GPS高精度的时钟的设计和实现

GPS高精度的时钟的设计和实现（精选3篇）

GPS高精度的时钟的设计和实现 篇1

GPS高精度的时钟的设计和实现

摘要：介绍采用GPS、OEM接收板来实现精密时钟系统的设计思路和方法，给出基本的硬件电路和软件流程。

关键词：GPS GPS OEM 串口通信

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。

表1

接口编号信号名称

功 能

1GND电源地2backup in备份电源输入，3V时消耗2μA3SD1串行输出4RD1串行输入

[1][2][3][4]

GPS高精度的时钟的设计和实现 篇2

GPS (Global Positioning System) 全球定位系统是利用美国的24颗GPS地球卫星所发射的信号而建立的导航、定位、授时系统, 其中授时功能常用于无线电通讯中时间同步, 在移动多媒体广播中, 目前用于CMMB单频网同步技术中。

本文旨在通过利用GPS所提供的精确授时功能, 采用FPGA技术, 设计适合于需要精确授时的高精度时钟系统。

2 GPS授时原理

GPS授时的基本原理:卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息, 用户接收到这些信息后, 经过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。

GPS数据遵循NMEA-0183协议, 以A SCLL码形式表示, 其串行通信的参数为:波特率=4800bps, 数据位=8bit, 开始位=1bit, 停止位=1bit, 无奇偶校验。数据传输以“语句”的方式进行, 每个语句均以“$”开头, 然后是两个字母的“识别符”和三个字母的“语句名”, 接着就是以逗号分割的数据体, 语句末尾为校验和, 整条语句以回车换行符结束。

NMEA-0183的数据信息有十几种, 这些信息的作用分别是:$GPGGA, 输出GPS的定位信息;$GPGLL, 输出大地坐标信息;$GPZDA, 输出UTC时间信息;$GPGSV, 输出可见的卫星信息;$GPGST, 输出定位标准差信息;$GPGSA, 输出卫星DOP值信息;$GPALM, 输出卫星星历信息;$GPRMC, 输出GPS推荐的最短数据信息等。

对于提取GPS时间信息, GPRMC语句完全满足要求。GPRMC语句 (Recommended Minimum Specifi c GPS/TRANSIT Data-RMC) 。该语句中包括经纬度、速度、时间和磁偏角等字段, 这些数据为导航定位应用提供了充分的信息。下表详细说明GPRMC语句中的各个字段:

例如:$GPRMC, 074529.82, A, 2429.6717, N, 11804.6973, E, 12.623, 32.122, 010806, , W, A*08

3 设计方案

本方案主要是针对移动多媒体广播单频网, 只涉及到授时型接收机。单频网是指网络中所有发射机工作于相同的频率, 时间同步地发射相同节目的无线地面广播系统。如图1, 在CMMB单频组网架构中, GPS接收机提供10MHz频率基准、1PPS时间基准和TOD消息, 复用器以GPS时钟为参考, 提供广播信道帧的起始发送时间和单频网最大发射延时;激励器根据接收到的同步信息和G PS接收机提供的当前时间, 调整发射时间, 便可实现多台激励器组成的发射系统使用同一载频, 同一节目源, 同时同比特进行广播。

授时型接收机的设计关系到单频组网的同步。如图2, GPS授时型接收机基本架构包括天线、GPS接收处理器、本地高稳定时钟 (OCXO) 、FPGA和DAC等部分。

本地高稳定时钟芯片启动到稳定过程中存在初始化偏差, 稳定后的值也可能因芯片不同而存在差异, 可以用这种方法消除:FPGA根据本地高稳定时钟芯片产生10MHz时钟, 分频产生一个1PPS, GPS接收器产生一个精准的1PPS, 两个1PPS进行相位比较:FPGA用恒温晶振产生的时间脉冲对GPS接收器产生的1PPS计数, 如果恰好是10M次, 则本地恒温晶振精确, 如果大于或小于, 则需通过DAC改变恒温晶振电压值, 微调频率, 如此反复, 最终使本地高稳定时钟芯片产生的10 M H z时钟接近精准。G P S授时型接收机输出的1PPS是GPS接收器的1PPS, 当失锁时, 输出的是基于本地高精度晶振的1PPS。

本方案采用G S-8 9 m-J接收模块, G P S数据遵循N M E A-018 3协议, 以A S C L L码形式表示。CMMB协议规定GPS时间信息采用R S232电平, A SCII码, 码率9 6 0 0, 数据封装采用BCD码, 格式如下表1。接收机最终输出的TOD时间信息应该按照该协议。

