CN105281859A - 一种基于gps的精确授时方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于GPS的精确授时方法，由GPS模块、MCU微处理器、电源模块及晶振组成。MCU微处理器和GPS模块PPS信号连接的INT引脚中断优先级别设定为最高；MCU微处理器内部有一个同步校准时刻单元，控制信息终端进行时钟同步校准的操作时刻；这个同步校准时刻单元，单位为秒，保存的是获得GPS报文UTC时间值后计算转换的结果，转换公式为：60-GPSUTC秒时间；时钟同步校准的操作时刻是在MCU微处理器中PPS信号中断服务程序中进行的，操作将GPSUTC时间的时分秒赋值给RTC时间的时分秒，同时操作RTC时间的毫秒清零。采用本发明的有益效果是：克服了单纯从GPS报文中解析UTC时钟导致的数百毫秒时间误差，且在不需增加其他辅助设备前提下，每分钟零秒时刻实现RTC时钟和GPSUTC时钟同步，达到较精确的授时效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种授时领域，特别是一种基于GPS的精确授时方法。
背景技术
随着科学技术的发展，各行各业对时间的精确要求越来越高，如航空航天、深空通讯、信息高速公路、导航通信、电力传输等。GPS接收机通过解码卫星信号输出准确的同步时标PPS信号及NMEA-0813协议报文（报文中包含了UTC时间、位置等信息），随着GPS接收机集成度越来越高，价格越来越低，采用GPS接收机作为信息终端精确授时的技术路线已是本领域常用的技术手段，即在精度要求不高的应用场合，仅解析其输出的NMEA-0813协议报文获得UTC时间（此方案时间误差有数百毫秒）。
通常，PPS信号精度可达到纳秒级，NMEA-0813协议报文是在产生高电平PPS信号并保持100ms时长后输出的，在授时精度要求较高的应用场合，往往采用结合PPS信号或其他辅助手段等来实现精确授时。如专利01134726.0提供了一种GPS卫星授时遥测地震仪，实现同步数据测量、记录，同步定时起爆等；2002年12月曾祥君、尹项根、K.K.Li等在《中国电机工程学报》发表《GPS时钟在线监测与修正方法》，详细分析说明了GPS时钟误差的影响因素，并指出推广GPS时钟在重要工业领域中的应用，需解决两个问题：GPS时钟的实时监测和误差补偿，文章提出采用高精度晶振对GPS时钟进行监测与校正的简便实用方法，建立GPS时钟误差的测量模型，实现了一种高精度时钟的产生方法；ZL200710180533.2公开了一种高精度数据录取授时仪，将GPS的秒脉冲信息和绝对时间信息传递给录取控制板并校正控制板的内部时钟，以满足精度要求不高于为1×10-4秒的应用场合、提供异步串行测试接口且通信速率不高于38400bps、测试帧长度固定的真值设备或被测设备输出数据的录取；专利ZL200710176937.4提供了一种基于全球定位***接收机的芯片级授时与同步方法及其设备，以满足低成本的要求，其一个实施例可在使用普通温度补偿晶振（0.5PPM）的情况下，实现200ns级别的授时精度和50ns级别的同步精度；ZL200810060615.8提供了一种基于GPS技术对电表授时的装置，为保证授时的精度，利用固定的补偿值补偿MCU和电表通信时间所产生的延时，具体是采用PPS信号触发中断，把内部的当前时间信息全部存储起来，当把GPS发送的报文信息全部解码出来后再把解码得到的时间信息加上触发后到解码完成所用的时间即可保证MCU内部的时钟与GPS时钟保持比较高度的一致（误差在1us以内）。近年来，陆续有文献公开了基于北斗和GPS双模的高精度授时解决方案，以满足不同行业的应用需求。
因此，根据行业应用的特点和精度要求，如何用较低的成本实现较高精度的时间授时，仍然是一件很有价值的研究。
发明内容
本发明的目的是在不增加辅助设备前提下，通过采用GPS的PPS信号和NMEA-0813报文协议、结合MCU微处理器的RTC时钟和中断机制，实现每分钟零秒时刻的精确同步，从而达到满足行业应用的低成本精确授时应用效果。
为达到上述目的，本发明的设计技术方案是：
一种信息终端由GPS模块101、MCU微处理器102、电源模块103及晶振104组成，电源模块103分别和GPS模块101、MCU微处理器102相连，MCU微处理器102和GPS模块101、晶振104相连，其中GPS模块101的PPS信号引脚和MCU微处理器102具有中断功能的INT引脚相连，GPS模块101的UART引脚和MCU微处理器102的UART引脚，MCU微处理器102内部RTC模块和晶振104相连。
所述MCU微处理器，其和GPS模块PPS信号连接的INT引脚中断优先级别设定为最高。
所述MCU微处理器，内部有一个具有中断功能的RTC时钟功能单元，RTC时钟的信号源来自晶振104。
所述MCU微处理器的UART引脚和GPS模块UART引脚相连，MCU微处理器由此通道接收其输出NMEA-0813协议报文。
