高精度 GPS 同步时钟设计
GPS卫星同步单片机高精度时钟的设计和实现
GPS卫星同步单片机高精度时钟的设计和实现摘要AT89S52是Atmel公司生产的低功耗高性能CMOS 8位单片机，具有8Kbit在系统可编程（In-System Programmable，ISP）的闪存程序存储器（Flash ROM）。
兼容Intel80C51指令集和针脚定义。
笔者采用此单片机的ISP特性，寻求到了低成本且简便的单片机程序开发仿真系统。
能够在寝室搭接简单的电路并且在不用把单片机从目标电路板上取下既可对单片机进行编程。
而且AT89S52是采用Flash ROM，所以擦写速度快，可重复擦写次数多，从而大大缩短了仿真调试程序的周期。
GPS（Global Position System）即全球定位系统，是美国国防部研制的全球高精度定位授时系统。
也是目前民用范围内最成熟廉价定位授时方案，其授时功能被广泛用于电力、广电系统中。
本设计主要在于通过成品GPS模块连接单片机解调提取其中的卫星同步时间信号，通过相应的I/O接口发送到带字符库的点阵液晶屏显示。
硬件部分比较简单：单片机组成最小系统后，GPS模块通过串口与其连接，其P0口连接液晶的数据线、其P1.1-P1.3连接液晶屏的控制线。
在此之前还完成了PC打印口ISP下载线的制作。
程序采用C语言编写，其兼容性好，比较适合编写逻辑结构复杂较长的单片机程序。
整个程序可分为：单片机初始化、判断有无GPS模块输出信号、时间数据的判断和解调、液晶屏显示驱动子程序等。
PC端使用了Keil公司的uVision2单片机仿真开发软件，其界面友好，模拟仿真功能强大，在调试时，可以观察的单片机参数多，是一款非常理想的单片机开发软件。
PC端的ISP下载线测试控制软件是采用的长沙理工大学同行编写的Easy 51Pro v2.0宇宙版，其适应能力强，使用灵活，并且附有详细的ISP下载线制作资料，很容易和自作的ISP下载线配合使用，组建廉价、方便的硬件仿真系统。
关键词：GPS 单片机在系统可编程串口通信点阵液晶目录摘要...................................................................................................ⅠAbstract.............................................................................................Ⅱ绪论 (1)1 总体设计………………………………………………………………………………31.1总体方案论证与基本原理…………………………………………………………31.1.1方案比较及确定…………………………………………………………………31.1.2有关全球定位系统及其接收设备输出NMEA-0183语句说明…………………41.2各单元选用…………………………………………………………………………111.2.1 GPS模块的选用…………………………………………………………………111.2.2单片机选用………………………………………………………………………151.2.3显示器的选用……………………………………………………………………162硬件设计及制作……………………………………………………………………182.1 GPS接收天线的设计………………………………………………………………182.2GPS模块LEA-5H的介绍…………………………………………………………202.2.1GPS模块LEA-5H的性能指标…………………………………………………202.2.2GPS模块LEA-5H的I/O接口和内部框图……………………………………212.3单片机AT89S52的介绍……………………………………………………………222.3.1单片机AT89S52的基本特性介绍及性能指标…………………………………222.3.2单片机AT89S52的新功能说明…………………………………………………222.3.3单片机AT89S52的引脚定义和内部框图………………………………………232.4液晶显示器LCD1602A的介绍……………………………………………………232.4.1液晶显示器LCD1602A的简介…………………………………………………232.4.2液晶显示器LCD1602A的引脚定义和脉冲参数………………………………252.4.3液晶显示器LCD1602A的典型应用电路………………………………………272.5系统电路框图及其整体原理图……………………………………………………272.6开发环境硬件部分的介绍和制作…………………………………………………282.6.1直流稳压电源的设计和制作……………………………………………………282.6.2在系统可编程下载线的介绍和制作……………………………………………292.7系统硬件的总装……………………………………………………………………323软件设计……………………………………………………………………………343.1 GPS模块LEA-5H的I/O接口数据流时序说明…………………………………343.2单片机AT89S52对液晶显示器LCD1602A软件控制及其相关…………………353.2.1液晶显示器LCD1602A寄存器的读写命令及其时序…………………………353.2.2液晶显示器LCD1602A 编码字符对应表.............................................383.3开发环境软件部分的介绍和使用.........................................................373.3.1汇编、连接、调试集成开发环境Keil