中国民航大学 朱 浩 陈柏安 钱文高深圳航空有限责任公司维修工程部 何满英 李晓平



多数据来源机载时钟设备的研究与设计

中国民航大学 朱 浩 陈柏安 钱文高
深圳航空有限责任公司维修工程部 何满英 李晓平

【摘要】本文研究民航飞机机载时钟功能及原理，设计出机载时钟设备仿真件，模拟时钟的时间显示和计时功能，用于机务模拟器实训教学。本套设备利用AT89C52单片机作中央处理单元，接收GPS以及北斗卫星较为准确的时钟授时。同时设备配备独立的DS1302芯片作为内部基准时钟源，用于GPS信号接收不正常等特殊情况时，来提供准确的时间显示以及完成实训及教学中的计时工作。经实物仿真验正，其可完成机载时钟设备提供精准计时及时间显示的功能。

【关键词】GPS授时；北斗授时；机载时钟；DS1302芯片；AT89C52

0　引言

随着中国民航事业的不断发展，民航业对于机务维修人员的需求与日俱增，而对相关从业人员的培养也尤为重要。机载时钟设备的主要功能是为机组人员提供其所需要的精确的当地时间，世界时间以及飞行耗费时长，同时其也是机务人员工作所需的主要计时仪器。但是在维修培训，以及相关的测试中，一般的机载时钟设备成本较为昂贵。所以实现高精度机载时钟设备的仿真设计对相关人员的使用有很大的帮助。

全球定位系统（global position system，GPS）可在全球范围提供全天候授时服务，是世界上覆盖范围最广，精度最高的时间系统[1]。北斗卫星导航系统（BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System）是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统[2]。

由于GPS信号源来自于美国并由军方控制，在自主性以及安全性上会存在一定的问题。所以北斗授时系统的引进可以在一定程度上提高机载时钟设备信号源的安全性与独立性。采用DS1302芯片可以自主计时。通过软件控制可判断GPS授时的准确性。GPS授时正常时,授时数据会校正DS1302计时的基础秒。

分析可知，基于GPS授时系统，北斗授时系统，与DS1302授时的多数据来源授时方案可以有效提高机载时钟设备的时钟精度及其稳定性和安全性。

GPS时钟采用的是世界协调时—UTC。其既可满足人们对均匀时间间隔的要求，也可满足人们对以地球自转为基础的准确世界时刻的要求[3]。在GPS卫星上载有与UTC时间同步的铯原子钟，这样它就成为了一种空间的时间基准，地面上的用户能够接收发自GPS卫星的时间服务信号，校正本机时钟，使之与GPS时钟同步，实现时间传递功能[4]。

由于机载时钟设备中的GPS/BD授时模块只需要被动的接收卫星转发的导航时间信息，结合本设计产品所采用的GPS/BD授时模块主要采用单向授时原理实现，则以BD授时系统中的单向授时技术原理来分析上述的误差来源[5]，如表1所示：

表1　卫星授时主要误差源

则可以得出授时精度为：δ=34ns ①

对于机载时钟设备，由于工作环境的特殊性，其多路径效应误差较小[6]。所以由式①可以得出其在理论上完全满足机载时钟设备工作精度的需求[7]。

基于DS1302的单片机内部独立计时，高精度晶振的工作方式。由于DS1302芯片计时存在累计误差[8]，需要及时利用GPS/BD有效授时时间进行校正，在较短时间内，GPS时钟不存在累积误差，可以在接收到GPS/BD有效时间信息时对芯片时间进行校正。

在GPS卫星正常工作时，此时的GPS授时芯片会反馈回代码A，用基本的静态接收的方法即可得到精确的时间[9]。此时对DS1302芯片进行实时信息校正。当返回值不为A，即卫星信号存在问题时，系统会自动切换，显示DS1302时间信息，当系统重新接收到卫星返回值A，会再次对DS1302芯片进行时间校正，实现与GPS时钟的信息同步[10]。

1　总体设计方案

如图1，该设计方案以单片机AT89C52为数据处理中心，接收GPS 以及北斗模块授予的时钟信号。通过调节相应按钮，可以在数码管上显示出对应的时间类型，同时单片机还外接有独立的计时模块用于计时整个飞行所耗用的时间，同时为特殊情况下导致不准的GPS及北斗授时时间进行校准。

图1　总体模块设计图

其中，GPS和北斗模块授予中央处理单元时间数据，同时内部DS1302模块授予中央处理单元内部时间，通过程序判断可在显示模块上显示准确的时间数据。同时，在GPS或北斗模块信号正常情况下，其可以校准DS1302的内部时间。通过按钮模块可以得到对应的时间数据或计时数据。

2　硬件部分

中央处理单元采用AT89C52单片机模块，其主要作用是接收GPS模块及北斗模块和DS1302芯片的实时时间数据，同时扫描设备相关按钮的实时位置，通过软件部分设定的转换机制，在数码管上显示出其正确对应的时间和计时时间。

卫星授时模块采用K2525M3G5 G-MOUSE芯片，其采用北斗/GPS双系统互为备用设计，支持单北斗，单GPS，北斗/GPS双系统。授时精度为30us，标准时钟脉冲为0.25Hz～1KHz，启动时间33s，温启动时间30s，热启动时间1s。在信号强度较好时，可以接收到北斗与GPS双模块的时间信息。信号较弱时，可以接收北斗模块或GPS模块有效信息。在能接收到有效信息的条件下，通过中央处理器处理数据，将有效的授时信息显示在数码管上，并及时对DS1302芯片进行实时校准。通过按下相应的按键可以切换数码管上显示时间或日期信息。