本方案选用Altera公司Cyclone系列FPGA芯片EP4CE22E22C8, 设计开发工具为Quartus II 11.0 (32-Bit) , 各模块逻辑采用Verilog HDL语言描述。FPGA设计模块图见图3, 产品软件实现功能:

(1) 校准本地高精度振荡器, 实现精准的10MHz时钟信号输出;

(2) 在接收到GPS信号时, 输出GPS接收器产生的1PPS秒脉冲, 否则输出本地高精度振荡器分频产生的1PPS;

(3) 提取NMEA-0183语句, 输出符合CMMB协议的TOD信息;

(4) RS232监控通信。

4 总结

本论文介绍了GPS数据满足的NMEA-0183协议, 以及授时型所需提取的GPRMC语句信息, 并提出一种基于FPGA的设计方案。该设计可以满足CMMB单频组网中复用器和激励器对GPS时间的需求。

摘要：本文介绍了全球定位系统 (GPS) 授时原理, 基于FPGA技术, 读取GPS数据生成时间信息, 并用GPS产生的精确1PPS校准本地高精度振荡器, 提出一种高精度同步时钟的设计。

关键词：全球定位系统,高精度,1PPS,FPGA

参考文献

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GPS高精度的时钟的设计和实现 篇3

关键词：GPS；手持设备；农村土地流转；信息采集

中图分类号： S127文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）09-0382-05

收稿日期：2013-11-01

基金项目：国家科技支撑计划（编号：2012BAJ23B05）。

作者简介：缪祎晟（1984—），男，江西上饶人，硕士，助理研究员，主要研究方向为农村土地流转与农业智能系统。Tel：（010）51503620；E-mail：miaoys@nercita.org.cn。

通信作者：吴华瑞，博士，研究员，主要研究方向为农业智能系统。Tel：（010）51503620；E-mail：wuhr@nercita.org.cn。 随着农业生产力的发展与相关基础科技水平、工业实力的提高，中国已经进入“以工哺农，以城带乡”的发展阶段，建立以多功能形态和高新技术发展为支撑的现代农业已经成为农村经济发展的主要任务[1]。传统的农业生产方式和相对封闭的小农经济模式已限制农业发展，而以原有生产方式为基础的家庭联产承包责任制的不足也随之逐渐显现。农村集体土地流转是农村经济发展到一定阶段的产物，通过土地流转，可以开展规模化、集约化、现代化的农业经营模式[2]。具体包括农村集体土地所有者与建设用地使用者之间的土地使用权流转关系和土地使用者相互之间的土地使用权流转关系。集体土地使用权流转客体的建设用地，包括现实的已经被土地使用者合法取得建设用地使用权的土地和已被土地利用总体规划和乡（镇）村建设规划确定为建设用地的土地。

当前在建立农村土地流转机制中还存在许多问题，如可流转集体土地基础数据不完备、底数不清、产权产籍不明晰、城乡建设用地增减挂钩中虚增农用地等。传统的纸质土地流转台账方式也不便于保存、查找与管理，不符合土地流转快速发展的要求。土地流转台账的电子化管理，土地流转信息数字化录入、审核，建立土地流转数据库等已成为当前土地流转工作中的必然要求[3]。土地流转数据来源数字化可有效解决上述问题，本研究以高精度GPS定位技术为基础，研制农村土地流转成图设备，完成农村土地流转过程中的地理信息矢量数据、土地用途、权属、现场多媒体数据等信息的采集，为土地流转全过程数字化监管提供良好的技术手段与数据来源。

1基于CORS的高精度GPS定位概述

相对传统测量技术中的经纬仪、全站仪，GPS测量系统有如下优点：对作业条件要求不高，可单设备工作，测站间无需通视，能够克服地形、气候、季节等诸多不利因素的影响，定位精度较高，可提供三维数据测量，数据安全可靠[4]。GPS手持机将先进的嵌入式微处理器技术与嵌入式操作系统技术相结合，相当于一台集成了GPS功能的掌上小电脑，操作使用方便，数据输入、处理、存储能力强，数据导入导出方便快捷，而且可以通过定制软件直接实现现场矢量图生成，减少了常规方法的中间环节，速度快、精度高，是当前土地流转现场信息采集的主要技术手段。