所述MCU微处理器，当接收到完整的GPS模块NMEA-0813协议报文后，开始GPS报文数据解析，获得报文中的UTC时间。
所述MCU微处理器，内部有一个同步校准时刻单元，控制信息终端进行时钟同步校准的操作时刻；这个同步校准时刻单元，单位为秒，保存的是解析获得GPS报文UTC时间值后计算转换的结果，转换公式为：60-GPSUTC秒时间。
所述时钟同步校准的操作时刻是在MCU微处理器中PPS信号中断服务程序中进行的，当MCU微处理器进入PPS信号中断服务程序后，首先检查同步校准时刻单元的数据是否为0，当不为0时，将同步校准时刻单元保存的数据进行减一操作，再判断该同步校准时刻单元的数据是否为0，如果为0，操作将GPSUTC时间的时分秒赋值给RTC时间的时分秒，同时操作RTC时间的毫秒清零，从而实现时间同步与精确授时。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：克服了单纯从GPS报文中解析UTC时钟导致的数百毫秒时间误差，且在不需增加其他辅助设备前提下，每分钟零秒时刻实现RTC时钟和GPSUTC时钟同步，达到较精确的授时效果。
本发明的目的、特征及优点将通过实施例并结合附图进行详细说明。
附图说明
图1是本发明的硬件平台结构图。
图2是本发明的GPS报文数据解析流程图。
图3是本发明的PPS信号中断服务流程图。
图4是本发明的RTC中断服务流程图。
具体实施方式
图1中，101是GPS模块，102是MCU微处理器，103是电源模块，104是晶振，101的PPS引脚、UART引脚分别与102的INT、UART引脚连接，102的RTC引脚与104连接，103分别与101和102连接。
为了更详细的描述本发明，下面结合图2、图3和图4作进一步说明。
步骤201：GPS报文数据解析开始，执行步骤202；
步骤202：判断GPS报文中是否有UTC时间，如果没有，则执行步骤205，如果有，则执行步骤203；
步骤203：解析获得UTC时分秒数据，执行步骤204；
步骤204：将UTC秒数据代入转换公式，计算获得同步校准时刻，转换公式为：同步校准时刻单元＝60-GPSUTC秒时间，然后执行步骤205；
步骤205：GPS报文数据解析结束。
步骤301：PPS信号中断服务开始，执行步骤302；
步骤302：判断同步校准时刻单元的数据是否为0，为0，则执行步骤306，否则不为0，执行步骤303；
步骤303：同步校准时刻单元的数据进行减一操作，执行步骤304；
步骤304：判断同步校准时刻单元的数据是否为0，不为0则执行步骤306，否则为0，执行步骤305；
步骤305：执行时钟同步校准操作时，将GPSUTC时间的年月日时分秒赋值给RTC时钟的年月日时分秒，RTC时钟毫秒清零，执行步骤305；
步骤306：PPS信号中断服务结束。
步骤401：RTC秒中断服务开始，执行步骤402；
步骤402：判断是否有PPS秒脉冲信号，如果有，则执行步骤404，否则执行步骤403；
步骤403：使用RTC时钟作为时间，执行步骤404。
步骤404：RTC秒中断服务结束。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应该理解，我们所描述的具体实施例只是说明性的，而不是用于对本发明范围的限定，任何受本发明技术路线启发所作的等效修饰以及变化，都应当涵盖在本发明权利要求所保护的范围内。
Claims (2)
1.一种信息终端由GPS模块101、MCU微处理器102、电源模块103及晶振104组成，电源模块103分别和GPS模块101、MCU微处理器102相连，MCU微处理器102和GPS模块101、晶振104相连，其中GPS模块101的PPS信号引脚和MCU微处理器102具有中断功能的INT引脚相连，GPS模块101的UART引脚和MCU微处理器102的UART引脚，MCU微处理器102内部RTC模块和晶振104相连，其特征在于：
1）MCU微处理器，内部有一个同步校准时刻单元，控制信息终端进行时钟同步校准的操作时刻；这个同步校准时刻单元，单位为秒，保存的是解析获得GPS报文UTC时间值后计算转换的结果，转换公式为：60-GPSUTC秒时间；
2）时钟同步校准的操作时刻是在MCU微处理器中PPS信号中断服务程序中进行的，当MCU微处理器进入PPS信号中断服务程序后，首先检查同步校准时刻单元的数据是否为0，当不为0时，将同步校准时刻单元保存的数据进行减一操作，再判断该同步校准时刻单元的数据是否为0，如果为0，操作将GPSUTC时间的时分秒赋值给RTC时间的时分秒，同时操作RTC时间的毫秒清零。
2.根据权利要求1所述一种基于GPS的精确授时方法，其特征在于：MCU微处理器，和GPS模块PPS信号连接的INT引脚中断优先级别设定为最高。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |