引言

　　GPS是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，但是，在我國(guó)，民用產(chǎn)品開發(fā)方面還不算非常普及，主要集中在導(dǎo)航設(shè)備中。在學(xué)校，老師工作、學(xué)生學(xué)習(xí)的時(shí)間安排等信息往往是通過打鈴儀進(jìn)行傳播的。學(xué)?，F(xiàn)有的打鈴儀一般采用時(shí)控開關(guān)進(jìn)行控制，時(shí)控開關(guān)內(nèi)部由單片機(jī)作為主控芯片，走時(shí)系統(tǒng)主要依賴于里面的時(shí)鐘芯片，時(shí)鐘芯片的精度很大程度上取決于外接的晶振，晶振的精度總會(huì)存在誤差，時(shí)間長(zhǎng)了，誤差累計(jì)，系統(tǒng)計(jì)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。比如，一個(gè)月后，時(shí)鐘總是會(huì)快或者慢1到2分鐘。隨著時(shí)間的推移，誤差會(huì)越來越大。所以，每隔一段時(shí)間必須通過人工進(jìn)行維護(hù)校準(zhǔn)。當(dāng)學(xué)校面積較大時(shí)，可能需要用到多個(gè)時(shí)控開關(guān)，而這些時(shí)控開關(guān)各自的精度也不一定一樣。這樣，勢(shì)必會(huì)造成作息鈴聲不同步，并且普通的時(shí)控開關(guān)與打鈴儀之間的連接是通過電線來實(shí)現(xiàn)的，中間的線路老化問題也不可避免。通過GPS授時(shí)來實(shí)現(xiàn)打鈴控制，可以做到時(shí)間準(zhǔn)確無(wú)誤，無(wú)需人工校準(zhǔn)。通過無(wú)線模塊進(jìn)行傳輸控制信息，可能做到強(qiáng)電與弱電分離，省去控制設(shè)備與被控制設(shè)備中間電線。線路簡(jiǎn)潔，更加安全可靠。對(duì)于學(xué)校、企事業(yè)單位、工廠、部隊(duì)等需要用來做作息打鈴和時(shí)間控制等場(chǎng)合來說，具有非常良好的應(yīng)用前景。

　　1 設(shè)計(jì)思路與方案

　　要解決現(xiàn)有學(xué)校打鈴設(shè)備打鈴時(shí)間不準(zhǔn)的問題，必須要有一個(gè)準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)系統(tǒng)和一個(gè)可靠的控制打鈴的設(shè)備，兩者缺一不可。如果只有計(jì)時(shí)系統(tǒng)準(zhǔn)確，而控制打鈴的設(shè)備不能可靠地執(zhí)行，或者控制打鈴的設(shè)備能可靠地執(zhí)行，而計(jì)時(shí)系統(tǒng)不準(zhǔn)。這樣都無(wú)法準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)打鈴。

　　針對(duì)上述問題，解決的思路是這樣的：一是利用衛(wèi)星授時(shí)，可以做到高準(zhǔn)確性，程序里可以設(shè)置每5S鐘校準(zhǔn)一次。也就是說幾乎每時(shí)每刻都能保持與國(guó)家授時(shí)中心的時(shí)間一致。二是在被控設(shè)備上，采用的是無(wú)線驅(qū)動(dòng)，即控制系統(tǒng)通過2.4GHz的無(wú)線電信號(hào)來控制我們的打鈴等設(shè)備。

　　具體的做法是：利用GPS模塊接收衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，通過串行通信傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)將信號(hào)解調(diào)出來，完成對(duì)時(shí)鐘模塊的校時(shí)。操作者可通過紅外遙控器進(jìn)行設(shè)置(打鈴時(shí)間、鬧鐘等)。系統(tǒng)可以根據(jù)操作者設(shè)置的時(shí)間，通過無(wú)線模塊將指令傳輸給遠(yuǎn)端繼電器模塊，并通過繼電器模塊驅(qū)動(dòng)各種控制設(shè)備從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。系統(tǒng)功能框圖見圖1，顯示界面見圖2。

