采用同步计时提高GPS钟的时间脉冲输出精度
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应对 CTC 秒计数器进行重新装入并启动。当时间数据为“00”分时，查询 CTC 分计数器是否“0”、如 不是“0”，则说明 CTC 分计数器与 GPS 时间信息不同步，应对 CTC 分计数器进行重新装入并启动（图 3）。
图 3 波形图 这样就保证了 CTC 计数器输出的高精度时、分脉冲与 GPS 时间信息 同步，使 整 个 系 统 输 出 的 时、分、秒 脉 冲 精 度 接 近 GPS 秒 脉 冲 的 精 度 （可达 3. 0 × 10 - 7s）。 经同步后输出的高精度时、分、秒脉冲上升沿同步精度为 5. 0 × 10 - 7 s，远远高于未采用同步计时的精度（图 4）。
第 26 卷 第 3 期 2003 年 7 月
地震研究
JOURNAL OF SEISMOLOGICAL RESEARCH
Vol . 26， No . 3 July，2003
采用同步计时提高 GPS 钟的时间脉冲输出精度*
王 丰 付建华 陈力刚 张香荣
（河南省地震局，郑州 450000）
摘要 全球定位系统 GPS（Global Positioning System）是美国研制的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ航、授时和定位系统。论述了采用 GPS 时 间同步技术，实现 GPS 钟输出时间脉冲精度小于 10 - 6s 的方法。指出仅用软件计时，GPS 钟输出时间脉冲精度 将大于 10 - 5s；而采用软件、硬件相结合的 GPS 时间同步技术，能充分利用单片机的资源，弥补软件计时的不 足，从而大幅度提高了 GPS 钟时间脉冲的输出精度（达到 0.5 × 10 - 7s）。
2.2 同步计时 CTC 的连接及设定 CTC0 设置为定时器工作方式，用于 SIO 串行通讯的波特率发生器，传送速率为 9600bit。 CTC1、CTC2 设置为计数器工作方式，CTC1 为秒脉冲计数，GPS 高精度秒脉冲信号从 CLK / TRG1 输
入，从 ZC / TO1 输出分脉冲，其输出脉宽为 2. 0 × 10 - 6 s，分脉冲同时送时分号输出电路和分计数器。 CTC2 为分脉冲计数，分脉冲信号从 CLK / TRG2 输入，从 ZC / T02 输出时号脉冲，其输出脉宽为 2. 0 × 10 - 6
参考文献
［1］何立民 . 单片机应用系统设计［M］. 北京：航空航天大学出版社，1990 . ［2］周明德 . 微型计算机硬件软件及其应用［M］. 北京：清华大学出版社，1984 .
图 4 同步计时流程图
3期
王 丰等：采用同步计时提高 GPS 钟的时间脉冲输出精度
285
Enhancing the GPS Clock’s Time Pulse Precision By Adopting Synchronons Timing
目前，我国各地震台站大量使用烟台产的 SY - 2、SY - 5 石英钟。由于机械磨损和元器件老化使日 误差大于 0.1s，再加上累计误差，远不能满足地震监测的精度要求。另外，部分地震台站受地理位置、 气候的影响，接收天文台的 BPM 授时信号较困难。而 HGPS 高精度同步钟较好的解决了上述问题，它可 直接接收卫星信号，采用单片机运算，由彩色液晶显示器同时显示出“是否定位、接收卫星颗数、年、 月、日、时、分、秒、经度、纬度、高程、速度”，不需校时、不受地理位置、气候的影响，输出时间 脉冲上升沿同步精度为 5. 0 × 10 - 7s（河南省技术监督局计量研究所测定）。HGPS 高精度同步钟采用多路 输出、程控脉冲宽度（0.001 ～ 0.1s）、程控输出脉冲 幅度（1 ～ 5V）、RS232接口，可用于地震监测和其它 需要高精度时间基准的部门。
* 收稿日期：2002 - 10 - 31 . 基金项目：河南省科技攻关项目（项目编号：001210204）. 作者简介：王 丰（1972 ～ ），男，河南人，工程师，主要从事地震仪器研制工作 .
