單片機(jī)在GPS和CDMA計(jì)時(shí)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)

摘要 介紹了一種基于MSP430單片機(jī)的GPS和CDMA雙接收計(jì)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與方法，并給出了系統(tǒng)的硬件電路和軟件流程。該系統(tǒng)采用GPS和CDMA時(shí)鐘信號(hào)，其可以自動(dòng)調(diào)整時(shí)間，同時(shí)還擁有多方位保障時(shí)間的精確性、一致性、高可靠性及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

在可靠性、擴(kuò)展性、控制功能以及體積、功耗等方面比其他電子產(chǎn)品具有優(yōu)越性。在天文、地震臺(tái)、航空航天等對(duì)時(shí)間精度較高的場(chǎng)合，以及國(guó)防、通信、電力、交通等要求高精度時(shí)間同步的領(lǐng)域，得到廣泛應(yīng)用。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于MSP430單片機(jī)的GPS和CDMA雙接收計(jì)時(shí)系統(tǒng)，是傳統(tǒng)鐘表計(jì)時(shí)技術(shù)與現(xiàn)代時(shí)頻、微電子、通訊、計(jì)算機(jī)等多項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合，通過接收不同形式的時(shí)間碼，經(jīng)內(nèi)置微處理器解碼處理，自動(dòng)校準(zhǔn)計(jì)時(shí)器走時(shí)，使該系統(tǒng)顯示時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間自動(dòng)保持精確同步。除保留傳統(tǒng)機(jī)械時(shí)鐘計(jì)時(shí)特點(diǎn)外，還增加了LCD數(shù)字顯示，雙顯示方式。接收GPS、CDMA信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雙系統(tǒng)聯(lián)合精確定時(shí)，在接收到精確的時(shí)碼后，經(jīng)數(shù)據(jù)處理器處理，即可自動(dòng)校正時(shí)鐘的走時(shí)誤差，使每只時(shí)鐘的走時(shí)均受統(tǒng)一精確的時(shí)碼控制，從而實(shí)現(xiàn)了高精度計(jì)量時(shí)間的一致性，同時(shí)也可手動(dòng)校時(shí)、接收時(shí)間信號(hào)，系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)各部分的硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 MSP430 MCU

MSP430F5xx是德州儀器儀表推出的實(shí)現(xiàn)超低功耗MSP430 MCU系列產(chǎn)品。該系列針對(duì)峰值高達(dá)25 MHz的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)業(yè)界最低的功耗，擁有更高的閃存與RAM存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量，以及射頻(RF)、USB、加密和LCD接口等集成外設(shè)。MSP430F5xx MCU的工作功耗與待機(jī)功耗僅為160μA/Hz與1.5μA，系統(tǒng)能以較小功耗運(yùn)行的同時(shí)可執(zhí)行高強(qiáng)度的任務(wù)?？沙浞职l(fā)揮高達(dá)25 MHz峰值執(zhí)行性能，同時(shí)確保功耗僅為160μA/HMz。MCU采用16位精簡(jiǎn)指令，一個(gè)時(shí)鐘周期可執(zhí)行一條指令，運(yùn)行速度可達(dá)25～30 MI·s-1，而傳統(tǒng)51單片機(jī)6個(gè)或12個(gè)時(shí)鐘周期可執(zhí)行一條指令。以上特點(diǎn)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(yīng)用較廣的一種導(dǎo)航、定位和定時(shí)的多功能系統(tǒng)，具有全天候、高精度、自動(dòng)測(cè)量以及體積小、功耗低的特點(diǎn)，且技術(shù)成熟、價(jià)格低廉。

GPS模塊為系統(tǒng)提供GPS定時(shí)、定位信息，設(shè)計(jì)采用u-blox公司的MAX-6Q，其具有以下特點(diǎn)：(1)精度高，抗干擾能力強(qiáng)。(2)啟動(dòng)時(shí)間短，冷啟動(dòng)只需26 s，熱啟動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)的NEMA-0183協(xié)議。

