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1、第九届“博创杯”全国大学生嵌入式物联网设计大赛 作品设计报告 基于 GPS 授时的点阵 LED 屏显示时钟 A LED Clock Based on GPS 设 计 报 告 摘摘 要要 本设计采用了大赛指定硬件开发平台： NXP LPC11C24FB(ARM Cortex-M0 微控制器 )，设计 了 GPS 授时的点阵 LED 屏时钟显示系统。系统从 GPS 卫星上获取标准的时 钟信号，并将这些信 息通过 UART 接口传到 LPC11C24 主控模块 上，再通过 LED 点阵屏将经过 LPC11C24 处理后的时间 信息显示出来。 如果 UART 未收到 GPS 数据则系统将采用 LPC1
2、1C24 的部定时器计时， 该设计以 软硬件相结合的方式完成整个GPS 数据的接 收和显示过程完成了一台 LED 点阵屏显示 GPS 时钟 的设备。此设计由于使用的是 GPS 时钟信号，所以时间精确度可以达到纳秒级，同时结合了点阵 LED 屏，就使得系统整体显示效果好。 关键词：关键词： LPC11C24、 GPS、 LED 点阵屏 AbstractAbstract NXP LPC11C24（Cortex M0 micro controller）is used as the specified hardware platform in the design ofthe GPS timing l
3、attice LED clock display system . System standard for the clock signal from GPS satellites, and upload the information through the UART interface LPC11C24 master control module, through the LED lattice screen will be displayed after LPC11C24 processing time information. If UART is not received GPS d
4、ata system will adopt LPC11C24 internal timer timing, the design with a combination of hardware and software to complete the whole process of GPS data receiving and display completed a LED dot matrix screen GPS clock device. This design is due to the use of GPS clock signal, so the precision can rea
5、ch nanosecond time, combined with lattice LED screen at the same time, makes the system as a whole display effect is better. Keyword：LPC11C24、 GPS、 LEDLatticescreen 目录目录 摘摘 要要 .1 1 目录目录 .2 2 第一章第一章 绪论绪论 .4 4 1.11.1 设计背景设计背景.4 4 1.21.2 ARMARM CORTEX-M0CORTEX-M0 处理器处理器.4 4 第二章第二章 系统方案系统方案 .5 5 2.12.1
6、系统总体方案系统总体方案 .5 5 2.22.2 系统方案结构图系统方案结构图 .5 5 第三章第三章 基于基于 GPSGPS 授时的点阵授时的点阵 LEDLED 屏显示时钟的系统屏显示时钟的系统 .6 6 3.13.1 NXPNXP LPC11C24LPC11C24 主控板主控板.6 6 3.1.1 NXP LPC11C24 简介 .6 3.1.2 开发环境.7 3.1.3 LPCXPRESSO的项目建立 .8 3.23.2 点阵点阵 LEDLED 屏显示模块屏显示模块 .8 8 3.2.1 P10 LED 点阵屏电路图 .9 3.2.2 P10 LED 点阵显示屏的指标 .9 3.2.3
7、LED 点阵屏上控制 LED 的亮灭原理.10 3.2.4 LED 点阵屏的动态扫描原理.10 3.2.5 主控模块 LPC11C24 与 LED 点阵屏的引脚连接 .11 3.2.6 LED 点阵屏的显示的软件设计.12 3.2.6.1 控制 LED 亮灭的设计过程.13 3.2.6.2LED 点阵屏的动态扫描设计过程.14 BUF缓冲区数据组织 .15 3.2.7 时钟显示秒的控制 .19 3.33.3 GPSGPS 卫星数据接收模块卫星数据接收模块 GR-87GR-87 .2020 3.3. 3.1GPS3.1GPS 技术简介技术简介.2020 3.3.2 GR-87 .21 3.3.3
8、 引脚功能.21 GR-87 指标.22 3.3.4 硬件接口UART.23 3.3.5 通信协议 NMEA.24 3.3.5 主控模块 LPC11C24 与 GR-87 的连接.24 3.3.6 UART 接收 GPS 数据软件设计.25 3.43.4 供电电源的选择供电电源的选择.2929 第四章第四章 系统测试系统测试 .2929 4.14.1 测试仪器和设备测试仪器和设备 .2929 4.24.2 测试方案测试方案 .3030 4.2.1 LED 点阵屏显示测试.30 4.2.2 GPS 通信测试.30 4.2.3 NXP LPC11C24 测试 .30 4.2.4 系统综合测试 .3
