嵌入式系统中精确的卫星定位授时与同步
| 应用卫星导航信号进行精确的异地或同地的多通道工业数据的采集与控制，主要是直接使用由卫星信号接收端得到的PPS秒脉冲信号或使用再由此PPS信号得到PPM（Pulse Per Minute）、100PPS、PPH （Pulse Per Hour）脉冲信号，同步启动多通道的数据采集模数转换器ADC、数字控制数模转换器，同步打开或关闭各个通道开关；还有用于测量判断的，制作精确时间标签的，如电力系统中的故障定位、功角测量等。除需要使用同步脉冲启动判断测量外，还需要得到精确的测量时间值。这时需用高分辨率的定时器对PPS间的时间间隔进行细分，以供CPU捕获使用。为得到精确的clk（clock）时钟还要选用高频恒温晶体振荡器。 CPU可选择使用可编程逻辑器件PLD、数字信号处理器DSP或单片机MCU。CPU、ADC、DAC等的速度、类型、规格等应根据实际设计系统的状况决定。 4.2应用卫星信号进行物体定位与时钟授时 应用卫星信号进行物体定位与时钟授时的一般过程是：设计卫星信号接收端，从中取得的待测点三维位置信息（经度、纬度、海拔）和国际标准时间UTC（Universal Coordinate Time），存储，显示，通过授时通道（RS232、RS485、CAN等）向外广播时钟或通过无线通信技术GSM/CDMA向外传播该时刻物体的实际位置。 得到的定位/时钟精度分辨值：经/纬度的分单位值可达小数点后5位，海拔的米单位值可达小数点后2位，时钟的秒单位值可达小数点后2位。 应用卫星信号接收芯片组或OEM板或接收模块设计的接收端，串行外输的数据格式通常使用美国国家海洋电子协会NMEA（National Marine Electronics Association）的NMEA183标准，接收端每秒钟向外发出一个PPS秒脉冲和一串定位、时钟等信息。PPS秒脉冲与外传数据信息有严格的时间关系，扣准PPS秒脉冲时序的跳变沿读取时钟数据可以得到更精确的时钟值。使用中，需要把所得UTC时间转换成北京时间。 4.3注意事项 （1） 卫星信号的接收失步 设计体系应用于山区、极地等不开阔或易受太阳风暴等影响的地域时，应在设计中加入防止卫星信号接收失步的软硬件措施。具体做法常常是设计本地精密的PPS产生电路、实时时钟RTC电路，当从接收端取得的NMEA格式信息中识别出所传定位/时钟信息无效时，立即启用本地PPS信号、RTC时间，并根据前面正常情况下物体的位置特征推断当前物体的位置。卫星信号接收恢复正常时，转而使用卫星定位时钟同步，同时清除本地PPS发生计数器，校正RTC时钟。图8为这种典型的防失步方案。 （2） 系统电源管理 卫星信号定位授时同步体系，特别是嵌入式便携设备，涉及到不同的电源供给，如5 V的液晶显示模块、3.3 V的主系统、1.8 V的CPU核，需要从1.2～4.3 V的电池得到各种供电电压。电源管理设计时，不要直接从电池电压同时变换得到1.8 V、3.3 V、5 V，而应先升压得到最大的供电电压，再逐级降压得到所需各级供电电压，否则系统不能正常工作。 3） PCB制板 需要重点考虑的是卫星信号接收部分的设计。为减少干扰，获得最好的接收效果，接收天线要尽可能靠近集成芯片的接收引脚；天线接口到芯片接收脚的微带线要尽可能短，宽度要2倍于PCB板厚，走斜切线，避免锐角、直角。要有独立的电源、地层。电源、地层要靠近顶/底层，大面积铺地，PCB边缘处，电源层面积要小于地层；地层边缘要加一圈密密的过孔，顶层要有大量过孔和大面积地。尽可能使用金属罩屏蔽全部接收部分。 结语 卫星导航技术日臻完美，深入日常生产、生活的各个领域和方面。设计稳定可靠、便携低耗、成本低廉的现代卫星信号接收体系，实现精确的物体定位、时钟授时和同步数据采集控制，具有广阔的前景。 参考文献 1 高成发. GPS测量. 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定位元件目录. Rev3. 200410 |
