华中科技大学 硕士学位论文 基于GPS的标准时钟系统的设计与实现 姓名：夏双林 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：卢益民 20080530 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 摘 要 近几年来，随着科学技术的进步和时代的发展，人们对时间精度提出了越来越 高的要求，特别是在国防、科研及电力、铁道、交通、航海等方面，所以，研制高 精度的标准时钟系统已越来越重要。全球定位系统（GPS）标准时钟的应用也越来 越广泛，人们正在探索利用它卓越的时间同步性能开发电力系统监测、保护和控制 的各种新方法。 本论文阐释了 GPS 全球定位系统及其授时原理，研究了 GPS 标准时钟系统的 结构，并结合目前的市场需求及实际应用研究并设计一种 GPS 标准时钟系统。本论 文所研究的 GPS 标准时钟系统主要包括 GPS 接收机模块，GPS 天线以及核心控制 系统。其中，GPS 接收机采用了高性能的 GPS OEM 板，而核心控制系统是这个系 统设计的核心部分，包括硬件系统和软件系统。它实现了通过串口对 GPS 时间信息 的提取、在点阵液晶显示屏上显示时间信息及特定参数、通过串口将时间信息转换 成约定的格式输出、利用可编程逻辑阵列并结合单片机产生 1PPM 和 1PPH 信号、 测量市交流电的工频频率以及周波时钟等功能。 经过实验证明，本文所设计的 GPS 标准时钟系统在秒脉冲、分钟脉冲以及小时 脉冲的输出精度，将时间信息进行扩展输出，电磁兼容性，稳定性等方面都达到了 设计任务要求的性能指标。 该 GPS 标准时间扩展时钟系统广泛应用于电力系统， 大、 中、小型计算机网络系统，数据采集系统，环境监控系统，铁路系统，交能系统， 广播电视系统，以及其他需要精准标准时钟的民用和军用领域。 关键词：GPS，标准时钟，周波时钟 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract In recent years, with the scientific and technological progress and the development of the times, people have time to the accuracy of the growing demands, particularly in national defense, scientific research and electricity, railway, transport, navigation and so on, so the development of high- precision Standard clock system has become increasingly important. Global Positioning System (GPS) Application of the standard clock more and more widespread, people are exploring the use of its excellent time synchronization of the development of the power system monitoring, protection and control of the various new methods. This paper explained the GPS global positioning system and its delegate at the principle, the standard clock on the GPS system structure, combined with current market demand and practical application of research and design a GPS clock synchronization system. The research paper by the expansion of GPS synchronized time clock system includes GPS receiver module, GPS antenna and the core control system. Which, GPS receivers used a high- performance GPS OEM board, and the core of this control system is the core of the system design, including hardware and software systems. It achieved a time through the serial port on the GPS information from the dot- matrix LCD display information and time- specific parameters, time information through the serial port will be converted to the format of the output agreement, the use of programmable logic arrays combined with single - Machine- generated 1 PPM and 1 PPH signal, AC measurement of the city and the frequent rate cycle clock, and other functions. After that experiment, the paper designed to expand the GPS time synchronization system clock pulse in the second, minute and hour pulse of the pulse output accuracy and time information to expand output, electromagnetic compatibility, stability and so on up to the design requirements of the mandate Performance indicators. The expansion of GPS standard time clock system widely used in power systems, large, medium and small computer network systems, data acquisition system, environmental control system, the railway system, will pay systems, radio and television broadcasting systems, and other needs of the civilian precision clock synchronization and Military fields. Key words: GPS, synchronous clock, the clock cycle 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论 文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、 使用学位论文的规定， 即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允 许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权数。 本论文属于 不保密 。 （请在以上方框内打“ v” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论 1 . 1 课题背景 全球定位系统 GPS(Global Position System)是一个基于卫星技术的全天候、 被动 式无线电导航、定位、授时系统。由于其高精度(最高精度可达 20ns)、全天候、多 功能、应用广泛、经济适用等卓越的性能，已经成为目前应用最为广泛的一种定位 和授时系统，在国民经济中具有广阔的应用前景，并正在和即将取代其它无线电导 航系统1。目前，GPS 不仅在美国等国家的军队中广泛应用于导航、定位，几乎全 球所有需要导航定位的用户都在向 GPS 靠笼。GPS 标准时钟就是一种利用 GPS 提 供的位置信息和时间信息，经过解码之后，将标准的时间信号、定位信息按一定的 标准与格式输出给用户设备的装置2。 目前，许多正在应用的微机监控系统、数据采集系统、大型网络设备、移动通 信网络系统大都采用了 GPS 标准时钟，以确保整个系统的时间具有高度的一致性， 以免系统发生由于时间的不一致而导致的不可预测性错误3。尤其在一些数据采集 系统领域，为了在不同的地理区域采集到同一时刻的不同数据，进而将数据进行分 析得出正确的结论，这就要求每个采集系统在时间上保持高度的一致性，否则得到 的将是不正确的结论。特别地，随着改革开放的不断深入，我国电力系统自动化技 术得以快速地发展，为了做到系统内统一管理和调度，整个系统对时间的统一性要 求越来越高，同时对时间的同步精度要求也越来越高，这就需要用到 GPS 的高精度 授时功能4。由于 GPS 时钟系统能应用到很多领域，其市场需求量也非常大，所以 在 GPS 基础之上设计并最终生产具有各种扩展特性的标准时钟系统具有其特殊的 市场价值。 本课题旨在设计并实现一个基于 GPS 的标准时钟系统， 进而作为一个模块应用 到其他的生产领域。 1 . 2 课题关键技术以及研究现状 目前，市场上基于 GPS 的标准时钟系统有很多，其扩展的内容各有所不同，提 供给用户的接口也千差万别。虽然其扩展的内容不尽相同，但其扩展方式都比较类 似。 各种 GPS 标准时钟系统的差别主要在于其时间的精准度及提供给用户的接口的 数量上。其所用的主控芯片也不相同，大体分为两大类型，一是单片机型，一种是 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 FPGA 型。前一种主要是能过单片机对信号进行采集计算，再转换成约定的格式通 过串口或者其他方式将信号输出。由于单片机是通过软件指令实现，其指令是串行 执行的，所以单片机结构将在不同程度上影响标准系统的精确度，其误差一般比较 大。后一种是基于 FPGA 实现的。由于 FPGA 所具有的特殊的硬件结构，它是能过 硬件实现的，各功能模块并行运行，其速度远远大于单片机。所以这种系统一般精 确度要高，当然其成本随之也就高了许多。 本文的设计将采用 C8051F020 单片机与 GAL 器件相结合的方式来实现。 C8051F020 单片机属于高速单片机，其系统时钟使用 22.1184MHz 外部晶振，其处 理速度比较快。而使用 GAL 对 GPS 模块所提供的 1PPS 信号并结合单片机的控制 信号进行组合逻辑输出，产生 1PPM 与 1PPH信号，由于 GPS 所提供的 1PPS 信精 确度非常高，其精度在 nS 级别，