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引言 長(cháng)期以來(lái)，學(xué)校、工廠(chǎng)等單位常用的打鈴儀多采用單片機計時(shí)，計時(shí)誤差每天達0.5 s，日積月累走時(shí)誤差會(huì )達數分鐘，甚至十多分鐘，給管理造成不便。近幾年來(lái)，高校、企業(yè)規模不斷擴大，多校區、多廠(chǎng)區的企事業(yè)單位不斷增多。這些學(xué)校、企事業(yè)單位強烈要求多校區、多廠(chǎng)區的上下課、上下班鈴聲保持同步，可實(shí)際情況因現有打鈴儀走時(shí)誤差而極難同步。本文提出的基于GPS信號接收和PIC單片機的智能打鈴儀，走時(shí)精確，誤差極小。只要多校區、多廠(chǎng)區的企事業(yè)單位的響鈴時(shí)間設置相同，便可使鈴聲保持同步，誤差小于1 s。 1 打鈴儀硬件設計 本文介紹的打鈴儀電路結構框圖如圖1所示。它主要由電源電路、微處理器、GPS接收、按鍵電路、液晶顯示、溫度檢測、聲光提示、控制輸出電路構成。 
1.1 GPS接收電路 G.PS(Global Positioning System，全球定位系統)是美國從20世紀70年代開(kāi)始研制的，歷時(shí)20年，耗資200億美元，于1994年全面建成；是具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。GPS具有全天候、高精度、自動(dòng)化、高效率等顯著(zhù)特點(diǎn)，具有定位導航、授時(shí)校頻、精密測量等多方面的強大功能。 本設計方案是利用GPS接收電路接收解調GPS信號，從中提取時(shí)問(wèn)信號作為打鈴儀的時(shí)間基準。因GPS信號中的時(shí)間是由銫原子鐘產(chǎn)生的，時(shí)間精度極高，故而可使打鈴儀的計時(shí)精度很高，計時(shí)誤差遠小于1 s。 GPS接收電路如圖2所示，由GPS天線(xiàn)和GPS模塊組成。
GPS天線(xiàn)將1 575.42 MHz的高頻信號接收下來(lái)，送往GPS模塊進(jìn)行低噪聲放大、變頻轉換為中頻信號；中頻信號經(jīng)采樣、量化后，轉換為數字中頻信號；數字中頻信號進(jìn)入相關(guān)通道，經(jīng)過(guò)處理后，解譯出導航電文；GPS模塊內微處理器接收導航電文數據，并進(jìn)行相應處理后串行輸出定位、時(shí)間、速度等信息。 GPS模塊采用GS-312。該模塊內的基帶處理采用SiRF公司的Star III架構芯片組。該芯片組配備20萬(wàn)個(gè)相關(guān)器，具有-159 dBm的接收靈敏度，且功耗低。該模塊的各個(gè)引腳功能如表1所列。
GS-312的8腳應當外接電池。如不接電池，當系統主電源斷電后重新上電時(shí)，GS-312為冷啟動(dòng)，其初次接收GPS信號并成功輸出定位時(shí)間信息最長(cháng)時(shí)間達42 s；若接上電池，當系統主電源斷電后重新上電時(shí)，GPS模塊為熱啟動(dòng)，其初次接收GPS信號并成功輸出定位時(shí)間信息僅需1 s。 在某些使用場(chǎng)合，GPS天線(xiàn)與系統線(xiàn)路板之間距離較遠才能較好地接收到GPS信號，故而采用RS422標準進(jìn)行較遠距離的GPS解調輸出信號的傳送。電路如圖2所示，在具體工程中將IC2和GPS模塊單獨制作成室外單元，通過(guò)八芯電纜與室內主電路的IC1及電源相連。 RS422是EIA推薦的“平衡式電壓數字接口電路的電氣特性標準”。該標準是為改善RS-232C且與RS-232C兼容而制定的。它的特點(diǎn)是采用平衡傳送，差分接收方式。其中發(fā)送接收一個(gè)信號均用兩條線(xiàn)，而完全不使用信號地，且數據傳送更遠，抗干擾能力更強。Maxim公司的MAX488收發(fā)器芯片滿(mǎn)足RS-232、RS- 422、RS-485通信標準，該芯片內含有1個(gè)驅動(dòng)器和1個(gè)接收器，同時(shí)具有低功耗、單+5 V供電、驅動(dòng)器過(guò)載保護、無(wú)需外接元件等特點(diǎn)，其共模輸入電壓范圍為-7～+12 V，因而應用廣泛。MAX488的引腳功能如表2所列。