9、0 4.34.3 测试测试.3030 4.3.1 LED 点阵屏显示测试.30 4.3.2 GPS 通信测试.31 4.3.3 系统综合测试.32 4.3.4 结果分析.32 第五章第五章 系统特色系统特色 .3333 5.15.1 高精度的时钟信号高精度的时钟信号 .3333 5.25.2 LEDLED 点阵屏特色点阵屏特色.3333 第六章第六章 结结 论论 .3434 附录附录 .3434 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 设计背景设计背景 随着社会的进步人们对于时间信号的精度要求越来越高，而 传统的时钟一般是采用部晶振精 确度不高,长期运行过程中由于种种原因都会产生误差已经不能满足
10、工业生产的需要，因此我们要寻 找一种稳定可靠的方法来来产生精确的时钟。使用 原子钟可以使时间精度达到纳秒级，所以在科学 技术领域、人们日常的生活生产领域都可以广泛的运用 “原子钟” 。另外，LED 显示屏是利用发光 二级管点阵模块组成的平面式显示屏幕由于它具有发光率高、使用寿命长、组态灵活、适应能力强 等优点在国外的到广泛应用。 基于 GPS 授时的点阵 LED 屏显示时钟就是利用 GR-87 接收卫星上 “原子钟”精确的时间信号传送给 LPC11C24,经过 LPC11C24 处理后发往点阵 LED 显示屏并显示出 时间。 1.21.2 ARMARM Cortex-M0Cortex-M0 处
11、理器处理器 作为 ARM Cortex 处理器系列的最新成员， 32 位 Cortex-M0 处理器采用了低成本 90 纳米低功 耗（LP）工艺，耗电量仅 9A/MHz，约为目前主流 8 位或 16 位处理器的三分之一，却能提供更高 的性能。这种行业领先的低功耗和高性能的结合为仍在使用8 位或 16 位架构的用户提供了一个转 型开发 32 位器件的理想机会，从而在不牺牲功耗和面积的情况下，提高日常设备的智能化程度。 Cortex-M0 处理器的特点促成了智能、低功耗微控制器的面市，并为 “物联网”量的无线连接 设备提供高效的沟通、管理和维护。低功耗联网功能深具潜能，可驱动各种节能和生活关键应用
12、， 包括从无线方式分析住宅或办公大楼性能与控制的感测器，到以电池运作、通过无线方式连接监控 设备的身体感测器。而现有的 8 位或 16 位微控制器（MCU）缺少足够的智能和功能来实现这些应用。 Cortex-M0 处理器不仅延续了易用性、 C 语言编程模型的优势，而且能够二进制兼容已有的 Cortex-M0 处理器工具和实时系统（ RTOS）。作为 Cortex-M 处理器系列的一员， Cortex-M0 处理 器同样能够获得 ARM Cortex-M 生态系统的全面支持，而其软件兼容性使其能够方便地被移植到更 高性能的 Cortex-M3 或 Cortex-M4 处理器。率先获得 Corte
13、x-M0+处理器授权的厂商包括飞思卡尔 半导体和恩智浦半导体。 第二章第二章 系统方案系统方案 2.12.1 系统总体方案系统总体方案 本系统利用 NXP LPC11C24 作为主控模块。首先从 GPS 系统获取全球标准时间源，经过 CPU 处 理后将时间数据通过 UART 接口输出到 LPC11C24 主控模块上，LPC11C24 可把接收到的 GPS 时间数 据利用软件来处理，再把数据发送到显示模块，实现时间的显示。 LED 点阵屏为主要的显示模块， 把从 LPC11C24 传来的数据显示出来，并且可以实现左右移动等功能。 2.22.2 系统方案结构图系统方案结构图 根据总体方案画出了系统
14、的结构图，是按照结构层次划分三层： 硬件平台 NXP LPC11C24 为核心， 同 UART 连接的是 GPS 模块，32*16 的点阵屏是用杜邦线和和控制系统相连的。整体方案结构框图 如下： 图 2.1 系统总体方案结构图 第三章第三章 基于基于 GPSGPS 授时的点阵授时的点阵 LEDLED 屏显示时钟屏显示时钟的系统的系统 3.13.1 NXPNXP LPC11C24LPC11C24 主控板主控板 LPC11C24 为核心控制芯片，工作过程分为两个部分 :数据接受处理和时钟数据扫描显示。 LPC11C24 开发板部集成了串口通信电路，本设计就是应用UART 通用串行数据接口接受外部
15、GR-87 发来的卫星数据，有选择的将数据存储到数据缓冲区，然后我们将缓存区里的数据取出经过 CPU 的处理后送到 LED 点阵显示屏上显示出我们所需要的时钟信息。 3.1.13.1.1 NXPNXP LPC11C24LPC11C24 简介简介 LPC11C24FBD48 是 ARM Cortex-M0 微控制器，设计用于 8 位/16 位微控制器应用， 具有高新能， 低功耗，简单指令集，统一编址寻址等优点，而且， LPC11C24 可以比传统的 8 位/16 位单片机在 执行大多数普通的微控制器任务时减少 40%到 50%的代码量，这是通过强大的 Cortex-M0 v6-M 指 令集实现的
16、。这种指令集以 16 位的 Thumb 指令为基础，迄今唯一应用于 32 位微处理器。具有高 于 45DMIPS 处理能力的 LPC11C24 为 CAN 节点提供了强有力的信息和数据处理能力。这种对电源的 GPS 模块 32*16 LED 点阵屏 系统控制中心 NXPLPC11C24 核心板电路 U A R T 串 口 杜 邦 线 电源供电模块 行驱动电路 列驱动电路 优化能力是当今的 8 位/16 位单片机难以实现的 特色和优点 ARM Cortex-M0 处理器，工作频率高达 50 MHz ARM Cortex-M0 置可嵌套中断向量控制器 (NVIC) 程序代码的密度要比 8/16 位 MCU 更小 闪存 ISP 命令可通过 UART 或 C_CAN 发出 超快速模式下， 2 个 IC 总线引脚上的大电流吸收驱动器 (20 mA) 带小数波特率生成器的 UART 36 个高速 5V 相容 GPIO 引脚，可选择引脚高电流驱动（ 20 mA） 12MHz 部 RC 振荡器，温度及电压围精确度可达 1% 支持完整 IC 总线规及超快速模式的 IC 总线接口 CAN 2.0 B C_
