基于UM220芯片研发的北斗_GPS双模授时系统

黄明亮 林滨 柯如峰

摘  要：通过研究NTP协议，利用和芯星通的UM220-III N双系统高性能GNSS模块提供的北斗/GPS时间信息，通过单片机和W5500网络模块等硬件构造UDP服务器。使用常见的单片机作为处理器，利用STC12C5A60s2的串行接口接收UM220模块输出的NMEA0183语句数据，通过单片机、网络模块和RT1602C型通用液晶显示模块相结合，搭建一套北斗_GPS双模授时系统，完成对空管系统的授时应用。

关键词：UM220;单片机;北斗;GPS;NTP;串口报文

1 引言

信息技术的发展和普及应用，对时间精度提出了更高的要求。在诸多授时方法中，卫星授时以其高精度和全球覆盖度已经成为授时的主要手段。目前空管所使用的空管自动化系统、内话系统、记录仪系统、传输系统等均接入了GPS时钟作为授时时钟源。随着我国北斗导航系统的逐渐成熟，北斗导航系统也能够提供标准的时钟源。利用北斗导航系统时钟给空管设备授时，可消除单一GPS时钟授时存在单点故障隐患，使民航安全生产得到保障。基于此现状，研究基于北斗和GPS系统的授时系统在空管设备中的应用。

2 授时方式简介

（1）串口报文对时

串口通信是指外设和计算机间，通过数据信号线、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。串口报文对时也称软对时，是利用一组时间数据（年、月、日、时、分、秒）按一定的格式、速率和顺序等，通过串行通信接口发送给被授时装置，被授时装置利用这组数据预置其内部时钟。常用的串行通信接口为RS-232和RS-422/RS-485.串口报文对时的优点是数据全面、不需要人工预置。

（2）NTP网络授时

NTP（Network Time Protocol）是网络时间协议，它是用来同步网络中各个计算机的时间的协议。网络时钟传输的是以1900年1月1日0时0分0秒算起时间戳的用户数据协议（UDP）报文，周64位表示，前32位为秒，后32位为秒等分数。网络中报文往返时间是可以估算的，因而采用补偿算法可以达到精确对时的目的。

NTP的基本工作原理如下图所示。

T1：客户端请求发送时间

T2：服务端收到请求的时间

T3：服务端答复时间

T4：客户端收到答复的时间

通过这四个时间戳，我们可以计算出NTP报文的往返时间Delay=（T4-T1）-（T3-T2），客户端相对服务端的时间差offset=（（T2-T1）+（T3-T4））/2。网络方式对时的优点是基于现有网络，物理实现方便，新引进的空管设备大部分均支持NTP授时，本次课题也是基于此种授时方式进行研发。

3 基于UM220研发的北斗_GPS双模授时系统设计

该系统是基于和芯星通的UM220-III N双系统高性能GNSS模块、51单片机和网络模块W5500开发，使用常见的51单片机作为处理器，利用STC12C5A60s2的串行接口接收UM220模块输出的NMEA0183语句数据，通过单片机、网络模块和RT1602C型通用液晶显示模块相结合，完成网络授时和时间显示功能，该系统设计思路如下：

3.1硬件设计

卫星时间接收模块：采用UM220-III N芯片模块，该模块能够同时支持BD2 B1，GPS L1两个频点，接收北斗和GPS卫星信号，并通过软件配置选择模块上串口输出数据，可选择只接收北斗卫星信号或者只接收GPS卫星信号或者两者同时接收，本次研发是选择同时接收GPS和BD卫星信号。该模块串口1为主串口，输入输出信号类型为LVTTL电平，默认波特率为9600bps，最高可以设为115200bps，可自行配置。模块上还集成了MAX232芯片，提供EIA/TIA-232-E标准电平，以便与PC机等通过RS232串口进行通信。模块输出的时间信息，通过串口发送给51单片机进行接收处理。

服务器模块：W5500+STC51单片机模块中W5500是一款TCP/IP嵌入式以太网控制器，提供了更加简易的互联网连接方案，W5500集成了TCP/IP协议栈，10/100M以太网数据链路层及物理层，内嵌32K字节片上缓存以供以太网包处理，能同时使用8个硬件socket独立通讯。STC51单片机简单易学，应用广泛，价格便宜，此次研发选用的是51单片机中的STC12C5A60s2芯片，该芯片是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。

时间接收模块输出的时间信息输出至服务器模块的P30和P31引脚，经过51单片机串口中断完成时间接收，通过STC12C5A60s2+W5500搭建硬件平台，通过指令编程构造的SNTP服务器，完成网络授时功能。

3.2软件设计

本系统软件由5个模块组成。分别是系统初始化模块，串口中断处理模块，UDP服务器模块，SNTP数据包收发处理模块，数据显示模块。

系统初始化模块：在用户对设备加电时，对单片机的硬件端口、液晶显示模块、W5500模块做初始化操作;

串口中断处理模块：在UM220接收到时间信息后，触发STC12C5A60s2串口中断，利用编程指令完成时间信息接收和处理;

UDP服务器模块：由于NTP协议工作于UDP模式，利用编程指令构造UDP协议，定义端口运行于UDP模式，定义网络参数变量，定义好UDP模式下数据的接收和处理功能。

SNTP数据包收发处理模块：接收并处理接收到的SNTP数据包，解析数据包时间信息，构造SNTP协议并发送NTP报文给被授时用户。

数据显示模块：负责将接收到的时间信息，显示到1602显示屏指定位置。

4 结束语

基于UM220研發的北斗_GPS双模授时系统，不仅能够同时接收北斗和GPS两种卫星时间提供精确的时间信息，而且具有硬件电路简单，编程方便，性能稳定的特点，并且较好的同时实现了NTP授时和串口报文授时两种授时功能，满足了大部分空管设备对授时系统的需求，具有一定的推广使用价值。