MAX488通過(guò)傳輸線(xiàn)驅動(dòng)器把邏輯電平轉換為電位差信號以完成初始端的信息傳送，而通過(guò)傳輸線(xiàn)接收器把電位差轉換為邏輯電平實(shí)現終端的信息接收，該傳輸形式能提高系統的抗干擾能力以及傳輸距離。圖2中IC1的驅動(dòng)器反相輸出端 (6Z)和非反相輸出端(5Y)接到IC2接收器反相輸入端(7B)和非反相輸入端(8A)，而把ICl的接收器反相輸入端(7B)和非反相輸入端 (8A)接到IC2的驅動(dòng)器反相輸出端(6Z)和非反相輸出端(5Y)，從而構成一個(gè)較遠距離的全雙工通信。該電路的通信速率最高可達0.25 Mbps，經(jīng)實(shí)驗可靠通信距離可達20 m以上。 1.2其他硬件電路 微處理器采用Microchip公司的 PIC16F873。該芯片采用14位類(lèi)RISC指令系統，片內資源豐富，內含A／D轉換器、EEPROM等，使打鈴儀省去外接A／D轉換電路和 EEPROM芯片，簡(jiǎn)化了系統電路。該芯片還支持在線(xiàn)編程，易于進(jìn)行軟件調試、升級。 圖3打鈴儀電路中的電源電路部分含有60 mAh充電電池構成的備份電源。單片機由R1和R2的分壓電壓可判斷主電源是否掉電。當主電源有電時(shí)，5 V直流電壓經(jīng)D1后為GPS接收模塊和單片機供電，經(jīng)R3限流后為電池BAT1提供涓流充電；當主電源掉電時(shí)，電池BAT1經(jīng)D2后為單片機和GPS接收模塊供電，以保證系統主電源掉電時(shí)系統依然能正常走時(shí)，但系統停止其他功能。R4和熱敏電阻Rt1的分壓電壓隨環(huán)境溫度的變化而變化，單片機對該分壓電壓進(jìn)行A／D轉換，再查表可測出環(huán)境溫度。蜂鳴器BAK1和發(fā)光二極管LED1為按鍵按下有效及響鈴輸出的聲光提示。單片機控制繼電器J1決定外接電鈴是否響鈴。接按鍵的5個(gè)I／O引腳的內部上拉電阻打開(kāi)。液晶顯示模塊YDS12864與單片機采用串行口相連，以中文方式顯示當前年、月、日、時(shí)、分、秒、星期、溫度等信息及系統設置時(shí)的提示信息。
2 打鈴儀軟件設計 2.1GPS協(xié)議 幾乎所有GPS接收模塊的串行輸出數據格式都遵循美國國家海洋電子協(xié)會(huì )NMEA(National Marine Electronics Association)所指定的標準規格。這一標準制訂所有航海電子儀器間的通信標準，其中包含傳輸資料的格式以及傳輸資料的通信協(xié)議。NMEA協(xié)議有 0180、0182和0183三種，0183可以認為是前兩種的超集，現正廣泛使用。NMEA-0183協(xié)議的數據格式為1個(gè)起始位、8個(gè)數據位、1個(gè)停止位、無(wú)奇偶校驗位，波特率為300、600、1 200、2 400、4 800、9 600、19 200；其輸出數據為ASCII碼，語(yǔ)句包括GPGGA、GPGLL、GPGSA、GPRMC、GPGSV、GPVTG等，各語(yǔ)句內含內容各不一樣。含有年月日時(shí)分秒數據的GPRMC語(yǔ)句輸出格式為：$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>。以“LF”表示該幀數據結束。例如：$GPRMC，102521.231，A，3143.2679，N，13432.2134，E，0.9，309.62，101299，，*10。具體意義如表3所列。