DS1302模块采用涓流充电时钟芯片，该芯片内部包含一个实时时钟/日历和31字节的静态RAM，通过串行通信口可与单片机进行实时通信。实时时钟/日历电路提供精确到秒的实时时钟信息，每月的天数以及闰年的天数可以自动调整。DS1302芯片提供单片机内部计时，同时提取时钟的秒时间作为耗用时间（ET）计时的基准，用于计时飞机飞行及其它计时的时长。

计时模块以DS1302为时间信息来源，通过获取计时开始的时间作为计时时基，在开始键按下以后，实时获取DS1302的时间信息，并通过中央处理器对数据进行处理，得到计时时间，并发送到显示模块，显示相应的计时时间。

显示模块采用数码显示管，显示UTC时间，时钟所在地的当地时间，以及飞行及其他计时的耗用时间。数码管采用芯片MX7219驱动完成时间及其日期的正确显示，芯片MX7219在此设备中可以减少I/O口的使用，节约I/O口资源。

图2　串口通信接收BD/GPS授时时间信息方案设计图

3　软件部分

北斗/GPS双模模块发送数据格式如下：

$GPRMC,123400.000,A,4002.217821,N,11618.105743,E,0.026,18 1.631, 180411,,E,A*2C

$BDRMC,123400.000,V,4002.217821,N,11618.105743,E,0.026,18 1.631, 180411,,E,A*2C

其中：GPRMC代表GPS数据信息，BDRMC代表北斗数据信息。123400.000对应格式为 hhmmss.sss（hh-小时，mm-分，ss-秒），180411对应格式为ddmmyy（dd-日，mm-月，yy-年）。数据有效判别位为‘A’位，如果数据有效该位为‘A’，如果数据无效该位为‘V’。因此可根据接收到的此位的字符判定数据是否有效，并判别是否对DS1302芯片进行时间校正。如果接受到的有效标志位均为‘A’，则选择GPS授时时间对DS1302进行时间校正并驱动显示模块显示GPS授时时间[11]。

处理接收数据方面，由串口接收到的每一位数据为数字的字符格式，需要进行相应的数制转换，将ASCII码值转换为对应数字。计算公式为：数值=接收的ASCII码值-48。获取时间信息的公式：

在转换成北京时间的算法中,hour需要进行加8处理，在进行hour 加8小时处理过程中，当超过当天的24时，此时日期将进行加1处理，同时对日期、月份，年份进行判断，进行相应的进位或者借位处理。

串口通讯接收BD/GPS授时时间信息方案设计如图2所示。

通过截取部分有用授时信息，有效节约单片机内部存储空间。

在处理计时时间过程中，在开始计时键按下时，得到DS1302当前时间，并存入相应的数组，作为计时时间的起始时基.在计时过程中，不断读取DS1302的时间信息，通过算法处理数据得到耗用时间，并将其传送到显示模块进行显示。

由上述步骤，可得如图3显示数据。测试证明，该设备可以提供高精度稳定的时钟信号，满足功能的需求。

图3　设备显示面板

4　结束语

本文主要介绍了一种多数据来源的高精度机载时钟设备研究及设计.仿真出通过北斗模块、GPS模块和DS1302模块,在确保能够正常接收时间信号的情况下可以获得较高精度时钟设备。北斗/GPS的时钟误差在信号强度时为20ns-150ns，在中央处理器处理数据通过仿真，到数据在显示模块显示出来执行约260us，总体误差在3us左右。通过RS232接收数据，处理数据以及显示数据，在优化程序的过程中实现高精度性，同时满足机载时钟设备使用的要求。

参考文献

[1]刘庆存.一款基于GPS授时的时钟设计与实现[J].中国科技纵横,2015.

[2]北斗卫星导航系统.北斗卫星导航系统简介[OL].http://www.beidou. gov.cn/2011/12/06/20111206e06b16a3bd8846459b969277a3317e5b.html.

[3]张斌.基于GPS的高精度时钟在线校频与授时研究[J].中国电机工程学报,2015.

[4]杜晶晶.无线电通信技术在地震数据采集系统中的应用研究[D].北京建筑工程学院硕士论文,2012.

[5]曾祥君,伊项根等.GPS时钟在线监测与修正方法[J].中国电机工程学报,2002,22(12):41-46.

[6]Zhu L,Qian Z,Shen X,et al.The Research of GPS-Based Unmanned Substation Equipment Failure Positioning System[J].Smart Grid,2014,4(4).

[7]严丽,黄丁发,冯威,李萌.COMPASS与GPS伪距单点定位性能比较研究[C]. 广州:第三届中国卫星导航学术年会,2012,7.

[8]淡海英.基于AT89C51控制的电子万年历系统设计[J].陕西国防工业职业技术学院学报,2014.

[9]刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法(第二版)[M].北京:科学出版社,2008.

[10]王淑芳,王礼亮.卫星导航定位系统时间同步技术[J].全球定位系统,2005(2):10-14.

[11]王惠南.GPS导航原理与应用[M].北京:科学出版社,2003.

朱浩（1995—），男，现就读与中国民航大学，研究方向：电子信息工程、自动控制。

陈柏安（1993—），男，现就读于中国民航大学，研究方向：电子信息工程、自动控制。

作者简介：

基金项目：大学生创新创业训练项目（项目编号：2015100590820）。