簡易GPS時計V3(自動時刻同期+低消費電力)

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====== 簡易GPS時計V3(自動時刻同期+低消費電力) ======

===== 概要 =====
以前にも、GPS時計(調整不要)を製作しました。
それは、常にGPS受信モジュールを起動させておき、そこから送られてくるデータ(1秒周期)の中から、時刻データのみを抜き出し、LCDに表示するものでした。
しかし、GPS受信モジュールは、意外と電流(約200mA)を必要とするので、常時起動では乾電池の駆動には向きません。

そこで、基本的な時刻管理は、内部で通常の精度で行い、時刻の校正を必要とするときだけ、GPSモジュールを起動し、送られてくるデータを利用することにより、時刻の精度維持と低消費電力を図ってみました。

<仕様>
  * 高精度のクリスタルオシレータを利用し、基本的な時刻管理は、内部(PIC単体)で行います。\\ ※最小単位は、0.1秒です。
  * 手動または自動(毎時零分)で、GPSモ受信ジュールからのデータを受信し、時刻を校正します。
  * 時刻校正の時のみ、GPS受信モジュールを起動し、低消費電力化を図ります。
  * スイッチ(SW4)の押下により、時刻データをRS232C経由で送信します。\\ ※このデータを利用することにより、高精度な時計機能を実現することが出来ます。

===== 動作原理 =====
<基準時間(0.1sec)>
時刻管理をするための最小単位である、0.1secの基準時間を得ます。
  * 精度の高い、クリスタルオシレータ(8.000000MHz)を使用します。
  * CCPモジュールをコンペアモードで使用し、0.1secの割り込みを発生させます。

<時刻管理>
基準時間(0.1sec)でクロック変数(clock)を、インクリメント(+1)します。
クロック変数(clock)から、時分秒ミリ秒を求める式は、次のようになります。

  hh = clock / 36000;
  mm = (clock - (36000 * (long)hh)) / 600;
  ss = (clock - (36000 * (long)hh) - (600 * (long)mm)) / 10;
  ms = (clock - (36000 * (long)hh) - (600 * (long)mm)) - (10 * (long)ss);

<時刻同期>
手動(スイッチ(SW1)押下)または、自動(スイッチ(SW3)ONおよび毎時零分)により、GPS受信モジュールを起動し、受信した時刻データを元に、クロック変数(clock)を校正します。
GPS受信モジュールが、GPS衛星からの受信不可の場合(例えば、屋内などのGPS衛星からの、電波受信状況の悪い場所での本装置の使用時など)には、スイッチ(SW2)押下により、解除することが出来ます。
その時には、GPS受信モジュールが保持している、時刻データを元に、クロック変数(clock)を校正します。

※GPS受信モジュールは、時刻同期を実施するときのみ接続し、後は外していても構いません。

<時刻データの送信>
必要に応じて(スイッチ(SW4)の押下)、時刻データをRS232C経由で送信することが出来ます。
そのフォーマットは、次のようになります。(例、12時34分56秒、S:start、E:end)
  S12:34:56E

===== 回路図 =====
{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-133103.png}}

===== ソースコード =====
<code c gps_clock_v2.c>
//********************************************************************** 
/*
　　「ＧＰＳ時計（自動時刻同期＆低消費電力）」 
*/
//********************************************************************** 

#define		SW1		PORTA.F4
#define		SW2		PORTA.F5
#define		SW3		PORTB.F0
#define		SW4		PORTB.F1

#define		GT720F	PORTA.F6

#define		CR		0x0D
#define		LF		0x0A
#define		FF		0x0C

#define		LED		PORTB.F3
#define		ON		1
#define		OFF		0

//********************************************************************** 

static	unsigned	long	clock;

void	interrupt()
{
	if (PIR1.CCP1IF == 1) {
		PIR1.CCP1IF = 0;
		//
		clock++;
	}
} 