2.2 GPS數據讀取 GS-312每秒更新輸出數據1次，可用串口中斷方式讀取。NMEA-0183協(xié)議每一語(yǔ)句內含的各個(gè)內容均以逗號隔開(kāi)，可以通過(guò)判斷逗號的個(gè)數，識別時(shí)間數據和日期數據，其流程如圖4所示。
2.3主程序設計 打鈴儀主程序流程如圖5所示，程序結構采用散轉結構，該結構抗干擾能力強，程序跑飛能自動(dòng)重人。按鍵子程序含有長(cháng)按功能，在設置響鈴時(shí)間時(shí)利用按鍵長(cháng)按功能便于快速設置。用戶(hù)可長(cháng)按即時(shí)響鈴鍵實(shí)現即時(shí)響鈴功能，以避免誤按響鈴。 3打鈴儀設計的注意問(wèn)題 天線(xiàn)部分的PCB設計很重要，它直接關(guān)系到GPS信號的接收效果。本設計采用的是無(wú)源天線(xiàn)，天線(xiàn)接收下來(lái)的信號進(jìn)入GPS模塊的RF引腳之前的一段PCB走線(xiàn)要求具有50 Ω的匹配阻抗。 GPS模塊 GPS-312串行輸出默認波特率為4 800，通常情況下，該波特率滿(mǎn)足需求。 GPS模塊GPS-312輸出時(shí)間為格林尼治時(shí)間，應轉換為北京時(shí)間，即在GS-312輸出時(shí)間的小時(shí)位加上8。應注意，在格林尼治時(shí)間的16：00-24：00之間加8后時(shí)間格式的轉變，同時(shí)日期要加1。 結語(yǔ) 采用GPS時(shí)間為基準的打鈴儀已經(jīng)批量生產(chǎn)。用戶(hù)實(shí)用證明，該機走時(shí)精確、使用方便、人機交互友好；缺點(diǎn)是在收不到GPS信號的場(chǎng)合，依靠晶振分頻計時(shí)與普通打鈴儀一樣存在計時(shí)誤差。本設計采用RS422協(xié)議將GPS接收到的信號進(jìn)行較遠距離傳送，只要將室外單元放在開(kāi)闊地，便可較好地解決收不到GPS信號的問(wèn)題。 本方案稍加改進(jìn)，即可方便地應用于走時(shí)極為準確的萬(wàn)年歷或時(shí)間控制器。該時(shí)間控制器可以方便地實(shí)現多機同步控制�？梢�(jiàn)，本方案具有一定的推廣價(jià)值。 參考文獻 1. 廣州鑫圖科技有限公司.GS-312模塊數據手冊[DB/OL].[2009-02-07].http://www.gzxintu.com /download.asp?classid=2&page=2. 2. B&B Electronics Mfg Co Inc.RS-422 and RS-485 Application Note[DB/OL].[2009-02-17].http://www.chuandong.com/publish/data/2008/2/data_9_46223.html. 3. Maxim Integrated Products.MAX488 Data Sheet[DB/OL].[2009-02-17].http://soft.laogu.com/datasheet/16/MAX485_MAXIM_138350.pdf. 4. Garmin 公司.NMEA 0183-3.01[DB/OL].[2009-02-07].http://www.nmea.org/store/index.asp?show=cprd&;cid=8. 作者：漳州師范學(xué)院 張華林 葛水煥 來(lái)源：《單片機與嵌入式系統應用》 2009（10） |