3期
王 丰等：采用同步计时提高 GPS 钟的时间脉冲输出精度
283
了实现本机功能，对存储器进行了扩充。
首先，对工作区内存、CTC、SIO 进行初始化，当 GPS 接收板接收到 GPS 信息后，通过 SIO 口进入 单片机，由单片机对该信息进行识别判断。识别出时间、经纬度、速度、高度信息后，判断是不是与
UTC 信号同步。同步后，即启动 CTC 开始计时，同时，对信息分别进行必要的处理。由彩色液晶显示 器同时显示时间、经纬度、速度、高度、年、月、日和研制单位，同时输出高精度（≤10 - 7 s）的时、 分、秒脉冲。
关键词：同步计时；GPS 钟；单片机；时间脉冲；输出精度 中图分类号：P315.5 文献标识码：A 文章编号：1000 - 0666（2003）03 - 0282 - 04
0 引言
“HGPS 高精度同步钟”是河南省“2000 年科技攻关”项目，河南省科技厅 2001 年 12 月对该项目进 行了验收鉴定。该钟是根据地震观测系统发展的要求而研制的高精度时间服务系统。在该项研究中，针 对单片机在对接收到的 GPS 信号数据流进行输入、判断处理、存储、信号输出过程中，因软件运行引 起输出时间脉冲精度下降问题，采用了同步计时技术，从而研制出了具有高精度、高稳定度时间脉冲输 出的 HGPS 高精度同步钟。
284
地震研究
26 卷
s，时号脉冲接时分号输出电路。时分号输出电路对 CTC 输出的时、分脉冲信号进行脉冲展宽、隔离、 放大后输出。
3 软件同步计时的实现
程序对于 GPS 信息流中的时间数据不断进行处理，判断是否为“00”秒、“00”分。当时间数据为 “00”秒时，查询 CTC 秒计数器是否“0”，如不是“0”，则说明 CTC 秒计数器与 GPS 时间信息不同步，
4 结论
采用 GPS 时间同步计时技术研制完成的 HGPS 高精度同步钟，解决了 软件计时引起的计时误差，提高了时间信号脉冲输出精度。HGPS 高精度 同步钟已在洛阳国家数字地震基准台进行了长期运行实验（2001 年 2 月 24 日 ～ 5 月 30 日）。经有关专家鉴定后，HGPS 高精度同步钟现运行于安 阳地震台、林州地震台，作为 DD - 1 型模拟地震记录器的时间基准；还 作为模拟流动地震记录器的时间基准，应用在 2001 年 3 月林州新台址台 基测试中。实验证明，该仪器运行可靠、操作简便，为地震监测仪器提供 了高精度、高稳定度的时间基准信号，直接提高了地震资料的记录质量和 震相分析定位的精度。同时，也可为其它领域的科研及工程测试提供高精 度的时间服务。
为了提高时间信号脉冲的输出精度，在设计中充分利用单片机内部的硬件资源，采取由单片机内部 的 CTC 计数器对接收到的 GPS 高精度秒脉冲（3. 0 × 10 - 7s）进行计数，再由软件对计数后的时、分脉冲 进行同步处理。 2.1 CTC 主要特性
CTC 有 4 个通道，每个通道都可由程序选择工作在定时方式或计数方式。每个通道有一个 8 位计数 器，由时间常数寄存器赋予初值（每次回“0”时重新赋值）（图 2）。
1 系统硬件设计及工作原理
在整体设计中采用了 KODEN 公司生产的授时型
GSD - 25GPS 接 收 板 和 TOSHIBA 公 司 生 产 的 TM-
PZ84C015B - 12 型单片机系统、6 英寸彩色液晶显示 系统、光电隔离时分号输出电路、电源电路。GPS 接
图 1 系统硬件构成
收板接到单片机的 SIO 串行口，彩色液晶显示通过数据线、地址线与单片机实现并行通信（图 1）。为
Wang Feng Fu Jianhua Chen Ligang Zhang Xiangrong
（ Seismological Bureau Of Henan Province， Zhengzhou 450000， China）
Abstract The Global Positioning System（GPS）is studied and developed by America . It is the system of navigation，orientation and giving the right time . This paper describes that the output precision of the GPS Clock’s time pulse is within 10 - 6s after adopting technology of synchronous timing . On the other hand，the output preciseness of the GPS Clock’s time pulse would be over 10 - 5 s if just timing by software . One can make full use of SCM’s resource and compensate deficiency of software timing by synchronous-timing technology of combining software with hardware . So the output preciseness of the GPS Clock’s time pulse is greatly enhanced（ T = 0.5 × 10 - 7s）. Key words：synchronous timing；Global Positioning System；Single Chip Microco；time pulse；output precision of time
2 同步计时的实现
单片机在对接收到的 GPS 信号数据流进行输入、判断处理、存储及信号输出过程中，软件运行需 要时间，尽管 TMPZ84CO15B 采用 12MHz 晶振，这仍将影响到输出时间信号的精度，其软件输出的时、 分脉冲滞后 GPS 高精度秒脉冲上升沿大约十几毫秒。这就使接收到的 GPS 高精度时间信号的失去了意 义，同时也远远不能满足本项研制的技术要求。
图 2 CTC 连结框图 当通道工作于计数方式时，由 CLK / TRG 输入一系列脉冲，在每一个触发脉冲的有效沿后与下一个 φ（系统时钟）的上升沿同步，使计数器减 1。当减法计数器回“0”时，可向 CPU 发出中断请求，通道 “0 ～ 2”还可以发出 ZC / T0 脉冲，该信号脉冲能驱动达林顿晶体管。 当通道工作于定时器方式时，通道“0 ～ 2”还可以发出一个周期精确的均匀的脉冲序列，其周期为： T0 = tc × P × TC 式中， tc 是系统时钟周期；P 是定标器系数，可由程序设定为 16 或 256；TC 是由程序预置的时间 常数。
图 3 波形图 这样就保证了 CTC 计数器输出的高精度时、分脉冲与 GPS 时间信息 同步，使 整 个 系 统 输 出 的 时、分、秒 脉 冲 精 度 接 近 GPS 秒 脉 冲 的 精 度 （可达 3. 0 × 10 - 7s）。 经同步后输出的高精度时、分、秒脉冲上升沿同步精度为 5. 0 × 10 - 7 s，远远高于未采用同步计时的精度（图 4）。
第 26 卷 第 3 期 2003 年 7 月
地震研究
JOURNAL OF SEISMOLOGICAL RESEARCH
Vol . 26， No . 3 July，2003
采用同步计时提高 GPS 钟的时间脉冲输出精度*
王 丰 付建华 陈力刚 张香荣
（河南省地震局，郑州 450000）
摘要 全球定位系统 GPS（Global Positioning System）是美国研制的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ航、授时和定位系统。论述了采用 GPS 时 间同步技术，实现 GPS 钟输出时间脉冲精度小于 10 - 6s 的方法。指出仅用软件计时，GPS 钟输出时间脉冲精度 将大于 10 - 5s；而采用软件、硬件相结合的 GPS 时间同步技术，能充分利用单片机的资源，弥补软件计时的不 足，从而大幅度提高了 GPS 钟时间脉冲的输出精度（达到 0.5 × 10 - 7s）。
2.2 同步计时 CTC 的连接及设定 CTC0 设置为定时器工作方式，用于 SIO 串行通讯的波特率发生器，传送速率为 9600bit。 CTC1、CTC2 设置为计数器工作方式，CTC1 为秒脉冲计数，GPS 高精度秒脉冲信号从 CLK / TRG1 输
入，从 ZC / TO1 输出分脉冲，其输出脉宽为 2. 0 × 10 - 6 s，分脉冲同时送时分号输出电路和分计数器。 CTC2 为分脉冲计数，分脉冲信号从 CLK / TRG2 输入，从 ZC / T02 输出时号脉冲，其输出脉宽为 2. 0 × 10 - 6
参考文献
［1］何立民 . 单片机应用系统设计［M］. 北京：航空航天大学出版社，1990 . ［2］周明德 . 微型计算机硬件软件及其应用［M］. 北京：清华大学出版社，1984 .