//********************************************************************** 

static	unsigned	short	flg, len;
static	unsigned	short	hd[8], utc[12], latitude[12], longitude[12];
static	unsigned	short	quality[4], satellites[4];

void	gps_recv()
{
	static	unsigned	short	rd;
	//
	flg = 0;
	len = 0;
	//
	while (flg != 8) {
		if (Usart_Data_Ready() == 0)
			continue;
		rd = Usart_Read();
		if (rd == LF) {
			len = 0;
			continue;
		}
		//
		switch (flg) {
		case 0:
			hd[len] = rd;
			len++;
			if (len == 7) {
				len = 0;
				if (strncmp(hd, "$GPGGA,", 7) == 0) {
					flg = 1;
				}
			}
			break;
		case 1:	
			if (rd == ',') {
				utc[len] = 0x00;
				len = 0;
				flg = 2;
			} else {
				utc[len] = rd;
				len++;
			}
			break;
		case 2:
			if (rd == ',') {
				latitude[len] = 0x00;
				len = 0;
				flg = 3;
			} else {
				latitude[len] = rd;
				len++;
			}
			break;
		case 3:
			if (rd == ',') {
				len = 0;
				flg = 4;
			}
			break;
		case 4:
			if (rd == ',') {
				longitude[len] = 0x00;
				len = 0;
				flg = 5;
			} else {
				longitude[len] = rd;
				len++;
			}
			break;
		case 5:
			if (rd == ',') {
				len = 0;
				flg = 6;
			}
			break;
		case 6:
			if (rd == ',') {
				quality[len] = 0x00;
				len = 0;
				flg = 7;
			} else {
				quality[len] = rd;
				len++;
			}
			break;
		case 7:
			if (rd == ',') {
				satellites[len] = 0x00;
				len = 0;
				flg = 8;
			} else {
				satellites[len] = rd;
				len++;
			}
			break;
		}
	}
}

//********************************************************************** 

static	char	buf[16], tmp[8];
static	unsigned	short	hh, mm, ss, ms;

unsigned	long	gps_get_clock()
{
	static	unsigned	long	t;
	//
	while (1) {
		gps_recv();
		Lcd_Custom_Out(2, 1, utc);
		Lcd_Custom_Out(2, 13, quality);
		Lcd_Custom_Out(2, 15, satellites);
		if ((quality[0] != '0') || (SW2 == 0))
			break;
	}
	//
	hh = ((utc[0] - '0') * 10) + (utc[1] - '0');
	mm = ((utc[2] - '0') * 10) + (utc[3] - '0');
	ss = ((utc[4] - '0') * 10) + (utc[5] - '0');
	ms = ((utc[7] - '0') * 100) + ((utc[8] - '0') * 10) + (utc[8] - '0');
	t = ((long)hh * 36000) + ((long)mm * 600) + ((long)ss * 10) + ((long)ms / 100);
	return (t + (9 * 36000));	//UTC -> JST
}

//********************************************************************** 

void	Usart_Write_Str(unsigned short *pData)
{
	while (*pData != 0x00) {
		Usart_Write(*pData);
		pData++;
		Delay_ms(10);
	}
}

//********************************************************************** 

void	ByteToStr2(unsigned short number, char *output)
{
	ByteToStr(number, output);
	output[0] = (output[1] == ' ') ? '0' : output[1];
	output[1] = output[2];
	output[2] = 0x00;
}

