GPS電子時鐘在空管設備運行中的分析與設計

馮斯聰

【摘 要】考慮到精確的時間顯示有助于提升空管設備運行保障能力，提出了一種基于GPS的電子時鐘系統，該系統實現了在LED顯示屏上顯示時間和文字信息，并具備溫濕度顯示和定時巡視提醒功能，同時基于Visual Basic.NET開發了該系統的控制軟件。該系統在實際應用中起到一定的經濟效益，對空管設備運行保障具有實際意義。

【關鍵詞】GPS；電子時鐘；Visual Basic.NET；空管

0 引言

精確的時間對于民航系統的運行保障是至關重要的，用以設備間的同步，消除潛在的數據丟失問題。管制指揮、設備運行、氣象發報、值班巡視等運行保障工作都需要精確的時間，而GPS可以縮小時間同步上的誤差，提供更加精確的時間信息。如果自動化系統出現時間上的偏差，則可能導致雷達信號的抖動，嚴重的話將影響管制員的正常指揮。如果氣象觀測員由于時間上的偏差造成發報超過一分鐘，則是一般差錯，超過兩分鐘則是嚴重差錯[1]。目前，我站使用的是功能單一的電子時鐘，需要額外配合大屏幕進行運行信息的顯示。因此，需要設計一款在功能上和成本上都能滿足空管設備運行要求的GPS電子時鐘。

1 系統總體結構

針對我站的實際情況，根據市場上現有的產品，分析了各種技術的適用性和優缺點，從增加實用功能性、提高產品通用性、降低開發成本等角度進行設計，確定了總體方案。具體設計思路如下。

1.1 軟、硬件設計上采用市場使用率高的電子元器件

為節省了硬件設計上的成本，縮短了開發周期，在滿足功能需求的前提下，利用市場上使用率高的電子元器件，在硬件上采用了STC12C5A60S2單片機、DS1302時鐘芯片、USR-TCP232-T24模塊、DHT11溫濕度傳感器和ISD1820語音錄放芯片。在軟件上采用C語言進行硬件編程和Visual Basic.NET進行PC軟件編程。

1.2 時間顯示具備一定的容錯能力

由于空管設備對運行穩定性的要求較高，因此該系統時必須擁有一定的容錯能力。在設計上以GPS為主用，內置時鐘芯片為備用。如果其中一方出現數據丟失，則可由另一方作為數據源。單片機通過識別串口接收到的數據來判斷是否為GPS時鐘數據：如果是，則顯示GPS時間，同時每一個小時校正一次內部時鐘芯片；如果不是，則顯示內置時鐘芯片的時間。

當單片機串口數據突然中斷時，單片機會延時3秒鐘：如果3秒內依舊沒有接收到東進GPS時鐘數據，則自動轉為DS1302時鐘芯片的時間；如果3秒內接收到東進GPS時鐘數據，則繼續讀取并顯示GPS時鐘。

1.3 采用128*32 LED顯示屏進行時間和信息顯示

近年來，LED顯示屏成為了當前普遍使用的顯示方案，具有高清晰度、大視角等特點，可以用于圖文顯示等。相比使用液晶顯示屏，LED顯示屏的使用成本更低，故采用了兩塊64*32 LED顯示屏組成的128*32 LED顯示屏。

1.4 可通過軟件對LED顯示進行時間和信息的控制

基于Visual Basic.NET開發的控制軟件可以實現文字的傳輸以實現文字的顯示，利用字庫將需要顯示的字符轉換為LED顯示屏可以識別的數據，從而顯示在LED屏幕上，同時該軟件還可以實現在時間和文字顯示之間的切換，在線修改內置時鐘芯片時間。

1.5 設計上充分考慮其使用的多功能性

結合我站實際工作的要求，該系統還增加了一些在值班巡視中常用的功能：溫濕度顯示和定時巡視提醒。

2 關鍵技術實現

2.1 LED顯示屏的控制

近年來，LED顯示屏成為了當前普遍使用的顯示方案，故采用了兩塊64*32 LED顯示屏組成的128*32 LED顯示屏，通過74HC245雙向緩沖器提高單片機的負載能力，搭配5V 15A的開關電源，不僅可以顯示時間，還可以顯示溫濕度和最多16個漢字字符。

LED顯示屏設計的核心是對其顯示的控制，該顯示屏提供08接口形式。該接口共有16個引接，其中A、B、C、D引腳表示行信號，R1、R2、G1、G2引腳表示列信號，EN引腳表示使能，SCK引腳表示時鐘，STB引腳表示鎖存，GND引腳表示地[2]。

對于128*32的雙色LED顯示屏來說，總共有128列，通過64個74HC595芯片進行級聯，將其擴展為128位串行輸入，128位并行輸出，從而實現對128列信號進行控制。R1、R2、G1、G2引腳就是用來輸入128位串行數據的。其中，R1、G1用來控制上半屏16行的紅、綠信號，R2、G2用來控制下半屏16行的紅、綠信號。

因此，通過循環行信號，移位串行輸入每一行的列信號數據，然后鎖存列信號，就可實現LED顯示屏的顯示。

2.2 GPS數據的接收

我站使用的GPS數據源是東進GPS服務器，該服務器只提供RS232接口，無法滿足各類設備的引接，因此我站利用串口轉網絡模塊，將GPS數據引接到接入交換機上，實現了各類設備對GPS數據的引接。

該服務器在協議上采用的是TCP Server模式，需要創建一個TCP Client建立與服務器的連接。該服務器每秒鐘發送的數據格式為：“5C 11 00 00 00 0A 15 2A 14 10 02 19 04 9D”，其中第6、7、8字節表示的是時分秒，而第10、11、12、13字節表示的是年月日星期。

因此，利用USR-TCP232-T24模塊，單片機可通過串口接收GPS數據[3]，判斷數據包頭正確后，讀取第6、7、8、10、11、12、13字節，將時間信息顯示在LED顯示屏上。

2.3 PC軟件的設計

為提高該系統的可操作性，在Visual Basic.NET平臺上開發了該系統的控制軟件。該軟件的功能是實現LED顯示屏在時間與信息顯示之間的切換、實現中、英等字符的傳輸與顯示、實現內置時鐘的在線修改，通過串口實現與單片機的通信。該軟件的關鍵部分是利用ASCII字庫和GB2312字庫實現字符的取模轉換[4]，從而實現字符在LED顯示屏上的顯示。

3 總結

本文通過分析了電子時鐘在空管設備運行中的實際使用情況，提出了一種基于GPS的電子時鐘系統，通過接收GPS數據，實現在LED顯示屏上的顯示，同時具有定時巡視提醒功能，并在Visual Basic.NET平臺上開發了該系統的控制軟件，實現比以往單一電子時鐘更具有實用性，對空管設備運行保障具有實際意義，也為相關單位提供一種設計參考。

【參考文獻】

[4]袁貴宏.淺析空管設備保障的風險評估管理[J].空中交通管理，2009（8）：39-41. [2]殷曉安，吳明亮.基于單片機的LED點陣顯示條屏控制系統設計[J].世界科技研究與發展，2008（2）：154-155.

[3]湯洪乾，楊華.基于單片機的串口調試方法與技術[J].中國新通信，2013（3）：66-66.

[4]田會方，張洪昌.計算機漢字庫開發液晶漢字顯示數據的方法[J].武漢理工大學學報：信息與管理工程版，2005（4）：83-86.

[責任編輯：田吉捷]