图 4 同步计时流程图
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王 丰等：采用同步计时提高 GPS 钟的时间脉冲输出精度
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Enhancing the GPS Clock’s Time Pulse Precision By Adopting Synchronons Timing
目前，我国各地震台站大量使用烟台产的 SY - 2、SY - 5 石英钟。由于机械磨损和元器件老化使日 误差大于 0.1s，再加上累计误差，远不能满足地震监测的精度要求。另外，部分地震台站受地理位置、 气候的影响，接收天文台的 BPM 授时信号较困难。而 HGPS 高精度同步钟较好的解决了上述问题，它可 直接接收卫星信号，采用单片机运算，由彩色液晶显示器同时显示出“是否定位、接收卫星颗数、年、 月、日、时、分、秒、经度、纬度、高程、速度”，不需校时、不受地理位置、气候的影响，输出时间 脉冲上升沿同步精度为 5. 0 × 10 - 7s（河南省技术监督局计量研究所测定）。HGPS 高精度同步钟采用多路 输出、程控脉冲宽度（0.001 ～ 0.1s）、程控输出脉冲 幅度（1 ～ 5V）、RS232接口，可用于地震监测和其它 需要高精度时间基准的部门。
* 收稿日期：2002 - 10 - 31 . 基金项目：河南省科技攻关项目（项目编号：001210204）. 作者简介：王 丰（1972 ～ ），男，河南人，工程师，主要从事地震仪器研制工作 .
3期
王 丰等：采用同步计时提高 GPS 钟的时间脉冲输出精度
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了实现本机功能，对存储器进行了扩充。
首先，对工作区内存、CTC、SIO 进行初始化，当 GPS 接收板接收到 GPS 信息后，通过 SIO 口进入 单片机，由单片机对该信息进行识别判断。识别出时间、经纬度、速度、高度信息后，判断是不是与
UTC 信号同步。同步后，即启动 CTC 开始计时，同时，对信息分别进行必要的处理。由彩色液晶显示 器同时显示时间、经纬度、速度、高度、年、月、日和研制单位，同时输出高精度（≤10 - 7 s）的时、 分、秒脉冲。
关键词：同步计时；GPS 钟；单片机；时间脉冲；输出精度 中图分类号：P315.5 文献标识码：A 文章编号：1000 - 0666（2003）03 - 0282 - 04
0 引言
“HGPS 高精度同步钟”是河南省“2000 年科技攻关”项目，河南省科技厅 2001 年 12 月对该项目进 行了验收鉴定。该钟是根据地震观测系统发展的要求而研制的高精度时间服务系统。在该项研究中，针 对单片机在对接收到的 GPS 信号数据流进行输入、判断处理、存储、信号输出过程中，因软件运行引 起输出时间脉冲精度下降问题，采用了同步计时技术，从而研制出了具有高精度、高稳定度时间脉冲输 出的 HGPS 高精度同步钟。
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地震研究
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s，时号脉冲接时分号输出电路。时分号输出电路对 CTC 输出的时、分脉冲信号进行脉冲展宽、隔离、 放大后输出。
3 软件同步计时的实现
程序对于 GPS 信息流中的时间数据不断进行处理，判断是否为“00”秒、“00”分。当时间数据为 “00”秒时，查询 CTC 秒计数器是否“0”，如不是“0”，则说明 CTC 秒计数器与 GPS 时间信息不同步，
4 结论
采用 GPS 时间同步计时技术研制完成的 HGPS 高精度同步钟，解决了 软件计时引起的计时误差，提高了时间信号脉冲输出精度。HGPS 高精度 同步钟已在洛阳国家数字地震基准台进行了长期运行实验（2001 年 2 月 24 日 ～ 5 月 30 日）。经有关专家鉴定后，HGPS 高精度同步钟现运行于安 阳地震台、林州地震台，作为 DD - 1 型模拟地震记录器的时间基准；还 作为模拟流动地震记录器的时间基准，应用在 2001 年 3 月林州新台址台 基测试中。实验证明，该仪器运行可靠、操作简便，为地震监测仪器提供 了高精度、高稳定度的时间基准信号，直接提高了地震资料的记录质量和 震相分析定位的精度。同时，也可为其它领域的科研及工程测试提供高精 度的时间服务。
