GPS授時技術在高速公路誘導燈全路段同步閃爍上的應用

編者按：利用GPS高精度授時技術實現高速公路誘導燈全路段同步閃爍，本文通過硬體電路和軟體流程描述了該技術的同步原理。本文採用型號為NEO-6M的GPS模塊對誘導燈控制電路的時鐘信號進行校準，達到所有誘導燈在同一個時鐘節拍下閃爍，從而實現全路段所有誘導燈同步閃爍。

作者 劉皓蔚 江西方興科技有限公司(江西 南昌 330025)

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201711/372164.htm

劉皓蔚(1992-)，女，工程師，研究方向：高速公路機電工程。

摘要：利用GPS高精度授時技術實現高速公路誘導燈全路段同步閃爍，本文通過硬體電路和軟體流程描述了該技術的同步原理。本文採用型號為NEO-6M的GPS模塊對誘導燈控制電路的時鐘信號進行校準，達到所有誘導燈在同一個時鐘節拍下閃爍，從而實現全路段所有誘導燈同步閃爍。

引言

　　我國幅員遼闊、地理氣候多樣，許多高速公路要經過深山老林和湖泊沼澤，而這些地方一年四季中經常容易形成濃霧和團霧，急需一個能主動的安全行車誘導系統。安裝在公路兩邊的誘導燈能清晰的顯示公路的走向和輪廓，提高駕駛員對路面的辨識能力，但是，由於傳統的誘導燈沒有時鐘同步，每個誘導燈各自閃各自，不能同步閃爍，反而眼花繚亂，幹擾駕駛員視線，影響交通安全。

　　GPS除了具有導航、定位等功用，其衛星上的精確原子鐘還可實現精確的授時。目前，需時間控制精度很高的應用領域，如電力、郵電、通訊、交通、航運、氣象等都被GPS高精度、全天候、全球覆蓋、方便靈活和經濟可靠的定時系統吸引[1]。為了解決誘導燈同步閃爍的問題，利用GPS高精度授時功能對路段上的所有誘導燈控制電路的時鐘進行同步，實現誘導燈在同一個時鐘節拍下閃爍，從而解決誘導燈閃爍同步的問題。

1 硬體設計

　　GPS同步誘導燈採用太陽能和蓄電池的供電方式，控制電路主要由單片機、GPS模塊、GPS模塊電源控制電路、光照度傳感器和LED驅動電路組成，電路框圖如圖1所示，單片機採用TI公司的低功耗單片機MSP430G2333，GPS模塊採用NEO-6M。單片機通過串口接收GPS模塊時鐘數據，當GPS模塊同步到衛星信號時，輸出1PPS秒脈衝，該秒脈衝信號輸入到單片機的外部中斷，用於同步單片機的內部時鐘。GPS模塊的電源通過場效應開關管由單片機控制，每間隔30分鐘打開GPS模塊，當GPS時鐘同步後，關閉GPS模塊的電源，達到降低功耗的目的。

1.1 GPS模塊

　　GPS模塊採用NEO-6M，它是瑞士UBLOX公司生產的一款高性能GPS模塊，不僅能提供基於經緯度的位置信息，而且還能提供精確的GPS授時服務。該GPS模塊能夠配置輸出的秒脈衝，授時精度高達納秒級，遠超該誘導燈對時間精度的要求。在不移動位置的情況下運行，該GPS模塊在只有一顆衛星可見度的情況下就可以進行授時，這意味著即使在GPS衛星信號條件不利或天空可見度不佳的情況下也能準確的授時。另外，模塊還提供NMEA0183標準報文通過串口輸出時間和經緯度信息。

　　GPS模塊電路圖如圖2所示，NEO-6M為24個引腳貼片封裝的GPS模塊，通過串口和1PPS秒脈衝與單片機連接，場效應管V103為GPS模塊電源的開關管，當GPS_PWR為低電平時開關管導通。

1.2 LED驅動電路

　　LED驅動晶片採用PT4115，它是一款連續電感電流導通模式的降壓恆流源，用於驅動一顆或多顆串聯或並聯的LED。採用SOT89-5封裝和ESOP8封裝，PT4115輸出電流可以通過外部採樣電阻調節，最大可達1.2A。根據不同的輸入電壓和外部器件，PT4115可以驅動高達數10W的LED。PT4115內置功率開關管，採用高端電流採樣設置LED驅動電流，並通過DIM引腳可以實現模擬調光和很寬範圍的PWM調光。當DIM的電壓低於0.3V時，功率開關管關斷，PT4115進入極低工作電流的待機狀態。

　　LED驅動電路如圖3所示，J203連接由40個LED並聯組成的誘導燈，外部採樣電阻R206為100mΩ，誘導燈最大輸出電流為1A，通過單片機PWM輸出信號LED_PWM_Y實現誘導燈無極調光，配合光照度傳感器自動調節誘導燈亮度。夜間光線較暗時降低誘導燈亮度，避免誘導燈太亮導致駕駛員看著刺眼，影響交通安全;白天光線較強時為自動調高誘導燈亮度，提高可視度。

2 軟體設計

　　單片機軟體設計主要包括主程序、定時器中斷程序、1PPS外部中斷程序和串口數據接收程序，主程序包括上電復位後單片機各外設初始化、GPS模塊電源打開、誘導燈亮度控制和時間數據解析和轉換等功能。為降低誘導燈功耗，GPS模塊電源每間隔30分鐘打開一次，時鐘同步後關閉電源。定時器為10ms定時周期，30分鐘定時時間到，打開GPS模塊電源，同時，根據誘導燈閃爍周期控制誘導燈亮或滅。1PPS外部中斷主要功能是接收到來自GPS模塊有效的1PPS秒脈衝信號後置相應的標誌位，並對定時器進行時間校準。該單片機程序的1PPS外部中斷程序和串口數據接收程序都比較簡單，所以軟體流程圖只描述主程序和定時器中斷程序，軟體流程圖如圖4所示。

3 結論

　　利用GPS授時技術實現高速公路誘導燈全路段同步閃爍，不需要專門鋪設時鐘同步線，不僅節省工程施工費用，而且，由於誘導燈為太陽能供電，無其他有線連接，不存在線路故障導致同步失效，系統還具有穩定性強等特點。

　　另外，GPS授時具有高精度、全天候、全球覆蓋和免費使用等特點，還廣泛地應用於各種時鐘高精度對時、電力繼電保護遠程時鐘同步等場合。

　　參考文獻:

　　[1]董劍利,周丹.通用GPS授時同步監控系統的設計與實現[J].計算機工程與設計,2007(6):3006-3008.

　　本文來源於《電子產品世界》2017年第12期第58頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。