1.2.3 CDMA接收模塊

CDMA無線通信模塊從CDMA基站上獲取標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信號(hào)，CDMA校時(shí)系統(tǒng)信號(hào)穩(wěn)定，不易受電源、外界無線電干擾，便于部署在任何有CDMA信號(hào)的地方。針對(duì)以上特性，在室內(nèi)無衛(wèi)星信號(hào)或GPS信號(hào)難于接收的地點(diǎn)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(fā)器、電源管理模塊單元、功率放大器集成，功能全面、應(yīng)用廣泛。其電路框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的軟件部分主要負(fù)責(zé)設(shè)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(shí)間的顯示及人機(jī)接口。其主要包括初始化、串口通信、數(shù)據(jù)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(guān)參數(shù)配置以及外圍電路的初始化等。

2.1 系統(tǒng)軟件雙接收的整體方案

系統(tǒng)采用GPS和CDMA雙模式接收，同時(shí)可定時(shí)進(jìn)行自動(dòng)接收，也可通過外部接收按鍵進(jìn)行強(qiáng)制接收。軟件優(yōu)先接收GPS模塊的數(shù)據(jù)信息，當(dāng)GPS數(shù)據(jù)無效或無法采集到信號(hào)時(shí)，再接收CDMA數(shù)據(jù)。若GPS和CDMA接收的數(shù)據(jù)有效，則更新數(shù)據(jù);若無效，則數(shù)據(jù)保持。系統(tǒng)雙接收處理流程如圖3所示。

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(shù)據(jù)發(fā)送、接收、校驗(yàn)、通信障礙提示等，數(shù)據(jù)處理主要有GPS接收數(shù)據(jù)的解碼、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)刷新等。MAX-6Q的數(shù)據(jù)輸出為NMEA-0183格式，最大更新速率5 Hz，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c實(shí)時(shí)性，并提高單片機(jī)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(shù)據(jù)放入數(shù)組中，通過讀取數(shù)據(jù)包的前7 bit，可判斷該數(shù)據(jù)包格式，系統(tǒng)只處理了NEMA中GPGGA和GPZDA兩種格式的消息，并定義了兩種相應(yīng)的處理函數(shù)，其各函數(shù)功能如下：

GPZDA()函數(shù)：提出UTC日期和時(shí)間。

GPRMC()函數(shù)：提出UTC日期、時(shí)間、經(jīng)度和緯度信息。

通過GPS數(shù)據(jù)處理，誤碼的判斷，刷新數(shù)據(jù)顯示，其GPS處理流程如圖4所示。

2.3 CDMA模塊接收方案

CDMA模塊MC323通信采用串口通信2，數(shù)據(jù)處理主要是CDMA接收數(shù)據(jù)的解碼、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)刷新等。CDMA時(shí)間查詢指令如表1所示。

CDMA接收打開，CDMA模塊進(jìn)行初始化。MSP430F5xx打開串口2向CDMA模塊MC323發(fā)出查詢指令“AT^TIME”，若查詢時(shí)間超過10 min，則自動(dòng)退出查詢。CDMA模塊MC323收到“AT^TIME”查詢指令后，向單片機(jī)返回時(shí)間信息，而單片機(jī)將對(duì)時(shí)間信息進(jìn)行分析處理并將處理后的時(shí)間信息進(jìn)行存儲(chǔ)和更新，CDMA處理流程如圖5所示。

3 結(jié)束語

根據(jù)GPS和CDMA的不同特點(diǎn)，采用兩種接收模式聯(lián)合定時(shí)，不僅在GPS接收正常時(shí)，能保證時(shí)間的高精度、一致性，且在GPS失效或室內(nèi)GPS信號(hào)接收困難時(shí)，通過CDMA接收，同樣保障了時(shí)間的精確性和一致性，且還具有可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。本單片機(jī)采用MSP430，其不僅功耗低，且處理能力強(qiáng)，模擬技術(shù)性能高及片上外圍技術(shù)豐富，故滿足了低功耗高性能的要求。此外，性能還可滿足高精度計(jì)時(shí)系統(tǒng)對(duì)時(shí)間精度性和實(shí)時(shí)性的要求，本設(shè)計(jì)不論在室外或室內(nèi)均具有良好的接收、自動(dòng)智能授時(shí)能力。其既可滿足精度要求較高的天文、航空航天等系統(tǒng)，又可滿足普通民用使用，還可應(yīng)變特殊情況下的使用需求，因此擁有良好的應(yīng)用前景。