uVision2的介绍...........................373.3.2在系统可编程下载线测试软件和应用程序的介绍.................................383.4单片机程序的设计...........................................................................403.4.1总程序流程图...........................................................................403.4.2单片机AT89S52与GPS模块LEA-5H串行通信程序..............................433.4.3GPS 模块LEA-5H输出NMEA-0183格式的解码和转换........................483.4.4液晶显示器LCD1602A的显示程序...................................................553.4.5系统整体程序 (584)系统调试 (71)结论 (7)5致谢 (7)6参考文献…………………………………………………………………………………77附录1……………………………………………………………………………………792.4.2 液晶显示器LCD1602A的引脚定义和脉冲参数………………………………252.4.3液晶显示器LCD1602A的典型应用电路………………………………………272.5系统电路框图及其整体原理图……………………………………………………272.6开发环境硬件部分的介绍和制作…………………………………………………282.6.1直流稳压电源的设计和制作……………………………………………………282.6.2在系统可编程下载线的介绍和制作……………………………………………292.7系统硬件的总装……………………………………………………………………323软件设计……………………………………………………………………………343.1 GPS模块LEA-5H的I/O接口数据流时序说明…………………………………343.2单片机AT89S52对液晶显示器LCD1602A软件控制及其相关…………………353.2.1液晶显示器LCD1602A寄存器的读写命令及其时序…………………………353.2.2液晶显示器LCD1602A 编码字符对应表.............................................383.3开发环境软件部分的介绍和使用.........................................................373.3.1 汇编、连接、调试集成开发环境Keil uVision2的介绍...........................373.3.2在系统可编程下载线测试软件和应用程序的介绍.................................383.4单片机程序的设计...........................................................................403.4.1总程序流程图...........................................................................403.4.2单片机AT89S52与GPS模块LEA-5H串行通信程序..............................433.4.3GPS 模块LEA-5H输出NMEA-0183格式的解码和转换........................483.4.4 液晶显示器LCD1602A的显示程序...................................................553.4.5系统整体程序 (584)系统调试 (71)结论 (7)5致谢 (7)6参考文献…………………………………………………………………………………77附录1……………………………………………………………………………………792.4.2 液晶显示器LCD1602A的引脚定义和脉冲参数………………………………252.4.3液晶显示器LCD1602A的典型应用电路………………………………………272.5系统电路框图及其整体原理图……………………………………………………272.6开发环境硬件部分的介绍和制作…………………………………………………282.6.1直流稳压电源的设计和制作……………………………………………………282.6.2在系统可编程下载线的介绍和制作……………………………………………292.7 系统硬件的总装……………………………………………………………………323软件设计……………………………………………………………………………343.1 GPS模块LEA-5H的I/O接口数据流时序说明…………………………………343.2单片机AT89S52对液晶显示器LCD1602A软件控制及其相关…………………353.2.1液晶显示器LCD1602A寄存器的读写命令及其时序…………………………353.2.2液晶显示器LCD1602A 编码字符对应表………………………………………383.3开发环境软件部分的介绍和使用.........................................................373.3.1汇编、连接、调试集成开发环境Keil