引 言
    長期以來，學(xué)校、工廠等單位常用的打鈴儀多采用單片機計時，計時誤差每天達0．5 s，日積月累走時誤差會達數(shù)分鐘，甚至十多分鐘，給管理造成不便。近幾年來，高校、企業(yè)規(guī)模不斷擴大，多校區(qū)、多廠區(qū)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(qū)、多廠區(qū)的上下課、上下班鈴聲保持同步，可實際情況因現(xiàn)有打鈴儀走時誤差而極難同步。本文提出的基于GPS信號接收和PIC單片機的智能打鈴儀，走時精確，誤差極小。只要多校區(qū)、多廠區(qū)的企事業(yè)單位的響鈴時間設(shè)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(shè)計
    本文介紹的打鈴儀電路結(jié)構(gòu)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(gòu)成。



1．1 GPS接收電路
    GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))是美國從20世紀70年代開始研制的，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成；是具有在海、陸、空進行全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS具有全天候、高精度、自動化、高效率等顯著特點，具有定位導(dǎo)航、授時校頻、精密測量等多方面的強大功能。
    本設(shè)計方案是利用GPS接收電路接收解調(diào)GPS信號，從中提取時間信號作為打鈴儀的時間基準。因GPS信號中的時間是由銫原子鐘產(chǎn)生的，時間精度極高，故而可使打鈴儀的計時精度很高，計時誤差遠小于1 s。GPS接收電路如圖2所示，由GPS天線和GPS模塊組成。



    GPS天線將1 575．42 MHz的高頻信號接收下來，送往GPS模塊進行低噪聲放大、變頻轉(zhuǎn)換為中頻信號；中頻信號經(jīng)采樣、量化后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號；數(shù)字中頻信號進入相關(guān)通道，經(jīng)過處理后，解譯出導(dǎo)航電文；GPS模塊內(nèi)微處理器接收導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)，并進行相應(yīng)處理后串行輸出定位、時間、速度等信息。
    GPS模塊采用GS-312。該模塊內(nèi)的基帶處理采用SiRF公司的Star III架構(gòu)芯片組。該芯片組配備20萬個相關(guān)器，具有-159 dBm的接收靈敏度，且功耗低。該模塊的各個引腳功能如表1所列。



    GS-312的8腳應(yīng)當外接電池。如不接電池，當系統(tǒng)主電源斷電后重新上電時，GS-312為冷啟動，其初次接收GPS信號并成功輸出定位時間信息最長時間達42 s；若接上電池，當系統(tǒng)主電源斷電后重新上電時，GPS模塊為熱啟動，其初次接收GPS信號并成功輸出定位時間信息僅需1 s。



    在某些使用場合，GPS天線與系統(tǒng)線路板之間距離較遠才能較好地接收到GPS信號，故而采用RS422標準進行較遠距離的GPS解調(diào)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，通過八芯電纜與室內(nèi)主電路的IC1及電源相連。RS422是EIA推薦的“平衡式電壓數(shù)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。它的特點是采用平衡傳送，差分接收方式。其中發(fā)送接收一個信號均用兩條線，而完全不使用信號地，且數(shù)據(jù)傳送更遠，抗干擾能力更強。Maxim公司的MAX488收發(fā)器芯片滿足RS-232、RS-422、RS-485通信標準，該芯片內(nèi)含有1個驅(qū)動器和1個接收器，同時具有低功耗、單+5 V供電、驅(qū)動器過載保護、無需外接元件等特點，其共模輸入電壓范圍為-7～+12 V，因而應(yīng)用廣泛。MAX488的引腳功能如表2所列。
    MAX488通過傳輸線驅(qū)動器把邏輯電平轉(zhuǎn)換為電位差信號以完成初始端的信息傳送，而通過傳輸線接收器把電位差轉(zhuǎn)換為邏輯電平實現(xiàn)終端的信息接收，該傳輸形式能提高系統(tǒng)的抗干擾能力以及傳輸距離。圖2中IC1的驅(qū)動器反相輸出端(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IC1的接收器反相輸入端(7B)和非反相輸入端(8A)接到IC2的驅(qū)動器反相輸出端(6Z)和非反相輸出端(5Y)，從而構(gòu)成一個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RISC指令系統(tǒng)，片內(nèi)資源豐富，內(nèi)含A／D轉(zhuǎn)換器、EEPROM等，使打鈴儀省去外接A／D轉(zhuǎn)換電路和EEPROM芯片，簡化了系統(tǒng)電路。該芯片還支持在線編程，易于進行軟件調(diào)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(gòu)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，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，電池BAT1經(jīng)D2后為單片機和GPS接收模塊供電，以保證系統(tǒng)主電源掉電時系統(tǒng)依然能正常走時，但系統(tǒng)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行A／D轉(zhuǎn)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I／O引腳的內(nèi)部上拉電阻打開。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、分、秒、星期、溫度等信息及系統(tǒng)設(shè)置時的提示信息。