由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，GPS信息传输过程又受到大气对流层、电离层对信号的影响，以及接收机附近产生的多径效应和其他外部干扰源信号等多种干扰，使得GPS接收机的定位精度受到很大限制。目前一般的GPS接收机的精度在十几到几十米，专业的GPS接收机也只能达到2～5米的单机定位精度。为进一步提高GPS的定位精度，采用基站提供的高精度参考数据进行差分运算，尽可能地消除上述因素造成的误差，通过差分技术GPS设备可将定位精度提高至分米级、厘米级。但自建基站的成本过高，于是利用多基站网络RTK技术应运而生，建立的连续运行卫星定位服务综合系统（continuous operational reference system，CORS）已成为GPS应用的热点之一[5]。

2农村土地流转现场成图设备设计

针对现有GPS地理信息采集设备计算性能及存储能力有限、集成网络通讯接口较少等问题，研制适于农村土地流转现场采集设备，实现土地流转现场数据的高精度采集、实时处理，全方位多途径实时数据双向传输，以及提供现场多媒体数据采集，为土地流转过程中提供现场状况的有力图像视频证明。同时针对土地流转领域缺乏相关的专业应用软件支持，部分应用软件存在操作不便、用户界面不够友好等问题，开发农村土地流转信息采集与数据更新系统，实现数据采集与采集调查业务的高效执行。

2.1系统结构

农村土地流转信息采集与数据更新设备的使用场景主要为农村户外条件，主要环境特点为太阳光强烈，雨水、尘土多等。针对以上使用条件，对设备的外观结构等要求如下：单手持，屏幕7英寸，有部分实体按键。采取防摔、防尘、防水三防设计，达到IP54防护标准。硬件架构上以ARM A8嵌入式微处理器为核心，主要集成以下功能模块：电源转换及管理模块，用于将电池输出电能进行电平转换，为设备工作提供能源并进行节能管理；数据通讯模块，用于本装置与各种网络的连接交互，主要集成网络方式有3G、Wi-Fi、蓝牙；外围接口电路模块，用于连接一些外设，如调试器、存储、显示等电路，集成的主要接口有SD/MMC、USB、UART、JTAG；触摸显示模块，用于用户界面展示以及交互；高精度GPS定位模块，用于定位采集当前地理位置信息。这些外围功能模块均与主芯片连接，并由ARM内核控制进行协同工作及数据通信，系统框如图1所示。

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2.2终端硬件选型与设计

考虑设备硬件的总体需求，结合系统结构设计中各模块的功能劃分情况，参照主芯片S5PC110的参数对各主要芯片及模块进行选型。各主要功能模块、芯片选型如表1所示。

主频最高可达1 GHz，512 M Flash，512 M SDRAM，集成多种常用接口控制器3G模块MC8630支持3G、GPRSWi-Fi/BT88W8686WIFI、蓝牙网络接入摄像头模组OV5630图像视频获取高精度GPSOEMV1获取高精度GPS定位信息电源转换MAX8698C电压转换，电源管理RTC时钟DS1302为系统提供实时时钟触摸液晶屏AT070TN847寸液晶屏，附带电容触摸板

根据上述芯片与模块选型进行电路板设计。由于主芯片S5PC110频率高、I/O数量多，设计电路复杂，势必增加电路板层数，而其余外围模块的电路设计相对较为简单，为降低整体电路设计难度与试制成本，将S5PC110为核心的主控电路单独设计核心电路板，其余外围电路设计为底板（母板）。核心板部分电路原理图如图2所示。

在电路原理图设计之后，进行PCB（Printed Circuit Board）的布局布线设计。布局设计应优先考虑主要器件，优先考虑结构位置有特定要求器件，优先考虑接口器件；而布线设计应优先考虑高频信号尤其是重要的时钟信号，优先考虑电源及地层的布置以保障电源平面完整。对于本设计，虽然CPU主时钟频率为1 GHz，SDRAM接口频率也超过 300 MHz，已属于高速信号范畴，但由于S5PC110采用MIP技术，将多颗裸片封装在一颗芯片内，大大降低了电路板设计的复杂度与要求。在电路板叠层与布线方面，核心板设计采用

6层电路板，从顶层到底层依次为元件层、地层、布线层1、布线层2、电源层、底层，布线间距最小为0.13 mm，最小线宽 0.13 mm，过孔大小0.13/0.25 mm；底板设计采用4层电路板，从顶层到底层依次为元件层、地层、电源层、底层，布层最小间距0.2 mm，最小线宽0.2 mm，过孔大小0.2/0.3 mm。