　　該設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)以下功能：GPS自動(dòng)授時(shí)，接收衛(wèi)星時(shí)間，完成對(duì)時(shí)鐘芯片的授時(shí);無(wú)線傳輸控制信號(hào)，控制打鈴設(shè)備與家用電器或者學(xué)校電器設(shè)備的工作;定時(shí)打鈴功能，可對(duì)打鈴設(shè)備進(jìn)行定時(shí)打鈴，并可對(duì)家用電器或者學(xué)校電器設(shè)備進(jìn)行定時(shí)開機(jī)與關(guān)機(jī);消防、地震警報(bào)，在出現(xiàn)火災(zāi)或地震來臨時(shí)報(bào)警，自動(dòng)或是手動(dòng)觸發(fā)警報(bào)裝置;萬(wàn)年歷顯示，在液晶屏上顯示年、月、日、時(shí)、分、秒，農(nóng)歷、溫度和24節(jié)氣;生日提醒與節(jié)日提醒功能，利用大屏幕液晶顯示器顯示相應(yīng)的文字，對(duì)全家人的生日和節(jié)假日進(jìn)行提醒;軟件動(dòng)態(tài)校時(shí)，可對(duì)時(shí)鐘誤差進(jìn)行修正(在不用GPS時(shí))，保證走時(shí)精度;按鍵與紅外遙控器兩種設(shè)置模式，紅外可提高操作靈活性，更加安全。

　　2 GPS模塊硬件與軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 硬件設(shè)計(jì)

　　GPS模塊采用瑞士u-blox公司的 NEO-6M主芯片，此芯片為多功能獨(dú)立型GPS模組，以ROM為基礎(chǔ)架構(gòu)，成本低，體積小，并具有眾多特性。內(nèi)置陶瓷天線，可使用USART串口TTL或IIC通信。串口波特率默認(rèn)9600，4800和38400bps，NMEA通信協(xié)議。UBX協(xié)議下串口波特率57600bps。

　　本模塊采用內(nèi)置28db增益二級(jí)放大有源天線，高增益，高信號(hào)，高精度。

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　　(1)可以根據(jù)需求定制波特率，4800、9600、38400、19200、115200。

　　(2)可以根據(jù)需求定制輸出頻率，1Hz-5Hz任意選。

　　(3)可以根據(jù)需求定制輸出電平，TTL/USB/232可選。

　　GPS模塊共有6個(gè)引腳，分別是1-BOOT、2-電源VCC、3-RXD、 4-TXD、5-GND、 6-PPS ， 6個(gè)引腳，其中1腳BOOT 是廠家內(nèi)部升級(jí)使用、PPS是一個(gè)脈沖周期為1秒、高電平為100ms的秒脈沖輸出端。該電路中使用的是RXD、TXD、電源與地四個(gè)引腳。GPS模塊的TXD、RXD與單片機(jī)串行口RXD、TXD相連。電路見圖3。

　　2.2 軟件設(shè)計(jì)

　　GPS模塊通過串口向單片機(jī)發(fā)送固定格式的數(shù)據(jù)，單片機(jī)的串口接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行解析，提取出年、月、日、時(shí)、分、秒等信息，然后與時(shí)鐘芯片DS1302的時(shí)間信息進(jìn)行比對(duì)，不同則修改，程序流程圖見圖4。

　　NMEA-0183協(xié)議定義的語(yǔ)句很多，以“$”開始，常用的兼容性最廣的語(yǔ)句主要有$GPGGA，$GPVTG，$GPRMC。其中：

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　　$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*hh

　　<1> 為UTC時(shí)間，hhmmss(時(shí)分秒)格式 。

　　$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh

　　<9> 為UTC日期，ddmmyy(日月年)格式 。

　　$GPRMC在本設(shè)計(jì)中沒有用到。

　　由于GPS波特率的原因，必須使用11.0592M晶振，否則單片機(jī)解析不出數(shù)據(jù)包。

　　3 2.4GHz無(wú)線模塊硬件與軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 硬件設(shè)計(jì)