uVision2的介绍...........................373.3.2在系统可编程下载线测试软件和应用程序的介绍.................................383.4单片机程序的设计...........................................................................403.4.1总程序流程图...........................................................................403.4.2单片机AT89S52与GPS模块LEA-5H串行通信程序..............................433.4.3GPS 模块LEA-5H输出NMEA-0183格式的解码和转换........................483.4.4液晶显示器LCD1602A的显示程序...................................................553.4.5系统整体程序 (584)系统调试 (71)结论 (7)5致谢 (7)6参考文献.............................................................................................77附录1 (79)。
基于gps的标准时钟设计
三峡大学毕业论文基于GPS的标准时钟设计姓名：郭诗灿专业：光信息科学与技术指导老师：郑胜2010146167摘要近几年来，随着科学技术的进步和时代的发展，人们对时间精度提出了越来越高的要求，特别是在国防、科研及电力、铁道、交通、航海等方面，所以，研制高精度的标准时钟系统已越来越重要。
全球定位系统（GPS）标准时钟的应用也越来越广泛，人们正在探索利用它卓越的时间同步性能开发电力系统监测、保护和控制的各种新方法。
本论文阐释了GPS 全球定位系统及其授时原理，研究了GPS 标准时钟系统的结构，并结合目前的市场需求及实际应用研究并设计一种GPS 标准时钟系统。
本论文所研究的GPS 标准时钟系统主要包括GPS 接收机模块，GPS 天线以及核心控制系统。
其中，GPS 接收机采用了高性能的GPS OEM 板，而核心控制系统是这个系统设计的核心部分，包括硬件系统和软件系统。
它实现了通过串口对GPS 时间信息的提取、在点阵液晶显示屏上显示时间信息及特定参数、通过串口将时间信息转换成约定的格式输出、利用可编程逻辑阵列并结合单片机产生1PPM 和1PPH 信号、测量市交流电的工频频率以及周波时钟等功能。
经过实验证明，本文所设计的GPS 标准时钟系统在秒脉冲、分钟脉冲以及小时脉冲的输出精度，将时间信息进行扩展输出，电磁兼容性，稳定性等方面都达到了设计任务要求的性能指标。
该GPS 标准时间扩展时钟系统广泛应用于电力系统，大、中、小型计算机网络系统，数据采集系统，环境监控系统，铁路系统，交能系统，广播电视系统，以及其他需要精准标准时钟的民用和军用领域。
关键词：GPS，标准时钟，周波时钟AbstractIn recent years, with the scientific and technological progress and the development of the times, people have time to the accuracy of the growing demands, particularly in national defense, scientific research and electricity, railway, transport, navigation and soon, so the development of high-precision Standard clock system has become increasingly important. Global Positioning System (GPS) Application of the standard clock more and more widespread, people are exploring the use of its excellent time synchronization of the development of the power system monitoring, protection and control of the various new methods.This paper explained the GPS global positioning system and its delegate at the principle, the standard clock on the GPS system structure, combined with current market demand and practical application of research and design a GPS clock synchronization system. The research paper by the expansion of GPS synchronized time clock system includes GPS receiver module, GPS antenna and the core control system. Which, GPS receivers used a high-performance GPS OEM board, and the core of this control system is the