2 系統各部分的硬件設計

    1.2.1 MSP430 MCU

    MSP430F5xx是德州儀器儀表推出的實現超低功耗MSP430 MCU系列產品。該系列針對峰值高達25 MHz的產品,實現業界最低的功耗,擁有更高的閃存與RAM存儲器存儲容量,以及射頻(RF)、USB、加密和LCD接口等集成外設。MSP430F5xx MCU的工作功耗與待機功耗僅為160μA/Hz與1.5μA,系統能以較小功耗運行的同時可執行高強度的任務。可充分發揮高達25 MHz峰值執行性能,同時確保功耗僅為160μA/HMz。MCU采用16位精簡指令,一個時鐘周期可執行一條指令,運行速度可達25~30 MI·s-1,而傳統51單片機6個或12個時鐘周期可執行一條指令。以上特點確保了其可編制出高效率的源程序,用以滿足電池供電超低功耗要求。

    1.2.2 GPS接收模塊

    GPS模塊是應用較廣的一種導航、定位和定時的多功能系統,具有全天候、高精度、自動測量以及體積小、功耗低的特點,且技術成熟、價格低廉。

    GPS模塊為系統提供GPS定時、定位信息,設計采用u-blox公司的MAX-6Q,其具有以下特點:(1)精度高,抗干擾能力強。(2)啟動時間短,冷啟動只需26 s,熱啟動只需1 s。(3)串行接口有1UART、1DDC,可方便與MSP430F5xx的UART模塊通信。(4)體積小,電壓為3.3 V,與MSP430F5xx相同。(5)輸出信息采用標準的NEMA-0183協議。

    1.2.3 CDMA接收模塊

    CDMA無線通信模塊從CDMA基站上獲取標準的時間信號,CDMA校時系統信號穩定,不易受電源、外界無線電干擾,便于部署在任何有CDMA信號的地方。針對以上特性,在室內無衛星信號或GPS信號難于接收的地點使用,恰好解決了常見的GPS模塊局限性問題。

    CDMA接收模塊采用華為MC323模塊,MC323將基帶、RF收發器、電源管理模塊單元、功率放大器集成,功能全面、應用廣泛。其電路框圖如圖2所示。

單片機在GPS和CDMA計時系統中的設計

    2 系統軟件設計方案

    系統的軟件部分主要負責設置GPS模塊與MCU之間的串口通信1、CDMA模塊與MCU之間的串口通信2、時間的顯示及人機接口。其主要包括初始化、串口通信、數據處理、故障提示、顯示、鍵盤處理及電源管理等部分,其中初始化包括MSP430中各種寄存器的配置、串口相關參數配置以及外圍電路的初始化等。

    2.1 系統軟件雙接收的整體方案

    系統采用GPS和CDMA雙模式接收,同時可定時進行自動接收,也可通過外部接收按鍵進行強制接收。軟件優先接收GPS模塊的數據信息,當GPS數據無效或無法采集到信號時,再接收CDMA數據。若GPS和CDMA接收的數據有效,則更新數據;若無效,則數據保持。系統雙接收處理流程如圖3所示。

單片機在GPS和CDMA計時系統中的設計

    2.2 GPS模塊接收方案

    GPS模塊MAX-6Q通信采用串口通信1,包括數據發送、接收、校驗、通信障礙提示等,數據處理主要有GPS接收數據的解碼、存儲和數據刷新等。MAX-6Q的數據輸出為NMEA-0183格式,最大更新速率5 Hz,為保證數據傳輸的可靠性與實時性,并提高單片機的利用率,文中采用中斷方式而非查詢方式。

    在中斷處理程序中,將接收到的GPS數據放入數組中,通過讀取數據包的前7 bit,可判斷該數據包格式,系統只處理了NEMA中GPGGA和GPZDA兩種格式的消息,并定義了兩種相應的處理函數,其各函數功能如下:

    GPZDA()函數:提出UTC日期和時間。

    GPRMC()函數:提出UTC日期、時間、經度和緯度信息。

    通過GPS數據處理,誤碼的判斷,刷新數據顯示,其GPS處理流程如圖4所示。

單片機在GPS和CDMA計時系統中的設計

    2.3 CDMA模塊接收方案

    CDMA模塊MC323通信采用串口通信2,數據處理主要是CDMA接收數據的解碼、存儲和數據刷新等。CDMA時間查詢指令如表1所示。

單片機在GPS和CDMA計時系統中的設計

    CDMA接收打開,CDMA模塊進行初始化。MSP430F5xx打開串口2向CDMA模塊MC323發出查詢指令“AT^TIME”,若查詢時間超過10 min,則自動退出查詢。CDMA模塊MC323收到“AT^TIME”查詢指令后,向單片機返回時間信息,而單片機將對時間信息進行分析處理并將處理后的時間信息進行存儲和更新,CDMA處理流程如圖5所示。


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