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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 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LPC11C24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
2、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： LPC11C24、 GPS、 LED点阵屏AbstractNXP LPC11C24（Cortex M0 micro controller）is used as the specified hardware platform in the design ofthe GPS timing lattice LED clock display system .System standard for the clock signal
3、 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 data system will adopt LPC11C24 internal timer timing, the design with
4、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 reach nanosecond time, combined with lattice LED screen at the same time,
5、 makes the system as a whole display effect is better.Keyword：LPC11C24、 GPS、 LEDLatticescreen目录摘要1目录2第一章绪论41.1设计背景41.2 ARM CORTEX-M0处理器4第二章系统方案52.1 系统总体方案52.2 系统方案结构图5第三章基于GPS授时的点阵LED屏显示时钟的系统63.1 NXP LPC11C24主控板63.1.1 NXP LPC11C24简介63.1.2开发环境73.1.3 LPCXpresso的项目建立83.2点阵 LED屏显示模块83.2.1 P10 LED点阵屏电路图9
6、3.2.2 P10 LED点阵显示屏的指标93.2.3 LED点阵屏上控制LED的亮灭原理103.2.4 LED点阵屏的动态扫描原理103.2.5 主控模块LPC11C24与LED点阵屏的引脚连接113.2.6 LED点阵屏的显示的软件设计123.2.6.1控制LED亮灭的设计过程133.2.6.2LED点阵屏的动态扫描设计过程14Buf缓冲区数据组织153.2.7 时钟显示秒的控制193.3 GPS卫星数据接收模块GR-87203. 3.1GPS技术简介203.3.2 GR-87213.3.3引脚功能21GR-87指标223.3.4硬件接口UART233.3.5 通信协议NMEA243.3.
7、5主控模块LPC11C24与GR-87的连接243.3.6 UART接收GPS数据软件设计253.4供电电源的选择29第四章系统测试294.1 测试仪器和设备294.2 测试方案304.2.1 LED点阵屏显示测试304.2.2 GPS通信测试304.2.3 NXP LPC11C24测试304.2.4 系统综合测试304.3测试304.3.1 LED点阵屏显示测试304.3.2 GPS通信测试314.3.3系统综合测试324.3.4结果分析32第五章系统特色335.1 高精度的时钟信号335.2 LED点阵屏特色33第六章结论34附录34第一章 绪论1.1设计背景随着社会的进步人们对于时间信号
8、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.
9、2 ARMCortex-M0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，包括从无线方式分析住宅或
10、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Cortex-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 系统方案2
11、.1 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。2.2 系统方案结构图根据总体方案画出了系统的结构图，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：GPS模
12、块32*16LED点阵屏系统控制中心NXPLPC11C24核心板电路UART串口杜 邦 线电源供电模块行驱动电路列驱动电路图2.1 系统总体方案结构图第三章 基于GPS授时的点阵LED屏显示时钟的系统3.1 NXP LPC11C24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。3.1.1 NXP LPC11C
13、24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。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l ARM Cortex-M0处理器，工作
14、频率高达50 MHzl ARM Cortex-M0置可嵌套中断向量控制器(NVIC)l 程序代码的密度要比8/16位MCU更小l 闪存ISP命令可通过UART或C_CAN发出l 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)l 带小数波特率生成器的UARTl 36个高速5V相容GPIO引脚，可选择引脚高电流驱动（20 mA）l 12MHz部RC振荡器，温度与电压围精确度可达1%l 支持完整IC总线规与超快速模式的IC总线接口l CAN 2.0 B C_CAN控制器具备on-chip CANopen驱动器与整合式收发器片高速CAN收发器l 工作围从1 MHz到25 MHz的晶
15、体振荡器l 频率围从7.8 kHz到1.8 MHz的可编程看门狗振荡器l 最大限度降低功耗的集成式PMU（电源管理单元）l 采用中断和强制复位的4个独立阀值进行的掉电检测l 可用作芯片识别的唯一序列号l 3.3 V单电源（1.8 V至3.6 V）3.1.2开发环境此次设计的软件开发环境使用的大赛的合作方恩智浦半导体针对它旗下采用的ARM处理器的LPC系列微控制器推出的开发工具平台LCXpresso。LCXpresso根据简单易用的理念设计而成， 它为系统设计人员提供了一种快速便捷的使用LPC1100的方式。利用LPCXpresso这款功能全面的工具链还可以轻松实现在高性能的ARM7、ARM9以与包括LPC1300和LPC1700 在的Cortex系列微控制器之间的产品移植。 LPCXpresso开发平台基于功能强大的Eclipse集成开发环境（IDE）工具，拥有由恩智浦设计的全新、直观的用户界面、针对Cortex-M0优化的编译器和函数库、LPC-Link JTAG/SWD调试探
