摘要：基于國際航海標準NMEA-0183為數據協議，以保證電力系統精準授時為目的，通過ARM微控制器STM32f103rbt6和高精度GPS接收模塊NEO-5Q為核心控制數據采集和傳輸，實現了GPS同步授時的設計方案。系統采用GPS接收模塊接收衛星發送的標準數據串，通過微控制器對GPIRMC最小定位信息中的時間數據進行篩選和處理，最后經上位機授時軟件對本地計算機進行成功校時，保證了系統的可行性。
關鍵詞：NMEA-0183；Codex-M3；STM32f103；CPS
時間同步在工業應用中是十分重要的基礎工作，特別是對時間要求較高的電力系統。近年來，電力系統大多采用不同廠家的計算機監控系統、諧波分析系統、故障錄波裝置、微機保護、電能質量計費系統等，時間數據大多是設備提供自己獨立的時鐘，而時鐘因產品質量差異，在對時精度上都會有一定的偏差，從而使整個系統不能在統一的時間基礎上進行數據的分析和比較，給事故后采取正確的故障分析判斷帶來很大的困難。
由于電力系統傳統的時間同步方法只能保證全系統時鐘誤差在毫秒級，很難達到目前要求的精度。GPS同步授時系統具有授時精度高、范圍廣、可靠性高全天候且又不受各種干擾影響的特點，因此，采用GPS同步授時系統比采用傳統的時鐘設備有著明顯的優勢，并且可廣泛應用于對時統精度較高的行業中。
1 GPS同步授時系統原理
如圖1所示，整個系統以Cortex-M3為內核的ARM微處理器STM32f103rbt6為核心，并采用瑞士U-Blox公司NEO-5Q GPS數據接收模塊接收衛星數據，微處理器從衛星數據中提取標準UTC時間碼同時將其轉換成標準北京時間碼傳輸給本地計算機，最后由上位機授時軟件對本地計算機進行校時，完成授時過程。
1．1 ARM微處理器STM32f103rbt6
STM32f103rbt6是意法半導體公司一款基于Conex-M3內核的32位微控制器，它主要應用于智能儀表、變頻器、工控網絡、高端家電和操作界面等領域。STM32f103系列微控制器開發簡單，有豐富的語句代碼庫，與ARM7TDMI相比運行速度最多可快35％且代碼最多可省45％。綜合考慮選用了此款微控制器為本系統的核心。
該微控制器特點如下：
1)Cortex-M3內核、哈佛總線結構(可達90 DMIPS)；
2)20 K字節的SRAM，128 K字節的Flash；主頻72 MHz，可在系統編程；
3)帶喚醒功能的低功耗模式、內部RC振蕩器、內置復位電路；
4)在待機模式下，典型的耗電值僅為2μA，非常適合電池供電的應用；
5)3個16位通用的定時器，1個系統時間定時器：24位自減型。
1．2 NEO-5Q GPS接收模塊
本系統選用較低功耗的NEO-5Q GPS超小型衛星接收模塊，此芯片為多功能獨立型GPS模組，以ROM為基礎構架，成本低，體積小，最多可搜尋32個衛星頻道，能夠從接收到的信息中提取并輸出2種時間信號：一是脈沖信號1PPS，其脈沖前沿與國際標準時間的同步誤差不超過1μs；二是經串口輸出的時間信息，它在1PPS脈沖之間給出，用來說明一個1PPS脈沖對應的UTC時間(年、月、日、時、分、秒)。NEO-5Q有UART和USB2．0兩種接口，數據全速傳輸可達12 Mbit／s，具有高精度時間信號、在惡劣環境下持續工作的優點，可以達到系統要求。
2 GPS同步授時系統硬件設計
GPS同步授時系統的硬件以STM32f103微控制器及其外圍部件為基礎，通過串口收發數據并控制GPS接收模塊，最終達到系統要求。
2．1 電源電路