2 打鈴儀軟件設(shè)計
2．1 GPS協(xié)議
    幾乎所有GPS接收模塊的串行輸出數(shù)據(jù)格式都遵循美國國家海洋電子協(xié)會NMEA(National Marine Elec-tronics Association)所指定的標準規(guī)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(xiàn)正廣泛使用。NMEA-0183協(xié)議的數(shù)據(jù)格式為1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個停止位、無奇偶校驗位，波特率為300、600、1 200、2 400、4 800、9 600、19 200；其輸出數(shù)據(jù)為ASCII碼，語句包括GPGGA、GPGLL、GPGSA、GPRMC、GPGSV、GPVTG等，各語句內(nèi)含內(nèi)容各不一樣。含有年月日時分秒數(shù)據(jù)的GPRMC語句輸出格式為：$G-PRMC，<1>，<2>，<3>，<4)，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>。以“LF”表示該幀數(shù)據(jù)結(jié)束。例如：$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(shù)據(jù)讀取
    GS-312每秒更新輸出數(shù)據(jù)1次，可用串口中斷方式讀取。NMEA-0183協(xié)議每一語句內(nèi)含的各個內(nèi)容均以逗號隔開，可以通過判斷逗號的個數(shù)，識別時間數(shù)據(jù)和日期數(shù)據(jù)，其流程如圖4所示。



2．3 主程序設(shè)計
    打鈴儀主程序流程如圖5所示，程序結(jié)構(gòu)采用散轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)抗干擾能力強，程序跑飛能自動重入。按鍵子程序含有長按功能，在設(shè)置響鈴時間時利用按鍵長按功能便于快速設(shè)置。用戶可長按即時響鈴鍵實現(xiàn)即時響鈴功能，以避免誤按響鈴。


3 打鈴儀設(shè)計的注意問題
    天線部分的PCB設(shè)計很重要，它直接關(guān)系到GPS信號的接收效果。本設(shè)計采用的是無源天線，天線接收下來的信號進入GPS模塊的RF引腳之前的一段PCB走線要求具有50Ω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，該波特率滿足需求。GPS模塊GPS-312輸出時間為格林尼治時間，應(yīng)轉(zhuǎn)換為北京時間，即在GS-312輸出時間的小時位加上8。應(yīng)注意，在格林尼治時間的16：00—24：00之問加8后時間格式的轉(zhuǎn)變，同時日期要加1。


結(jié) 語
    采用GPS時間為基準的打鈴儀已經(jīng)批量生產(chǎn)。用戶實用證明，該機走時精確、使用方便、人機交互友好；缺點是在收不到GPS信號的場合，依靠晶振分頻計時與普通打鈴儀一樣存在計時誤差。本設(shè)計采用RS422協(xié)議將GPS接收到的信號進行較遠距離傳送，只要將室外單元放在開闊地，便可較好地解決收不到GPS信號的問題。本方案稍加改進，即可方便地應(yīng)用于走時極為準確的萬年歷或時間控制器。該時間控制器可以方便地實現(xiàn)多機同步控制?？梢?，本方案具有一定的推廣價值。