2021年04月15日 | 单片机在GPS和CDMA计时系统中的设计

摘要介绍了一种基于MSP430单片机的GPS和CDMA双接收计时系统的设计思路与方法，并给出了系统的硬件电路和软件流程。该系统采用GPS和CDMA时钟信号，其可以自动调整时间，同时还拥有多方位保障时间的精确性、一致性、高可靠性及环境适应性强的优势。

在可靠性、扩展性、控制功能以及体积、功耗等方面比其他电子产品具有优越性。在天文、地震台、航空航天等对时间精度较高的场合，以及国防、通信、电力、交通等要求高精度时间同步的领域，得到广泛应用。

1 系统硬件设计方案

1.1 系统总体设计

基于MSP430单片机的GPS和CDMA双接收计时系统，是传统钟表计时技术与现代时频、微电子、通讯、计算机等多项技术的结合，通过接收不同形式的时间码，经内置微处理器解码处理，自动校准计时器走时，使该系统显示时间与标准时间自动保持精确同步。除保留传统机械时钟计时特点外，还增加了LCD数字显示，双显示方式。接收GPS、CDMA信号，实现双系统联合精确定时，在接收到精确的时码后，经数据处理器处理，即可自动校正时钟的走时误差，使每只时钟的走时均受统一精确的时码控制，从而实现了高精度计量时间的一致性，同时也可手动校时、接收时间信号，系统硬件框图如图1所示。

图1 系统硬件框图

1.2 系统各部分的硬件设计

1.2.1 MSP430 MCU

MSP430F5xx是德州仪器仪表推出的实现超低功耗MSP430 MCU系列产品。该系列针对峰值高达25 MHz的产品，实现业界最低的功耗，拥有更高的闪存与RAM存储器存储容量，以及射频(RF)、USB、加密和LCD接口等集成外设。MSP430F5xx MCU的工作功耗与待机功耗仅为160μA/Hz与1.5μA，系统能以较小功耗运行的同时可执行高强度的任务。可充分发挥高达25 MHz峰值执行性能，同时确保功耗仅为160μA/HMz。MCU采用16位精简指令，一个时钟周期可执行一条指令，运行速度可达25～30 MI·s-1，而传统51单片机6个或12个时钟周期可执行一条指令。以上特点确保了其可编制出高效率的源程序，用以满足电池供电超低功耗要求。

1.2.2 GPS接收模块

GPS模块是应用较广的一种导航、定位和定时的多功能系统，具有全天候、高精度、自动测量以及体积小、功耗低的特点，且技术成熟、价格低廉。

GPS模块为系统提供GPS定时、定位信息，设计采用u-blox公司的MAX-6Q，其具有以下特点：(1)精度高，抗干扰能力强。(2)启动时间短，冷启动只需26 s，热启动只需1 s。(3)串行接口有1UART、1DDC，可方便与MSP430F5xx的UART模块通信。(4)体积小，电压为3.3 V，与MSP430F5xx相同。(5)输出信息采用标准的NEMA-0183协议。

1.2.3 CDMA接收模块

CDMA无线通信模块从CDMA基站上获取标准的时间信号，CDMA校时系统信号稳定，不易受电源、外界无线电干扰，便于部署在任何有CDMA信号的地方。针对以上特性，在室内无卫星信号或GPS信号难于接收的地点使用，恰好解决了常见的GPS模块局限性问题。

CDMA接收模块采用华为MC323模块，MC323将基带、RF收发器、电源管理模块单元、功率放大器集成，功能全面、应用广泛。其电路框图如图2所示。

图2 MC323电路框图

2 系统软件设计方案

系统的软件部分主要负责设置GPS模块与MCU之间的串口通信1、CDMA模块与MCU之间的串口通信2、时间的显示及人机接口。其主要包括初始化、串口通信、数据处理、故障提示、显示、键盘处理及电源管理等部分，其中初始化包括MSP430中各种寄存器的配置、串口相关参数配置以及外围电路的初始化等。

2.1 系统软件双接收的整体方案

系统采用GPS和CDMA双模式接收，同时可定时进行自动接收，也可通过外部接收按键进行强制接收。软件优先接收GPS模块的数据信息，当GPS数据无效或无法采集到信号时，再接收CDMA数据。若GPS和CDMA接收的数据有效，则更新数据;若无效，则数据保持。系统双接收处理流程如图3所示。

图3 系统双接收处理流程图

2.2 GPS模块接收方案

GPS模块MAX-6Q通信采用串口通信1，包括数据发送、接收、校验、通信障碍提示等，数据处理主要有GPS接收数据的解码、存储和数据刷新等。MAX-6Q的数据输出为NMEA-0183格式，最大更新速率5 Hz，为保证数据传输的可靠性与实时性，并提高单片机的利用率，文中采用中断方式而非查询方式。

在中断处理程序中，将接收到的GPS数据放入数组中，通过读取数据包的前7 bit，可判断该数据包格式，系统只处理了NEMA中GPGGA和GPZDA两种格式的消息，并定义了两种相应的处理函数，其各函数功能如下：

GPZDA()函数：提出UTC日期和时间。

GPRMC()函数：提出UTC日期、时间、经度和纬度信息。

通过GPS数据处理，误码的判断，刷新数据显示，其GPS处理流程如图4所示。

图4 GPS处理流程

2.3 CDMA模块接收方案

CDMA模块MC323通信采用串口通信2，数据处理主要是CDMA接收数据的解码、存储和数据刷新等。

CDMA接收打开，CDMA模块进行初始化。MSP430F5xx打开串口2向CDMA模块MC323发出查询指令“AT^TIME”，若查询时间超过10 min，则自动退出查询。CDMA模块MC323收到“AT^TIME”查询指令后，向单片机返回时间信息，而单片机将对时间信息进行分析处理并将处理后的时间信息进行存储和更新，CDMA处理流程如图5所示。

图5 CDMA处理流程图

3 结束语

根据GPS和CDMA的不同特点，采用两种接收模式联合定时，不仅在GPS接收正常时，能保证时间的高精度、一致性，且在GPS失效或室内GPS信号接收困难时，通过CDMA接收，同样保障了时间的精确性和一致性，且还具有可靠性高、环境适应性强的特点。本单片机采用MSP430，其不仅功耗低，且处理能力强，模拟技术性能高及片上外围技术丰富，故满足了低功耗高性能的要求。此外，性能还可满足高精度计时系统对时间精度性和实时性的要求，本设计不论在室外或室内均具有良好的接收、自动智能授时能力。其既可满足精度要求较高的天文、航空航天等系统，又可满足普通民用使用，还可应变特殊情况下的使用需求，因此拥有良好的应用前景。