GPS(Global Positioning System，全球定位系統)是世界上最完善的衛星導航系統。它不僅有覆蓋全球的實時、連續的高精度的三維定位能力，同時也有精準的授時功能。利用高度穩定、精確的星載原子鐘作為信號源進行時間傳輸和比對，已成為眾多領域獲取時間的重要手段。基于此，本文利用GPS所提供的精確授時功能，采用單片機技術，實現了一種GPS時鐘，并將時間信息通過LCD進行顯示。
系統構成及硬件實現
1 系統構成
GPS時鐘系統主要由GPS接收機、單片機、LCD顯示器三部分組成，如圖1所示。
圖1 GPS時鐘系統構成框圖
GPS接收機
在本系統中，GPS接收機采用Garmin公司的GPS15XL，它是12通道的GPS接收機，體積小，重量輕，功耗低，首次定位和重捕獲時間短，有較強抗遮擋和抗干擾能力，性能極其穩定可靠，且操作簡單，易于開發。可工作在3.3～5.4V電壓范圍內，本系統采用+3.3V供電；精密授時類型精度可達±50ns(典型值)；具有串行端口，輸出為RS232，輸入可為RS232或者具有RS232極性的TTL電平，波特率從300～38 400可選，默認為4800，無奇偶校驗，8個數據位，1個起始位，1個停止位。GPS15XL輸出的數據以美國國家海洋電子協會(National Marine Electronics Association)的NMEA0183 ASCII碼接口協議為基礎，可輸出多條語句，內容包括經度、緯度、速度、方位角、高度、世界時、星歷等信息。還可輸出Garmin二進制格式信息。非常適合應用于車輛導航、海事導航、電力系統校時等。
對GPS15XL的配置，可以利用單片機通過NMEA 0183語句在程序中實現，也可以利用SNSRCFG軟件來進行。配置參數將被保存在永久性存儲器中，下次加電時自動生效。為簡化設計，本文采用第二種方法，即通過SNSRCFG軟件對GPS15XL進行初始化配置。
GPS15XL可以輸出兩種時間信號：一是包含在串口輸出信息中的UTC(Coordinated Universal Time協調世界時)絕對時間(年、月、日、時、分、秒)；二是間隔為1s的同步脈沖信號1PPS，其脈沖前沿與UTC的同步誤差不超過1μs。本系統主要是利用串口輸出的NMEA 0183語句獲取UTC時間信息。
NMEA 0183語句以“$”開始，以
$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh
$GPRMC：語句起始標志（Recommended Minimum Specific GPS／TRANSIT Data推薦定位信息）
<1> UTC時間，hhmmss(時分秒)格式
<2>定位狀態，A=有效定位，V=無效定位
<9>UTC日期，ddmmyy(日月年)格式
最后的校驗碼*hh用于做奇偶校驗，通常不是必需的，但當周圍環境有較強的電磁干擾時則推薦使用校驗碼。hh代表了“$”和“*”之間所有字符的按位異或值（不包括這兩個字符）。
單片機PIC18F8520
系統采用Microchip公司生產的高性能RISC CPU PIC18F8520作為控制器，它內部有32KB的FLASH程序存儲器和2KB的SRAM數據存儲器、1KB的EEPROM數據存儲器；運算速度可達10MIPS；可以工作在DC～40MHz的時鐘頻率范圍之內；具有USART接口，支持RS-485和RS-232，可與GPS模塊相連，用來獲取時間信息；支持ICSP在線串行編程，便于軟件的升級和維護；支持ICD，可以在線調試，縮短開發周期。
LCD顯示器
系統采用LCD1602作為顯示設備。LCD1602液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內容豐富、超薄輕巧等優點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統中應用廣泛。它可以顯示兩行，每行16個字符，采用單＋5V電源供電，外圍電路配置簡單，價格便宜，具有很高的性價比。