为了提高时间信号脉冲的输出精度，在设计中充分利用单片机内部的硬件资源，采取由单片机内部 的 CTC 计数器对接收到的 GPS 高精度秒脉冲（3. 0 × 10 - 7s）进行计数，再由软件对计数后的时、分脉冲 进行同步处理。 2.1 CTC 主要特性
CTC 有 4 个通道，每个通道都可由程序选择工作在定时方式或计数方式。每个通道有一个 8 位计数 器，由时间常数寄存器赋予初值（每次回“0”时重新赋值）（图 2）。
1 系统硬件设计及工作原理
在整体设计中采用了 KODEN 公司生产的授时型
GSD - 25GPS 接 收 板 和 TOSHIBA 公 司 生 产 的 TM-
PZ84C015B - 12 型单片机系统、6 英寸彩色液晶显示 系统、光电隔离时分号输出电路、电源电路。GPS 接
图 1 系统硬件构成
收板接到单片机的 SIO 串行口，彩色液晶显示通过数据线、地址线与单片机实现并行通信（图 1）。为
Wang Feng Fu Jianhua Chen Ligang Zhang Xiangrong
（ Seismological Bureau Of Henan Province， Zhengzhou 450000， China）
Abstract The Global Positioning System（GPS）is studied and developed by America . It is the system of navigation，orientation and giving the right time . This paper describes that the output precision of the GPS Clock’s time pulse is within 10 - 6s after adopting technology of synchronous timing . On the other hand，the output preciseness of the GPS Clock’s time pulse would be over 10 - 5 s if just timing by software . One can make full use of SCM’s resource and compensate deficiency of software timing by synchronous-timing technology of combining software with hardware . So the output preciseness of the GPS Clock’s time pulse is greatly enhanced（ T = 0.5 × 10 - 7s）. Key words：synchronous timing；Global Positioning System；Single Chip Microco；time pulse；output precision of time
2 同步计时的实现
单片机在对接收到的 GPS 信号数据流进行输入、判断处理、存储及信号输出过程中，软件运行需 要时间，尽管 TMPZ84CO15B 采用 12MHz 晶振，这仍将影响到输出时间信号的精度，其软件输出的时、 分脉冲滞后 GPS 高精度秒脉冲上升沿大约十几毫秒。这就使接收到的 GPS 高精度时间信号的失去了意 义，同时也远远不能满足本项研制的技术要求。
图 2 CTC 连结框图 当通道工作于计数方式时，由 CLK / TRG 输入一系列脉冲，在每一个触发脉冲的有效沿后与下一个 φ（系统时钟）的上升沿同步，使计数器减 1。当减法计数器回“0”时，可向 CPU 发出中断请求，通道 “0 ～ 2”还可以发出 ZC / T0 脉冲，该信号脉冲能驱动达林顿晶体管。 当通道工作于定时器方式时，通道“0 ～ 2”还可以发出一个周期精确的均匀的脉冲序列，其周期为： T0 = tc × P × TC 式中， tc 是系统时钟周期；P 是定标器系数，可由程序设定为 16 或 256；TC 是由程序预置的时间 常数。