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。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，即ASCII字符“回車”（十六進制的0D）和“換行”（十六進制的0A）結束。下面以本文使用的GPRMC語句為例說明其格式：

$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。