关键词：gps；伺服电机；单片机；实时校时
随着经济社会的不断发展，人们生活的节奏逐步加快，人们对时间的度要求越来越高，尽管城市建筑物上的塔钟也越来越多，但大部分都是以传统塔钟为基础的传动、人工校时。传统的塔钟都是纯机械集成电路驱动控制的，走时极不稳定，需要人为周期地校时。现在的塔钟，一般由小规模集成电路控制步进电机走时，整个系统体积大、准确性不高。因此，设计可以实时校时的塔钟就成了研究的关键。
1、国内外研究现状
古老的机械塔钟以重锤为动力源，通过机械传动带动走针机构指示时间，并通过敲打专门铸出的“钟”来报时。近现代的机电塔钟的走针系统为机械式，控制系统为子母钟形式。塔钟为子钟，它接收高精度母钟（一般为石英钟）定期发出的电脉冲信号，通过步进电机带动走针机构指示时间，并与母钟同步运行。报时的钟声或音乐由录音磁带或程序控制方式发出。
目前，对于gps在授时方面的研究才刚刚起步，gps的高精度授时不仅可以提供准确的时间，还可以使电力交通通讯等部门的网络实现时间同步，如internet中的计算机、cdma基站等，都需要与utc时间同步。利用gps-oem接收板，进行二次研制开发实现时间同步，与传统授时方式相比，具有精度高、稳定性好、无累计误差，不受地域、气候等环境条件限制，性价比高和操作方便等特点。“gps塔钟”2007年才出现，虽有gps塔钟产品问世，但技术不成熟，许多问题有待进一步研究。伴随电子技术日新月异的发展，人们对时间同步要求越来越高，利用gps实现时钟同步是大势所趋。
2、系统的总体设计
本课题设计的gps塔钟是采用具有高精度的gps授时，微处理器控制系统为母钟形式，塔钟为子钟，它接收微处理器发送的脉冲，通过伺服电机带动指针走时，并与gps时间同步，音乐报时通过专门的语音芯片完成。
本系统主要由以下几部分组成：系统控制模块、接收模块、显示模块、键盘模块、电机模块、语音模块，如图1所示。
gps授时模式采用gps为标准时钟源，用单片机设计电路，由于使用软硬件结合方式，单片机作为核心控制器，大部分硬件电路被软件程序所取代，因此电路结构简单、调试方便、成本低、自动化程度高、可靠性高。
3、硬件设计
3．1微处理器的选择
本设计选用的是stc89c51rc单片机。它是宏晶科技推出的新一代*抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令代码*兼容传统的8051单片机，12时钟／机器周期和6时钟／机器周期可任意选择，的d版本内部集成max810复位电路。加密性强、*。
3．2gps接收器模块的选择
常见的gps接收器有很多，如sirf-stariie、sirf-stariii、sony-singlechipsolution-cxd2951、evermore、garmin等等。通过比较，本设计选择美国garmin系列gps15xi-w，它是经济卡的精品，并行12通道gps接收机、可同时跟踪12颗卫星、定位精度高、功耗低。gps实时差分精度3m～5m、支持waas功能。体积小巧、结构紧凑、易于应用、接受机信息可方便地显示于显示单元或pc机上。全屏蔽封装、具备抗电磁干扰特性。用户无需初始化，安装完毕，接受机即可自动传送导航数据；有较强的抗遮挡能力、性能极其稳定可靠。
3．3电机的选择
对常见的步进电机与伺服电机的比较可知，伺服电机主要优点：良好的速度控制特性，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡；率，90％以上，不发热；高速控制；高位置控制（取决于何种编码器）；额定运行区域内，实现恒力矩；低噪音；没有电刷的磨损，免维护；不产生磨损颗粒、没有火花，适用于无尘间、易爆环境。
因此，本设计选用的伺服电机型号为日本安川生产的sgmah-04aaa4c，功率400w，电压200v，电流2．8a，3000r／m。
3．4语音模块的选择
isd4002系列工作电压3v，单片录放时间4min～8min，音质好，适用于及其他便携式电子产品中。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口（spi或microwire）送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。
3．5系统原理框图
根据设计要求，它包括天线、gps-oem接收模块、单片机信号处理电路、eeprom存贮器、报时电路、扬声器，其中天线、gps-oem接收模块、单片机信号处理电路、主控制电路四部分以串联结构连接，主控制电路分别与eeprom存贮器、报时电路、显示电路以分支结构连接，报时电路与扬声器以串联结构连接。本系统原理框图如图2所示。
由于gps15xl-w输出的是rs232电平，at89c51单片机是cmos电平，所以二者之间通信需要电平转换。如图3所示。
4、软件设计
本系统软件设计主要有两部分：单片机控制时钟走时及单片机接收gps接收机时间信息进行实时校时，前者较为简单此处不再赘述，仅对校时系统进行介绍。
4．1gps同步校时方案选择
gps的校时可分为两种类型：脉冲中断方式和串行通信接口方式。gps本身提供的时间信息是非常的。但采用哪种方式对自动保护装置中的实时时钟芯片进行授时，就成了保证时间精度的关键。本设计选择串行通信方式可以满足塔钟基本要求。
串口通信方式是以串行数据流的方式输出时间信息，各个自动保护装置接收每秒一次的串行时间信息来进行校时。在此校时过程中，串口发送以及接受数据都是采用中断方式，双方的中断处理程序都将占用cpu的时间，此外延时的大小还与双方串口中断优先级的设置有关。另外，在串行通信方式中，数据是按照一定的波特率逐位传输的，因此总线传输也将有延时，该延时的大小与波特率以及传输的数据量均有关。在以上影响校时精度的各个因素中，只有传输延时是可以准确计算的，其他的只能作大致的估计，在将以上因素综合考虑后，可以通过给时间信息一个修正值，来保证校时的精度。
4．2获取gps标准时间信息
gps20em板采用nmea20183通信标准格式，可以输出多种句型，均以“$”开头。设计要提取的语句是“$gprmc”，$gprmc，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>3hh
软件编译窗口如图4所示：
5、小结
在系统设计中，完成以下几个部分：
（1）系统硬件设计，设计以可靠性和实用性为原则，选用器件在保证可用的基础上，尽量使电路简化，在设计过程中，用实验的方法完成了全部软件与硬件配合的调试工作；
（2）接收模块的软件是用汇编语言完成的，它的功能是从gps15xl-w中提取准确的时间信息；
（3）完成母钟走时和显示的功能；
（4）向伺服电机发送脉冲带动子钟的走时功能。