除却以上基本注意事项，对于高精度GPS采集设备重点是如何减小设备本身对定位精度造成的影响。其中主要考虑的是设备的电磁兼容性问题，因为GPS信号由卫星发射，经过大气层的衰减，到达地面接收机时标准幅度仅有几个毫伏，如此微小的信号很容易被周边的其他电磁噪声所淹没。GPS的信号频段为1.23 GHz和1.57 GHz，与CPU主频以及GPRS的频率相仿，非常容易受到干扰。对于这一问题，在PCB设计方面，尽可能减小所有走线的长度，对于CPU、GPRS模块等关键区域大面积铺铜，确保信号回流路径的完整、低阻抗，减小辐射产生。同时对于CPU、GPRS等易产生辐射的高频区域，采取接地屏蔽壳方式，减小各模块辐射对其他电路造成的影响，提高设备的电磁兼容性能。

2.3终端应用软件设计

采用安卓操作系统，开发土地信息采集与数据更新系统。使用操作系统的好处在于，便于对底层硬件资源如显示屏、串口、触摸输入、存储器、文件系统等进行管理和调度，应用软件设计就可以专注于业务流程等应用功能。针对农村土地流转的实际应用需求，土地信息采集与数据更新系统按照业务流程主要包括现状采集、复垦验收、多级联运巡查3个部分；GIS相关功能包括图形采集与编辑、属性采集与编辑、地图缩放浏览、图层管理、双向查询等；其他基本功能还包括用户管理、数据库管理、文件管理、图像采集、通信管理与数据同步等。按照系统前后台的详细功能划分如图3所示。

从业务流程来说，在用户成功登录后，可在用户管理菜单的任务管理项中查看和管理当前用户的任务及执行情况，点选任务类别后可查看任务列表以及执行情况，点击任务可跳转到任务执行界面。任务数据通过XML格式进行数据同步，地图文件或矢量数据通过拷贝方式获取。各功能模块主要数据包类定义如表2所示。表2主要功能模块类说明

包名称包含的子包包含的类类功能地图包地图显示子包com.land.transfer.mapshowMapShow地图显示类地图编辑子包com.land.transfer.mapeditMapEdit地图编辑类现状调查包 现状调查信息子包 com.land.transfer.survey MySurvey 现状调查类 复垦验收包复垦验收信息子包com.land.transfer. reclamationMyReclamation复垦验收类多级联动巡查包 多级巡查信息子包 com.land.transfer. multistage MyMultistage 多级巡查类 用户信息包 用户信息子包 com.land.transfer.user UserTasks 用户任务类 配置信息包 配置信息子包 com.land.transfer.ini IniInfo 配置信息类

以复垦验收为例，该环节主要功能是对接受的复垦验收任务进行现场确认，采集记录任务地块的地理位置信息，基于下发的复垦验收任务与复垦矢量数据，确认复垦地块是否存在，地块位置与面积是否与任务一致，其他权属、用途等属性是否属实，并将相应结果与数据回传上报。主要软件界面如图4所示。

3结论

本研究针对农村土地流转中对现场数据的电子化采集需求，集成高精度GPS技术、嵌入式微处理器技术等，研制开发了农村土地流转信息采集与数据更新设备与系统。解决了现有设备采集精度不高，设备计算、存储能力不强，网络通信方

式单一，数据同步困难等问题。实现了现场地理信息数据的精确、快捷采集，从土地流转的采集源头进行了信息电子化，为土地流转全过程科学监管打下了坚实的数据基础。通过任务的下发与执行，实现了农村土地流转中的过程控制，同时结合地块属性、现场图像采集等，建立了全方位的土地流转现场资料，必将为农村土地流转全程监管的进一步深入推进起到积极作用。

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[13]庞恩林，郑建生，蒋海丽，等. 基于嵌入式微处理器的GPS手持终端系统设计[J]. 电讯技术，2005，45（2）：53-57.更正：《江苏农业科学》2014年第42卷第7期319-321页所刊论文《著名信阳毛尖产地茶叶香气成分的GC-MS分析》，目次中作者误为“孙幕芳，王广铭”，更正为与正文相同的作者，即“孙慕芳，郭桂义”。特此更正，并向作者和读者致歉。