嵌入式系統(tǒng)中精確的衛(wèi)星定位授時與同步
| 應用衛(wèi)星導航信號進行精確的異地或同地的多通道工業(yè)數(shù)據(jù)的采集與控制，主要是直接使用由衛(wèi)星信號接收端得到的PPS秒脈沖信號或使用再由此PPS信號得到PPM（Pulse Per Minute）、100PPS、PPH （Pulse Per Hour）脈沖信號，同步啟動多通道的數(shù)據(jù)采集模數(shù)轉換器ADC、數(shù)字控制數(shù)模轉換器，同步打開或關閉各個通道開關；還有用于測量判斷的，制作精確時間標簽的，如電力系統(tǒng)中的故障定位、功角測量等。除需要使用同步脈沖啟動判斷測量外，還需要得到精確的測量時間值。這時需用高分辨率的定時器對PPS間的時間間隔進行細分，以供CPU捕獲使用。為得到精確的clk（clock）時鐘還要選用高頻恒溫晶體振蕩器。 CPU可選擇使用可編程邏輯器件PLD、數(shù)字信號處理器DSP或單片機MCU。CPU、ADC、DAC等的速度、類型、規(guī)格等應根據(jù)實際設計系統(tǒng)的狀況決定。 4.2應用衛(wèi)星信號進行物體定位與時鐘授時 應用衛(wèi)星信號進行物體定位與時鐘授時的一般過程是：設計衛(wèi)星信號接收端，從中取得的待測點三維位置信息（經度、緯度、海拔）和國際標準時間UTC（Universal Coordinate Time），存儲，顯示，通過授時通道（RS232、RS485、CAN等）向外廣播時鐘或通過無線通信技術GSM/CDMA向外傳播該時刻物體的實際位置。 得到的定位/時鐘精度分辨值：經/緯度的分單位值可達小數(shù)點后5位，海拔的米單位值可達小數(shù)點后2位，時鐘的秒單位值可達小數(shù)點后2位。 應用衛(wèi)星信號接收芯片組或OEM板或接收模塊設計的接收端，串行外輸?shù)臄?shù)據(jù)格式通常使用美國國家海洋電子協(xié)會NMEA（National Marine Electronics Association）的NMEA183標準，接收端每秒鐘向外發(fā)出一個PPS秒脈沖和一串定位、時鐘等信息。PPS秒脈沖與外傳數(shù)據(jù)信息有嚴格的時間關系，扣準PPS秒脈沖時序的跳變沿讀取時鐘數(shù)據(jù)可以得到更精確的時鐘值。使用中，需要把所得UTC時間轉換成北京時間。 4.3注意事項 （1） 衛(wèi)星信號的接收失步 設計體系應用于山區(qū)、極地等不開闊或易受太陽風暴等影響的地域時，應在設計中加入防止衛(wèi)星信號接收失步的軟硬件措施。具體做法常常是設計本地精密的PPS產生電路、實時時鐘RTC電路，當從接收端取得的NMEA格式信息中識別出所傳定位/時鐘信息無效時，立即啟用本地PPS信號、RTC時間，并根據(jù)前面正常情況下物體的位置特征推斷當前物體的位置。衛(wèi)星信號接收恢復正常時，轉而使用衛(wèi)星定位時鐘同步，同時清除本地PPS發(fā)生計數(shù)器，校正RTC時鐘。圖8為這種典型的防失步方案。 （2） 系統(tǒng)電源管理 衛(wèi)星信號定位授時同步體系，特別是嵌入式便攜設備，涉及到不同的電源供給，如5 V的液晶顯示模塊、3.3 V的主系統(tǒng)、1.8 V的CPU核，需要從1.2～4.3 V的電池得到各種供電電壓。電源管理設計時，不要直接從電池電壓同時變換得到1.8 V、3.3 V、5 V，而應先升壓得到******的供電電壓，再逐級降壓得到所需各級供電電壓，否則系統(tǒng)不能正常工作。 3） PCB制板 需要重點考慮的是衛(wèi)星信號接收部分的設計。為減少干擾，獲得最好的接收效果，接收天線要盡可能靠近集成芯片的接收引腳；天線接口到芯片接收腳的微帶線要盡可能短，寬度要2倍于PCB板厚，走斜切線，避免銳角、直角。要有獨立的電源、地層。電源、地層要靠近頂/底層，大面積鋪地，PCB邊緣處，電源層面積要小于地層；地層邊緣要加一圈密密的過孔，頂層要有大量過孔和大面積地。盡可能使用金屬罩屏蔽全部接收部分。 結語 衛(wèi)星導航技術日臻完美，深入日常生產、生活的各個領域和方面。設計穩(wěn)定可靠、便攜低耗、成本低廉的現(xiàn)代衛(wèi)星信號接收體系，實現(xiàn)精確的物體定位、時鐘授時和同步數(shù)據(jù)采集控制，具有廣闊的前景。 參考文獻 1 高成發(fā). GPS測量. 北京：人民交通出版社，2001 2 Motorola Co. GPS Products PREVIEW Instant GPS MG4200. Rev1.0. 200412 3 uBlox Co. GPS定位元件目錄. Rev3. 200410 |