core of the system design, including hardware and software systems. It achieved a time through the serial port on the GPS information from the dot-matrix LCD display information and time-specific parameters, time information through the serial port will be converted to the format of the output agreement, the use of programmable logic arrays combined with single -Machine-generated 1 PPM and 1 PPH signal, AC measurement of the city and the frequent rate cycle clock, and other functions.After that experiment, the paper designed to expand the GPS time synchronization system clock pulse in the second, minute and hour pulse of the pulse output accuracy and time information to expand output, electromagnetic compatibility, stability and so on up to the design requirements of the mandate Performance indicators. The expansion of GPS standard time clock system widely used in power systems, large, medium and small computer network systems, data acquisition system, environmental control system, the railway system, will pay systems, radio and television broadcasting systems, and other needs of the civilian precision clock synchronization and Military fields.Key words: GPS, synchronous clock, the clock cycle1 绪论1.1 课题背景全球定位系统GPS(Global Position System)是一个基于卫星技术的全天候、被动式无线电导航、定位、授时系统。
GPS高精度的时钟的设计和实现
GPS高精度的时钟的设计和实现GPS（全球定位系统）是一种基于卫星的导航系统，可以提供非常精确的时间信息。
GPS时钟是通过接收卫星信号并精确计算其到达时刻来获得高精度的时间。
以下是GPS高精度时钟的设计和实施的详细说明。
设计：1.GPS接收器选择：选择高灵敏度和高性能的GPS接收器。
这将确保接收器可以在较差的信号情况下也能正常工作，并提供高精度的时间信息。
2.天线设计：选择一种高质量的GPS天线，以确保接收器能够有效地接收卫星信号。
通过使用高增益的方向性天线，可以提高信号接收的灵敏度。
3.时钟电路设计：设计一个高精度的时钟电路，以确保时间计算的准确性。
该电路可以采用晶体振荡器作为基准时钟源，并使用锁相环（PLL）控制电路来调整和稳定时钟频率。
4.数据处理和计算：GPS接收器会接收到卫星发送的精确时间和位置信息。
使用计算机或微控制器来接收和处理这些数据，并使用GPS接口协议来解码和计算时间。
确保使用高速和高效的计算方法来确保高精度的时间计算。
实施：1.安装天线和接收器：将GPS天线安装在一个高处，远离任何可能导致信号干扰的物体，例如建筑物或大型金属结构。
将接收器连接到天线，并确保信号连接良好。
2.启动接收器和计算设备：启动GPS接收器，并将其连接到计算设备（计算机或微控制器）。
确保设备之间正确配置和通信，以便正确接收和处理GPS数据。
3.数据接收和处理：接收器将开始接收卫星信号，并获取精确的时间和位置信息。
计算设备将接收并处理这些数据，并根据计算算法计算出高精度的时间。
确保实现高速和高效的数据处理和计算方法。
4.时间校准和稳定：根据计算的高精度时间信息，调整时钟电路的频率，并保持其稳定。
使用锁相环控制电路可以自动调整频率。
定期校准电路，以确保准确性和稳定性。
5.系统测试和验证：对GPS高精度时钟进行系统测试和验证，以确保其在不同环境条件下的准确性和稳定性。
使用其他时间参考源（如国家精确时间源）进行对比测试，并进行校准和调整。
北斗GPS双模高精度时间同步系统设计研究
北斗 GPS双模高精度时间同步系统设计研究摘要：文章对利用北斗GPS双模所设计时间同步系统进行了介绍，本系统在充分融合先进技术的基础上，通过模块化设计的方式，增加了平台所输出信号的数量、种类和精确度。
事实证明，本系统的成功研发，使产品功能较少的局面被打破，通过为移动通信等领域及设备提供所需参考信号的方式，使时钟同步相关需求得到最大限度的满足，为行业乃至整个社会的发展助力。
关键词：高精度；北斗GPS双模；时间同步系统前言：近几年，移动通信对同步高精度时间所提出需求较过去更高，基于GPS系统所制定解决方案，由于需要将GPS模块加装于基站内部，极易出现被环境因素干扰或精度降低的问题，无法为整网安全运行提供保证。