電源電路是整個系統工作的基礎，電源的工作特性直接影響系統的穩定性。在電源的設計過程中著重考慮以下因素：1)輸入的電壓、電流；2)電源保護；3)輸出的電壓、電流和功率；4)電磁兼容和電磁干擾；5)體積限制等。由于STM32f103系列微處理器的高速、低消耗、低功耗等特性導致其噪聲容限低，對電源瞬態響應性、可靠性、時鐘穩定性等都提出了更高的要求。
授時系統的供電電源為計算機PCI插槽5 V供電，5 V電源通過AMS1117-3．3穩壓芯片將電壓轉換成3．3 V，給微控制器、GPS模塊、串口通訊電路、復位電路和其他外圍芯片供電。3 V備份電池可以保存模塊當前星歷。在模塊斷電兩小時內重啟模塊稱為熱啟動，此時模塊內已保存有星歷參數，所以無需下載星歷，可以快速得到UTC時間參數，首次獲得時間可以達到1 s以內。電源電路如圖2所示。
2．2 NEO-5Q GPS接收電路
微控制器STM32f103rbt6的串行口RXD、TXD分別和NEO-5Q的TXD1、RXD1連接，并采用TTL電平串口通訊。微控制器的RXD負責接收從TXD1發來的GPS信息。而TXD在上電復位時的任務是向GPS接收模塊發送初始化命令，使其按預定的格式和頻率輸出時鐘信息。在初始化成功后TXD將不再向外發送任何命令，而是改變傳輸對象，轉而通過MAX3232給上位機發送時間信息。由此可見，在不同的時間段單片機的TXD引腳要與不同的單元通訊，承擔著不同的任務。既要在上電復位時給GPS接收模塊發初始化命令，又要在初始化完畢后向上位機發送時間信息。當GPS模塊被系統成功初始化后，將輸出GPS秒脈沖信號，在秒脈沖上升沿之后，串行口會輸出時間信息和相關的GPS狀態信息。因此，為了便于將國際標準時間轉化為北京時間，須使1PPS信號分為2路：一路作為微控制器的外部中斷源，提示微控制器準備接收GPS接收模塊輸出的各種信息，以實現時間信息的同步處理，并監測信號正常與否，另一路則直接作為同步信號。GPS信號接收電路如圖3所示。
3 GPS同步授時系統軟件設計
3．1 GPS信號提取
GPS上電后，每隔一定的時間就會返回一定格式的數據，數據每行都以‘$’開頭，接著是信息類型，后面是數據，以逗號分隔開。信息的類型有：
GPGSV：可見衛星信息
GPGLL：地理定位信息
GPRMC：最小定位信息
GPVTG：地面速度信息
GPGGA：GPS定位信息
GPGSA：當前衛星信息
因為GPRMC最小定位信息包含系統所需要的時間信息，所以微控制器只需提取最小定位信息中的時間數據。
一行完整的最小定位信息數據如下：
$GPRMC，020603．000，A，3744．9012，N，11232．5569，E，0．00,96．40，140211，，，A*50
當GPS接收模塊收到數據傳給微控制器時，數據處理終端首先提取第一個逗號后的數據020603，它是UTC時間hhmmss(時分秒)格式，因為不是標準北京時間，所以要對其UTC日期ddmmyy(日月年)格式。最后，將處理完畢后的數據存到控制器的數據存儲器中，并通過串口發送給上位機軟件。
3．2上位機GPS授時軟件
GPS授時軟件是通過VC++6．0編寫的上位機程序，當軟件運行時首先采集本地計算機時間：如2011-02-14 10：05：58，當GPS模塊接收到正常數據并選擇正確的串行端口時，UTC時間信息經控制器處理成標準北京時間后輸出到校時系統中：如2011-02-14 10：06：03，如圖4所示。系統需要校時動作時，按下校時按鈕，然后彈出GPS校時信息，表明GPS同步校時成功。
4 結論
本文給出了針對授時系統的新方案，并對整體結構進行了深入分析，根據所需要實現的功能構建了整體軟硬件開發平臺。提出了一種基于ARM的GPS同步授時系統，通過GPS采集終端和微控制器數據處理終端，并結合上位機校時軟件成功實現了一種更加精確的同步授時方案。