GPS电子时钟在空管设备运行中的分析与设计

冯斯聪

【摘 要】考虑到精确的时间显示有助于提升空管设备运行保障能力，提出了一种基于GPS的电子时钟系统，该系统实现了在LED显示屏上显示时间和文字信息，并具备温湿度显示和定时巡视提醒功能，同时基于Visual Basic.NET开发了该系统的控制软件。该系统在实际应用中起到一定的经济效益，对空管设备运行保障具有实际意义。

【关键词】GPS；电子时钟；Visual Basic.NET；空管

0 引言

精确的时间对于民航系统的运行保障是至关重要的，用以设备间的同步，消除潜在的数据丢失问题。管制指挥、设备运行、气象发报、值班巡视等运行保障工作都需要精确的时间，而GPS可以缩小时间同步上的误差，提供更加精确的时间信息。如果自动化系统出现时间上的偏差，则可能导致雷达信号的抖动，严重的话将影响管制员的正常指挥。如果气象观测员由于时间上的偏差造成发报超过一分钟，则是一般差错，超过两分钟则是严重差错[1]。目前，我站使用的是功能单一的电子时钟，需要额外配合大屏幕进行运行信息的显示。因此，需要设计一款在功能上和成本上都能满足空管设备运行要求的GPS电子时钟。

1 系统总体结构

针对我站的实际情况，根据市场上现有的产品，分析了各种技术的适用性和优缺点，从增加实用功能性、提高产品通用性、降低开发成本等角度进行设计，确定了总体方案。具体设计思路如下。

1.1 软、硬件设计上采用市场使用率高的电子元器件

为节省了硬件设计上的成本，缩短了开发周期，在满足功能需求的前提下，利用市场上使用率高的电子元器件，在硬件上采用了STC12C5A60S2单片机、DS1302时钟芯片、USR-TCP232-T24模块、DHT11温湿度传感器和ISD1820语音录放芯片。在软件上采用C语言进行硬件编程和Visual Basic.NET进行PC软件编程。

1.2 时间显示具备一定的容错能力

由于空管设备对运行稳定性的要求较高，因此该系统时必须拥有一定的容错能力。在设计上以GPS为主用，内置时钟芯片为备用。如果其中一方出现数据丢失，则可由另一方作为数据源。单片机通过识别串口接收到的数据来判断是否为GPS时钟数据：如果是，则显示GPS时间，同时每一个小时校正一次内部时钟芯片；如果不是，则显示内置时钟芯片的时间。

当单片机串口数据突然中断时，单片机会延时3秒钟：如果3秒内依旧没有接收到东进GPS时钟数据，则自动转为DS1302时钟芯片的时间；如果3秒内接收到东进GPS时钟数据，则继续读取并显示GPS时钟。

1.3 采用128*32 LED显示屏进行时间和信息显示

近年来，LED显示屏成为了当前普遍使用的显示方案，具有高清晰度、大视角等特点，可以用于图文显示等。相比使用液晶显示屏，LED显示屏的使用成本更低，故采用了两块64*32 LED显示屏组成的128*32 LED显示屏。

1.4 可通过软件对LED显示进行时间和信息的控制

基于Visual Basic.NET开发的控制软件可以实现文字的传输以实现文字的显示，利用字库将需要显示的字符转换为LED显示屏可以识别的数据，从而显示在LED屏幕上，同时该软件还可以实现在时间和文字显示之间的切换，在线修改内置时钟芯片时间。

1.5 设计上充分考虑其使用的多功能性

结合我站实际工作的要求，该系统还增加了一些在值班巡视中常用的功能：温湿度显示和定时巡视提醒。

2 关键技术实现

2.1 LED显示屏的控制

近年来，LED显示屏成为了当前普遍使用的显示方案，故采用了两块64*32 LED显示屏组成的128*32 LED显示屏，通过74HC245双向缓冲器提高单片机的负载能力，搭配5V 15A的开关电源，不仅可以显示时间，还可以显示温湿度和最多16个汉字字符。

LED显示屏设计的核心是对其显示的控制，该显示屏提供08接口形式。该接口共有16个引接，其中A、B、C、D引脚表示行信号，R1、R2、G1、G2引脚表示列信号，EN引脚表示使能，SCK引脚表示时钟，STB引脚表示锁存，GND引脚表示地[2]。

对于128*32的双色LED显示屏来说，总共有128列，通过64个74HC595芯片进行级联，将其扩展为128位串行输入，128位并行输出，从而实现对128列信号进行控制。R1、R2、G1、G2引脚就是用来输入128位串行数据的。其中，R1、G1用来控制上半屏16行的红、绿信号，R2、G2用来控制下半屏16行的红、绿信号。

因此，通过循环行信号，移位串行输入每一行的列信号数据，然后锁存列信号，就可实现LED显示屏的显示。

2.2 GPS数据的接收

我站使用的GPS數据源是东进GPS服务器，该服务器只提供RS232接口，无法满足各类设备的引接，因此我站利用串口转网络模块，将GPS数据引接到接入交换机上，实现了各类设备对GPS数据的引接。

该服务器在协议上采用的是TCP Server模式，需要创建一个TCP Client建立与服务器的连接。该服务器每秒钟发送的数据格式为：“5C 11 00 00 00 0A 15 2A 14 10 02 19 04 9D”，其中第6、7、8字节表示的是时分秒，而第10、11、12、13字节表示的是年月日星期。

因此，利用USR-TCP232-T24模块，单片机可通过串口接收GPS数据[3]，判断数据包头正确后，读取第6、7、8、10、11、12、13字节，将时间信息显示在LED显示屏上。

2.3 PC软件的设计

为提高该系统的可操作性，在Visual Basic.NET平台上开发了该系统的控制软件。该软件的功能是实现LED显示屏在时间与信息显示之间的切换、实现中、英等字符的传输与显示、实现内置时钟的在线修改，通过串口实现与单片机的通信。该软件的关键部分是利用ASCII字库和GB2312字库实现字符的取模转换[4]，从而实现字符在LED显示屏上的显示。

3 总结

本文通过分析了电子时钟在空管设备运行中的实际使用情况，提出了一种基于GPS的电子时钟系统，通过接收GPS数据，实现在LED显示屏上的显示，同时具有定时巡视提醒功能，并在Visual Basic.NET平台上开发了该系统的控制软件，实现比以往单一电子时钟更具有实用性，对空管设备运行保障具有实际意义，也为相关单位提供一种设计参考。

【参考文献】

[4]袁贵宏.浅析空管设备保障的风险评估管理[J].空中交通管理，2009（8）：39-41. [2]殷晓安，吴明亮.基于单片机的LED点阵显示条屏控制系统设计[J].世界科技研究与发展，2008（2）：154-155.

[3]汤洪乾，杨华.基于单片机的串口调试方法与技术[J].中国新通信，2013（3）：66-66.

[4]田会方，张洪昌.计算机汉字库开发液晶汉字显示数据的方法[J].武汉理工大学学报：信息与管理工程版，2005（4）：83-86.

[责任编辑：田吉捷]