由我国科研人员所设计北斗卫星，其核心功能为精密授时、快速定位和双向通信，其中，授时为定位及通信提供了技术支持，可使授时需求得到最大程度满足。
由此可见，基于北斗卫星对原有同步系统加以改进势在必行。
1时间系统介绍1.1模块构成本系统的构成模块有①人机接口②电源模块③同步模块④输出模块，上述模块均经由时钟总线进行连接，考虑到互联模块数量较多，研究人员决定对I2C控制总线加以运用，与此同时，向功能模块传送TFDE所提供信号。
下文将对各模块功能做详细说明，供相关人员参考：1.1.1人机接口人机界面的作用，主要是确保有状态显示需求或人工干预必要的任务可顺利完成。
1.1.2电源模块作为向总线连接模块提供运行所需电力能源的主体，电源模块所提供稳定电压，以5V、9V以及12V较为常见。
1.1.3同步模块接收机、接收引擎均属于同步模块，其功能主要是接收相对独立的系统所发出数据及电文，通过解析并计算的方式，获得相应的PPS信号与TOD信号，在将时钟保持所需高稳晶振、铷原子钟驯服的基础上，确保相关信号均可被挂接至时钟总线。
上文所提到铷原子钟，其特点是具有理想可靠性及精度，通过充分结合时间同步、GPS授时等技术的方式，使频率信号更加准确且稳定。
高精度 GPS 同步时钟设计
LPM_DFF
Sec[7..0] RD
Raddr[0]
data[] enable
D at a_out 1[7. . 0]
在目前的时间基准振荡器中，石英晶体振荡器具有高稳定度和低功耗的特点。按指标要 可估算出守时频标的频率准确度应优于 2×10-7,考虑使用环境和功耗要求，采用了高精度，
-1-
低功耗的温补晶振振荡器（TCXO），晶振频率为 10MHZ。
3 守时电路的原理与结构
时间产生电路包括 10Mhz 的守时频标（晶体振荡器）、频率校正电路、10Mhz 分频计 时器、电池四部分。频率校正电路产生精确的校准电压对 10Mhz 频标进行校正。分频计时 器对 10Mhz 频标进行计数，产生本地年，月，日，时，分，秒等时间信息。电池单元对晶 振、频率校正电路、分频计时器供电。整机断电后，时间产生电路的运行靠电池供电。石英 晶体振荡器随着时间老化将产生频率漂移。本方案中采取了频率测量和校正措施，消除 10Mhz 频标的频率漂移对守时精度的影响。本地守时电路结构如下图[5]。
2.2 守时系统指标参数选择
综合考虑系统时钟信号的频率稳定度和功耗等方面的因素，我们采用高稳定，低功耗 10Mhz 晶振作为本地守时频标。这样测试终端可以达到在 2 个月不开机情况下，时间漂移 小于 1s 的要求，另外用户终端具有靠电池维持工作的低功耗守时单元。通过对 10Mhz 信号 分频计数，产生时间信息[4]。本地钟由导航电文得到，也可以通过外部时间码和 1PPS 信号 对本地时间初始化。
基于FPGA的GPS的时钟同步毕业设计
摘要本文在综合分析基于GPS的标准定时系统应具备的主要功能和FPGA特点的基础上，提出了一种基于GPS的标准定时系统设计方案，实现了高精度时间信号和时、分、秒同步脉冲的输出，时间信息的显示等功能。
FPGA作为系统核心提高了数据的处理速度和同步精度。
本设计采用FPGA作为GPS同步时钟装置的控制和数据处理核心，取代目前应用较多的以单片机为核心的控制和数据处理单元，在减小系统体积、降低开发和维护成本以及提高系统稳定性的同时，通过对设计的优化，加快了数据的处理速度，提高了同步精度，并实现了秒脉冲在GPS失步时的平滑切换，有着重要的应用价值。
同时，基于FPGA的设计也使系统实现了小型化的目标，提高了系统稳定性，并使维护和升级更加方便。
通过时序仿真和分析验证，基于FPGA的设计方案完全能够满足GPS同步时钟对于较高的同步精度的要求。
FPGA芯片总的逻辑单元占用情况为系统升级预留了较多的资源。
以此设计作为平台，根据不同的应用要求，可以方便地扩展出不同的功能单元，比如网络授时接口、IRIG-B编码输出等更多形式的输出模块。
关键词：可编程逻辑门阵列、全球定位系统、时钟AbstractThe comprehensive analysis of the standard GPS-based timing system should have the main functions and features based on the FPGA, this paper, a standard GPS-based timing system design to achieve high-precision time signal and the hours, minutes, seconds synchronization pulse output, the time information display. FPGA as the core of the system improves the data processing speed and synchronization accuracy.This design uses FPGA devices as GPS synchronized clock control and data processing core, more to replace the current application as the core MCU control and data processing unit, and reduce system size, reduce development and maintenance costs and increase system stability Meanwhile, the