2 硬件電路
系統的硬件電路如圖2和圖3所示。
圖2 單片機外圍電路連接
圖3 單片機與GPS模塊的連接
電路板上有3.3V和5V兩種電壓，其中LCD采用5V供電，而單片機和MAX3232工作在3.3V電壓下。外部電源為5V，經AS2830轉換為3.3V，給單片機和MAX3232供電。從圖2中可以看到，單片機的電源腳沒有與3.3V直接相連，而是通過J2、J3跳線即可連到3.3V上，也可連到VDD上。這是因為單片機在采用PIC16-MCD2編程器通過ICSP接口進行在線編程時由MCD2供電，這時，單片機電源腳需連接到VDD上（MCD2輸出電壓VDD為5V）；而正常運行時單片機由電路板供電，J2、J3跳線連接到3.3V上，單片機就工作在3.3V，可以降低功耗。
PIC18F8520既有模擬電源、模擬地引腳也有數字電源、數字地引腳，在電路設計中，采用模擬電源、數字電源分離，模擬地、數字地分離，模擬電源和數字電源之間通過磁珠連接，模擬地和數字地通過0Ω電阻在單點連接，以避免模擬信號與數字信號之間的干擾，提高系統的可靠性。
軟件實現
軟件由主程序和中斷子程序組成，在MPLAB IDE v8.53環境下，采用MPLAB C18編譯器，用C語言編程實現。
在主程序中進行系統的初始化、數據處理、LCD顯示，GPS數據的接收則通過串口中斷實現，每收到一條完整的NMEA語句，就設定一個標志，在主程序中通過查詢該標志進行UTC時間的提取以及轉換成北京時間，再通過LCD顯示。由于將復雜的數據處理放到主程序中，這樣就可以使中斷程序盡量簡短，在發生其他中斷時，單片機可以及時做出響應，提高了系統的實時性。流程圖如圖4所示。
圖4 流程圖
由于GPS模塊輸出的時間為UTC時間，根據習慣，需轉換成本地時間（北京時間），這項工作在主程序中完成。根據本地時間=UTC時間+時區值，而北京位于第8時區，時區值為+8，故北京時間=UTC時間+8。在轉換過程中，須對16:00:00—23:59:59 UTC時間作相應的處理，+8后判斷小時是否大于24，若大于，則減去24，同時日期+1，另外，還涉及到閏年、大月、小月的處理。
中斷服務程序流程圖中，串口接收數據時判斷字頭，只判斷了“$”一個字符，這是因為之前已通過SNSRCFG軟件將GPS15XL設置為只輸出GPRMC一條NMEA語句。
調試及運行
首先，對GPS15XL進行初始化。將GPS15XL通過串口與PC連接好，給GPS15XL上電，用軟件SNSRCFG設置初始化信息，波特率設為9600，只輸出一條GPRMC語句（要獲取UTC日期和時間，一條GPRMC語句就足夠了），將這些信息寫入OEM板內的永久性存儲器中，下次上電時將會自動生效。
然后，通過電路板上預留的ICSP接口，利用PIC16-MCD2編程器將編譯好的程序寫入單片機。編程時不給電路板供電，單片機通過MCD2供電，須注意電路板上跳線的設置。
最后，將GPS15XL與電路板連接。給電路板和GPS15XL上電，授時接收系統進入正常工作狀態，單片機通過RS-232串行方式接收GPS15XL的衛星數據，獲取準確的時間信息，并轉換成北京時間，通過LCD顯示。
注意：使用時，GPS授時天線一定要放在開闊的室外，否則接收不到衛星信號，也就無法獲取UTC時間信息。
結語
本文利用PIC18F8520提取GPS高精度時鐘，并在LCD上顯示，所實現的時鐘系統是配電線路故障遠程監測及定位系統項目的一部分，經測試，該設計運行穩定，能夠為整個系統提供精確的時間信息，具有較高的可靠性、準確性和實用性。此外，還可以將GPS時鐘的內核嵌入其他系統，以其時間作為系統時間，例如：金融/證券實時結算、民航/鐵路/交通調度系統、各種計算機網絡系統、實時通信網絡系統、體育彩票和福利彩票等實時銷售系統等，應用非常廣泛。