　　2.4GHz無(wú)線模塊使用的是nRF2401，nRF24L01是NORDIC公司生產(chǎn)的一款無(wú)線通信芯片，采用FSK調(diào)制，內(nèi)部集成NORDIC自己的Enhanced Short Burst協(xié)議?？梢詫?shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者是1對(duì)6的無(wú)線通信。無(wú)線通信速度可以達(dá)到2Mbps。

　　nRF2401是3.3V供電，電壓過低或過高都會(huì)對(duì)通信造成影響，要么不能完全通信要么斷斷續(xù)續(xù)地通信，需要穩(wěn)壓到3.3V，可以采用穩(wěn)壓二級(jí)管，也可以使用LM317進(jìn)行穩(wěn)壓。電路見圖5。

　　3.2 軟件設(shè)計(jì)

　　nRF2401有工作模式有四種：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP 、CE和TX_EN和CS三個(gè)引腳決定，詳見表1。

　　收發(fā)模式下有兩種通信方式：ShockBurstTM模式與Direct模式。

　　ShockBurstTM模式：數(shù)據(jù)首先傳送到芯片內(nèi)，然后以設(shè)定的速率將數(shù)據(jù)發(fā)射出去，這樣可以保證在較高的數(shù)據(jù)通信速率下使用低速控制器，降低功耗同時(shí)減少受干擾的機(jī)會(huì)，同時(shí)內(nèi)部集成硬件通信協(xié)議和CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)，保證了極高的通信穩(wěn)定性。

　　Direct模式：數(shù)據(jù)發(fā)送到芯片即通過RF直接發(fā)射出去，所有的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)校驗(yàn)都由控制器軟件實(shí)現(xiàn)。

　　兩種模式對(duì)比，ShockBurstTM模式更加節(jié)能，數(shù)據(jù)在空中停留時(shí)間短，抗干擾性高，程序編制會(huì)更加簡(jiǎn)單，所以把其配置為ShockBurstTM收發(fā)模式。

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　　nRF2401的所有配置工作都是通過CS、CLK1和DATA三個(gè)引腳完成。

　　ShockBurstTM的配置字可以分為以下四個(gè)部分：

　　數(shù)據(jù)寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)占用的位數(shù)。這使得nRF2401能夠區(qū)分接收數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)碼;

　　地址寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中地址占用的位數(shù)。這使得nRF2401能夠區(qū)分地址和數(shù)據(jù);

　　地址：接收數(shù)據(jù)的地址，有通道1的地址和通道2的地址;

　　CRC：使nRF2401能夠生成CRC校驗(yàn)碼和解碼。

　　流程圖見圖6。

　　4 性能分析

　　本系統(tǒng)主要性能指標(biāo)有：GPS模塊信號(hào)接收范圍、授時(shí)精度、無(wú)線傳輸距離。

　　從實(shí)際測(cè)試的情況來看，GPS模塊通過單片機(jī)串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，只需將GPS模塊安置在靠窗戶邊位置就行。再通過無(wú)線模塊進(jìn)行傳輸就能在室內(nèi)任何一點(diǎn)就能正常地接收GPS信號(hào)。

　　經(jīng)測(cè)試，授時(shí)精度能與國(guó)家授時(shí)中心保持同步;無(wú)線模塊的傳輸距離可以達(dá)幾十米，如果加裝天線可以達(dá)幾百米。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　利用GPS授時(shí)，可做到時(shí)間分秒不差，無(wú)需人工校時(shí)(改善了學(xué)校原有的打鈴控制器時(shí)間不準(zhǔn)，每隔一段時(shí)間需要人工校時(shí)的情況)。采用紅外遙控，操作方便可靠。利用大屏幕液晶顯示器顯示，操作界面清晰、友好。利用無(wú)線模塊控制，改進(jìn)了硬件，節(jié)約成本，提高了可靠性和安全性。綜上所述，本設(shè)計(jì)具有較大的推廣價(jià)值。

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