optimization design to speed up data processing speed, improve the synchronization accuracy, and achieve a second pulse in the GPS when the smooth-step switch, has an important value. At the same time, FPGA-based design also makes the system to achieve the goal of miniaturization, improved system stability, and to maintain and upgrade more convenient.Verified by timing simulation and analysis, the design of FPGA-based fully able to meet the GPS synchronized clock synchronization for high accuracy requirements. FPGA chip, the logical unit of total occupancy for the system set aside more resources to upgrade. This design as a platform, according to different application requirements, you can easily expand the functions of different units, such as network time service interfaces, IRIG-B code output, more forms of output module.Keywords: FPGA, GPS,clock目录摘要.................................................................................................................. I Abstract ............................................................................................................... II 1绪论.. (1)1.1课题研究背景 (1)1.2课题研究的目的和意义 (3)1.3 论文章节安排 (3)2 系统技术平台简介 (5)2.1 FPGA概述 (5)2.2 GPS概况 (9)2.3 RS-232标准串行接口总线 (12)3 统硬件设计 (15)3.1 系统硬件设备 (15)3.2 系统设计总体框图 (15)3.3分块设计说明 (16)4 标准定时系统的软件设计 (22)4.1软件设计原理 (22)4.2 程序分析 (25)总结 (29)致谢 (30)参考文献 (31)附录 (32)1绪论1.1课题研究背景基于GPS的标准定时系统是在综合分析GPS同步时钟应具备的主要功能和FPGA 特点的基础上提出的，能够实现UTC时间与北京时间的转换、显示等功能。
高精度GPS时钟同步算法研究
高精度GPS时钟同步算法研究随着科技的迅速发展，网络通信越来越普及，各种网络应用的使用也愈发广泛，如电子商务、数据备份、实时视频会议和在线游戏等。
这些应用对于同步时间要求十分严格，传输时间偏差过大会造成数据的丢失、错误等现象，从而影响用户体验，因此，时间同步一直是网络通信的重要问题之一。
高精度GPS时钟同步算法作为一种时间同步方式，受到了广泛的关注和研究。
一、高精度GPS时钟同步算法的基本原理高精度GPS时钟同步算法是通过利用GPS卫星信号的精度高和稳定性强来精确计算本地时钟与GPS标准时钟之间的偏差。
具体来说，通过接收GPS卫星发射的位置和时间信号，利用卫星时钟精度高的特点，计算出卫星信号传输的时间差，再结合GPS接收机的本地时钟信息，从而得出本地时钟与GPS标准时钟之间的误差，进而对本地时钟进行校准，达到同步的目的。
二、高精度GPS时钟同步算法存在的问题尽管高精度GPS时钟同步算法具有精度高、准确性强、稳定性好等优点，但在实际应用中，还存在一些问题需要解决。
1. GPS信号的遮挡和干扰问题。
GPS卫星信号容易受到天气、建筑物、电磁干扰等因素的影响，从而产生误差，导致时钟同步不准确。
2. GPS设备的价格昂贵。
高精度GPS设备需要具备高精度、高稳定性和高抗干扰能力等特点，而这将增加设备的成本，因此，设备成本高是使用高精度GPS时钟同步算法面临的挑战之一。
3. 时钟漂移问题。
即使高精度GPS设备本身的时钟非常准确，随着时间的推移，设备时钟也会出现漂移现象，导致时钟同步误差逐渐增大。
三、解决高精度GPS时钟同步算法存在的问题为解决高精度GPS时钟同步算法存在的问题，需要采用一些有效的方法。
1. 增加GPS接收机的数量和分布区域。
为解决GPS信号遮挡和干扰问题，可以增加GPS接收机的数量和分布区域，通过多个接收机位置的计算来减少误差，从而提高时钟同步精度。
2. 利用其他同步协议，配合使用。
为降低设备成本，可以将高精度GPS时钟同步算法与其他同步协议配合使用，如NTP、PTP等。
具有GPS时间同步功能的高精度数字钟的设计
GPS(global position system)是美国研制的导航、授时和定位系统。
GPS 时钟已成为世界上传授范围最广、精度最高的时间发布系统之一,GPS 接收机接收到的GPS 时钟与国际标准时间(UCT-universal co-or⁃dinated time)保持高度同步[1-2]。
