基于ARM的GPS同步授時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：基于國(guó)際航海標(biāo)準(zhǔn)NMEA-0183為數(shù)據(jù)協(xié)議，以保證電力系統(tǒng)精準(zhǔn)授時(shí)為目的，通過ARM微控制器STM32f103rbt6和高精度GPS接收模塊NEO-5Q為核心控制數(shù)據(jù)采集和傳輸，實(shí)現(xiàn)了GPS同步授時(shí)的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)采用GPS接收模塊接收衛(wèi)星發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)串，通過微控制器對(duì)GPIRMC最小定位信息中的時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和處理，最后經(jīng)上位機(jī)授時(shí)軟件對(duì)本地計(jì)算機(jī)進(jìn)行成功校時(shí)，保證了系統(tǒng)的可行性。
關(guān)鍵詞：NMEA-0183；Codex-M3；STM32f103；CPS

時(shí)間同步在工業(yè)應(yīng)用中是十分重要的基礎(chǔ)工作，特別是對(duì)時(shí)間要求較高的電力系統(tǒng)。近年來，電力系統(tǒng)大多采用不同廠家的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、諧波分析系統(tǒng)、故障錄波裝置、微機(jī)保護(hù)、電能質(zhì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)等，時(shí)間數(shù)據(jù)大多是設(shè)備提供自己獨(dú)立的時(shí)鐘，而時(shí)鐘因產(chǎn)品質(zhì)量差異，在對(duì)時(shí)精度上都會(huì)有一定的偏差，從而使整個(gè)系統(tǒng)不能在統(tǒng)一的時(shí)間基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和比較，給事故后采取正確的故障分析判斷帶來很大的困難。
由于電力系統(tǒng)傳統(tǒng)的時(shí)間同步方法只能保證全系統(tǒng)時(shí)鐘誤差在毫秒級(jí)，很難達(dá)到目前要求的精度。GPS同步授時(shí)系統(tǒng)具有授時(shí)精度高、范圍廣、可靠性高全天候且又不受各種干擾影響的特點(diǎn)，因此，采用GPS同步授時(shí)系統(tǒng)比采用傳統(tǒng)的時(shí)鐘設(shè)備有著明顯的優(yōu)勢(shì)，并且可廣泛應(yīng)用于對(duì)時(shí)統(tǒng)精度較高的行業(yè)中。

1 GPS同步授時(shí)系統(tǒng)原理
如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)以Cortex-M3為內(nèi)核的ARM微處理器STM32f103rbt6為核心，并采用瑞士U-Blox公司NEO-5Q GPS數(shù)據(jù)接收模塊接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，微處理器從衛(wèi)星數(shù)據(jù)中提取標(biāo)準(zhǔn)UTC時(shí)間碼同時(shí)將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)北京時(shí)間碼傳輸給本地計(jì)算機(jī)，最后由上位機(jī)授時(shí)軟件對(duì)本地計(jì)算機(jī)進(jìn)行校時(shí)，完成授時(shí)過程。

1．1 ARM微處理器STM32f103rbt6
STM32f103rbt6是意法半導(dǎo)體公司一款基于Conex-M3內(nèi)核的32位微控制器，它主要應(yīng)用于智能儀表、變頻器、工控網(wǎng)絡(luò)、高端家電和操作界面等領(lǐng)域。STM32f103系列微控制器開發(fā)簡(jiǎn)單，有豐富的語句代碼庫(kù)，與ARM7TDMI相比運(yùn)行速度最多可快35％且代碼最多可省45％。綜合考慮選用了此款微控制器為本系統(tǒng)的核心。
該微控制器特點(diǎn)如下：
1)Cortex-M3內(nèi)核、哈佛總線結(jié)構(gòu)(可達(dá)90 DMIPS)；
2)20 K字節(jié)的SRAM，128 K字節(jié)的Flash；主頻72 MHz，可在系統(tǒng)編程；
3)帶喚醒功能的低功耗模式、內(nèi)部RC振蕩器、內(nèi)置復(fù)位電路；
4)在待機(jī)模式下，典型的耗電值僅為2μA，非常適合電池供電的應(yīng)用；
5)3個(gè)16位通用的定時(shí)器，1個(gè)系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)器：24位自減型。
1．2 NEO-5Q GPS接收模塊
本系統(tǒng)選用較低功耗的NEO-5Q GPS超小型衛(wèi)星接收模塊，此芯片為多功能獨(dú)立型GPS模組，以ROM為基礎(chǔ)構(gòu)架，成本低，體積小，最多可搜尋32個(gè)衛(wèi)星頻道，能夠從接收到的信息中提取并輸出2種時(shí)間信號(hào)：一是脈沖信號(hào)1PPS，其脈沖前沿與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的同步誤差不超過1μs；二是經(jīng)串口輸出的時(shí)間信息，它在1PPS脈沖之間給出，用來說明一個(gè)1PPS脈沖對(duì)應(yīng)的UTC時(shí)間(年、月、日、時(shí)、分、秒)。NEO-5Q有UART和USB2．0兩種接口，數(shù)據(jù)全速傳輸可達(dá)12 Mbit／s，具有高精度時(shí)間信號(hào)、在惡劣環(huán)境下持續(xù)工作的優(yōu)點(diǎn)，可以達(dá)到系統(tǒng)要求。