时间同步技术对于电力系统的正常运行和故障诊断都起着至关重要的作用。
特别是在故障测距和继电保护等领域,时间和同步的精度将直接影响最后的分析结果[3]。
当前的数字钟普遍采用晶振时钟计数显示北京时间,存在较大的累计误差。
时钟误差过大很难在对时钟精度高和稳定性要求高的电力系统中得到应用。
为了解决普通时钟存在的低精度问题,采用FPGA 技术,设计了具有高精度的数字钟,该方法可以消除晶振的累计误差,得到和GPS 同步的时钟信息和高精度的秒脉冲。
同时,该方法在一个芯片内完成,具有简单实用、体积小、功耗低的优点,具有较强的抗干扰性。
该设计方案在以Altera 的EP4CE6F17C8为核心器件的硬件平台上得到验证。
1基于FPGA 的整体实现方案实现高精度的数字钟,需要提取出来GPS 接收机发送出来的IRIG-B(DC)码中包含的时间信息,主要包含小时、分钟和秒信息,同时提取出高精度的秒脉冲信号。
提取出来的时间信息再通过显示模块输出到对应的数码管。
显示控制模块包含三部分:控制模块、扫描模块和译码模块。
硬件中数码管采用共阳接法,动态显示数据。
整体硬件功能示意图如图1所示。
图1整体硬件功能示意图Fig.1Overall hardware function diagram具有GPS 时间同步功能的高精度数字钟的设计吕念芝,肖志雄(福州理工学院工学院,福建福州350001)摘要:针对当前电力系统广泛应用的IRIG-B 时间码,提出一种基于现场可编程门阵列(field-programmable gatearray,FPGA)的具有GPS 对时功能同时输出高精度秒脉冲的数字钟的设计方案。
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低功耗的温补晶振振荡器（TCXO），晶振频率时间产生电路包括 10Mhz 的守时频标（晶体振荡器）、频率校正电路、10Mhz 分频计 时器、电池四部分。频率校正电路产生精确的校准电压对 10Mhz 频标进行校正。分频计时 器对 10Mhz 频标进行计数，产生本地年，月，日，时，分，秒等时间信息。电池单元对晶 振、频率校正电路、分频计时器供电。整机断电后，时间产生电路的运行靠电池供电。石英 晶体振荡器随着时间老化将产生频率漂移。本方案中采取了频率测量和校正措施，消除 10Mhz 频标的频率漂移对守时精度的影响。本地守时电路结构如下图[5]。
高精度 GPS 同步时钟设计
王伟
武汉理工大学 信息学院，武汉（430070）
E-mail: zgkjww@
摘 要：本文提出了一种基于专用的 RTC(Real-Time Clock 实时时钟)芯片的高精度守时电路 的设计方案，并且把其应用到 GPS 自主导航用户机上。守时电路采用 GPS 导航电文校时与 实时守时模块相结合，采用模块化、同步化设计；在实际应用中，导航电文中精确的时间信 息可以对守时模块的时间进行设定和修改。结合高精度的石英晶体振荡器，该守时模块达到 了设计的预期目标，合乎 GPS 用户机高精度守时的需要。 关键词：GPS；RTC；高精度守时电路 中图分类号：TN911
守时模块由三个大模块构成，分别为主计时模块，输入输出时钟数据模块，译码模块， 所有的模块都采用同步设计,采用 Clockin 来同步。
3.1 主计时模块
主计时模块由 9 个功能模块组成。10Mhz 时钟信号（周期为 100ns）首先经过 10 分频 产生计时 us 模块的进位，经过第二个模块产生计时 ms 模块的进位，并计时得出 us 值，经 过第三个模块产生 s 的进位，并计时得出 ms 值。依次经过秒，分，时，日，月，年模块得 出所需的进位及其时间。
2 相关技术概述
2.1 GPS 本地守时电路解决方案概述
为了能够输出高精度和高稳定性的时钟，目前国内外产品普遍采用的方法是：用 GPS 时 钟信息来同步（校正）本地钟（原子钟、晶振时钟）：正常运行时，由卫星接收机通过捕获 GPS 信号、定位解算来获得 GPS 系统的时钟信息，并用于校正本地钟，使本地钟保持与 GPS 系统时间的同步；当 GPS 信号不稳定时，由本地钟负责维持时钟信号的输出，直到 GPS 信号重新稳定并再次获得 GPS 的时钟信息后，回到正常运行状态[3]。
Raddr【1】作为 LPM_DFF 的使能，并同时作为给模块置数的异步控制端。置 数的同时应该给 WD 一个上升沿信号。 5） 之后在 in_out_data[23:0]是所得的日，月，年的时间信息。
LPM_DFF
Sec[7..0] RD
Raddr[0]
data[] enable
D at a_out 1[7. . 0]
5 结论
本文根据 GPS 时钟与晶振时钟精度互补的特点, 提出了一种高精度的守时方案，即通 过精确测量晶振时钟工作频率,对晶振时钟可调分频,产生高精度、高稳定度的同步时钟。本 设计基于系统化的设计思想，对整个电路进行了合理的模块划分，易于集成到应用系统中。 该同步时钟已应用 GPS 中,不仅在 GPS 正常时能够与 GPS 时钟保持高度同步,而且在 GPS 失 效时仍能稳定工作,为实现精确、可靠的实时授时奠定了坚实基础。本文同时还给出了一种 实时守时电路设计的新方法，该设计也适用于其他需要高精度同步时钟的各种工业应用领域, 具有良好的应用前景。
本文提出了一种基于低功耗 CPLD 的高精度守时电路设计方案，整个守时模块采用模 块化设计，各实时分频计时子模块采用可综合的 VerilogHDL 语言编写，对各子模块进行功 能和时序仿真，在实际应用中，用户机接收的导航电文中精确的时间信息可以随时被用于调 整和设定守时模块的时间[2]，配合高精度的石英晶体振荡器，该守时模块达到了预期的设计 目标。
Design of High Accuracy Gps Synchronization Clock
Wang Wei
College of Information Engineering,Wuhan University of Technology, Wuhan（430070）
Abstract In this paper,a new design of high accuracy synchronization clock is proposed for navigation user machine of Gps,which is based on the special Real-Time Clock chips.The time of navigation user machine can be regulated by navigation information and real punctual module.It adopts modular and synchronous design. In practice, time in navigation information can regulate and adjust time of punctual bination of high accuracy quartz crystal oscillators,the punctual module achieves the desired objective of the design.High precision GPS users in line with the need for punctuality. Keywords: GPS; RTC;high accuracy punctual module
q[]
inst2
-5-
Raddr[0] Data_out1[7..0]
TRI inst
图 5 输出模块图
in_out_data[7..0]
4 守时电路系统调试与实现
在把守时电路各部分模块分别搭建完成后，在顶层模块中调用根据不同功能而编写的子 模块，进行功能仿真、测试完毕后，将守时模块硬件工程下载到低功耗 CPLD 中。本设计基 于系统化的设计思想，对整个电路进行了合理的模块划分。在守时模块的设计中运用了硬件 描述语言以及 modelsim 进行了仿真，综合，适配，下载，最后在 Xilinx 公司的 XC2S100 芯 片上实现，实现了设计要求。目前该守时电路已经应用到导航用户机中，通过与导航定位主 机联调测试，误差为两个月偏差小于一秒，满足高精度守时的要求。
Data[7:0] 加载的时钟数据线，输入的时间数据采用 BCD 编码。
In_carry 前一个模块的进位信号。
Leapyear 计年模块的反馈输入，以确定是闰年还是平年。
Month[7:0] 计月模块的反馈输入，以确定现时间处在哪个月。
Aclr1 异步清零端，高电平使 cnt[7:0]，out_carry 清零。
2.2 守时系统指标参数选择
综合考虑系统时钟信号的频率稳定度和功耗等方面的因素，我们采用高稳定，低功耗 10Mhz 晶振作为本地守时频标。这样测试终端可以达到在 2 个月不开机情况下，时间漂移 小于 1s 的要求，另外用户终端具有靠电池维持工作的低功耗守时单元。通过对 10Mhz 信号 分频计数，产生时间信息[4]。本地钟由导航电文得到，也可以通过外部时间码和 1PPS 信号 对本地时间初始化。
1 引言
近年随着卫星技术的发展，全球定位系统（Global Positioning System-GPS）也越来越广 泛的渗透进了大众的生活，手持以及车载 GPS 的普及化发展让这个几年前还比较神秘的产 品与人们的生活息息相关起来，GPS 是具有高精度、全天候、多功能、并且拥有全球覆盖 能力的导航系统，该系统不但在导航定位以及测量方面有着广泛的应用，在精确授时方面也 是目前全世界都广泛采用的重要方式[1]。在电力系统，电视广播播出系统中，为取得通信网 络的同步，GPS 授时系统也得到了大量的应用。
时间输出
实时守时
电
模块
源
时间输入
模
块
及
10MHZ 频
电 池
标
模
块
频率校正
图 1 本地守时电路结构图
频率测量电路通过 1PPS 信号对 10Mhz 信号计数进行，1pps 信号通过整机外部输入。 为保证测量的精度，可加长 10Mhz 信号的计数时间，并对计数结果进行平滑处理。当测量 守时频标的频率准确度在 1×10－7 以内时，不启动频率校正电路。
3.3.1 输入
在给计时模块计时置数之时，首先应给月，年赋值。每次置 16 位数，时间分 3 次注入。
1） 置数据整体月，年时首先给 Aclr1 置 1，将计时模块清 0。 2） 给 Addr【2：0】赋值 011 经过译码器产生的 Waddr【3】作为 LPM_DFF 的使
能，并同时作为给计时模块置数的异步控制端，这个异步控制端需要延迟一个 LCELL。 3） 置数的同时应该给 WD 一个上升沿信号。以确保置入的数据加载到计时模块。 4） 置秒，分，小时，日同样。
下面以一个模块来说明计时模块的输入输出端的说明：
-2-
clockin w[2]
D at a_in4[ 7. . 0]
f div 28_30_31
dat a[ 7. . 0] aload clkin in_carry leapy ear m ont h[ 7. . 0] aclr2
inst4
out_carry cnt[7..0]
D ay [ 7. . 0]
Aclr1
输入端口：
图 2 计时模块
clkin 10M 基准时钟的输入，起到使各个模块同步的作用，有使用在 CPLD 中的实现。