//********************************************************************** 

void	main()
{
	//
//	OSCCON = 0b01110000;
	CMCON  = 0b00000111;
	ANSEL  = 0b00000000;
	TRISA  = 0b10110000;
	TRISB  = 0b00000111;
	//
	LED = OFF;
	GT720F = 1;
	// TIMER1の設定
	PIE1.TMR1IE = 0;
	PIR1.TMR1IF = 0;
	T1CON.T1CKPS0 = 1;
	T1CON.T1CKPS1 = 1;
	T1CON.TMR1ON = 0;
	TMR1L = 0;
	TMR1H = 0;
	// CCPの設定
	PIE1.CCP1IE = 1;
	PIR1.CCP1IF = 0;
	CCP1CON.CCP1M3 = 1;
	CCP1CON.CCP1M2 = 0;
	CCP1CON.CCP1M1 = 1;
	CCP1CON.CCP1M0 = 1;
	CCPR1L = 0xA8;	// 0.1sec...(1÷8000000)*4*8*25000
	CCPR1H = 0x61;	// 
	// 
	Lcd_Custom_Config(&PORTA, 0, 1, 2, 3, &PORTB, 4, 6, 7);
	Lcd_Custom_Cmd(LCD_CURSOR_OFF);
	Lcd_Custom_Cmd(LCD_CLEAR);
	Lcd_Custom_Out(1, 1, "GpsClock v2");
	Delay_ms(500);
	Lcd_Custom_Cmd(LCD_CLEAR);
	Lcd_Custom_Chr(1, 3, ':');
	Lcd_Custom_Chr(1, 6, ':');
	Lcd_Custom_Chr(1, 9, '.');
	//
	Usart_Init(9600);
	//
	clock = 0;
	// 割り込みを許可する。 
	INTCON.PEIE = 1;
	INTCON.GIE = 1;
	//
	T1CON.TMR1ON = 1;
	//
	while (1) {
		//clock変数から、時、分、秒、ミリ秒を求める。 
		hh = clock / 36000;
		mm = (clock - (36000 * (long)hh)) / 600;
		ss = (clock - (36000 * (long)hh) - (600 * (long)mm)) / 10;
		ms = (clock - (36000 * (long)hh) - (600 * (long)mm)) - (10 * (long)ss);
		//時を表示する。 
		ByteToStr2(hh, buf);
		Lcd_Custom_Out(1, 1, buf);
		//分を表示する。
		ByteToStr2(mm, buf);
		Lcd_Custom_Out(1, 4, buf);
		//秒を表示する。
		ByteToStr2(ss, buf);
		Lcd_Custom_Out(1, 7, buf);
		//ミリ秒を表示する。
		ByteToStr(ms, buf);
		Lcd_Custom_Out(1, 10, &buf[2]);
		//GPSと時刻同期する。（手動） 
		if (SW1 == 0) {
			GT720F = 0;
			clock = gps_get_clock();
			GT720F = 1;
		}
		//GPSと時刻同期する。（自動：毎時０分０秒） 
		if ((SW3 == 0) && (mm == 0) && (ss == 0)) {
			GT720F = 0;
			clock = gps_get_clock();
			GT720F = 1;
		}
		//ＲＳ２３２Ｃに時刻データを送信する。 
		if (SW4 == 0) {
			while (SW4 == 0) {
				Delay_ms(100);
			}
			LED = ON;
			Usart_Write_Str("S");
			ByteToStr2(hh, buf);
			Usart_Write_Str(buf);
			Usart_Write_Str(":");
			ByteToStr2(mm, buf);
			Usart_Write_Str(buf);
			Usart_Write_Str(":");
			ByteToStr2(ss, buf);
			Usart_Write_Str(buf);
			Usart_Write_Str("E");
			LED = OFF;
		}
	}
}

//**********************************************************************
</code>

※日付表示を追加したバージョンです。(mikroC PRO版)
<code c gps_clock_v21.c>
//********************************************************************** 
/*
　　「ＧＰＳ時計（自動時刻同期＆低消費電力）V2.1」　※日付表示を追加 
*/
//********************************************************************** 

#define                SW1                PORTA.F4
#define                SW2                PORTA.F5
#define                SW3                PORTB.F0
#define                SW4                PORTB.F1

#define                GT720F        PORTA.F6

#define                CR                0x0D
#define                LF                0x0A
#define                FF                0x0C

#define                LED                PORTB.F3
#define                ON                 1
#define                OFF                0

//********************************************************************** 

static        unsigned        long        clock;

void        interrupt()
{
        if (PIR1.CCP1IF == 1) {
                PIR1.CCP1IF = 0;
                //
                clock++;
        }
} 

//********************************************************************** 
//$GPRMC,015315.598,A,3456.7835,N,13511.2730,E,000.0,000.0,160310,,,A*60

static        unsigned        short        flg, len;
static        unsigned        short        hd[8], utc[12], stat[4], latitude[12], longitude[12], date[8];

void        gps_recv()
{
        static        unsigned        short        rd;
        //
        flg = 0;
        len = 0;
        //
        while (flg != 10) {
                if (UART1_Data_Ready() == 0)
                        continue;
                rd = UART1_Read();
                if (rd == LF) {
                        len = 0;
                        continue;
                }
                //
                switch (flg) {
                case 0:
                        hd[len] = rd;
                        len++;
                        if (len == 7) {
                                len = 0;
                                if (strncmp(hd, "$GPRMC,", 7) == 0) {
                                        flg = 1;
                                }
                        }
                        break;
                case 1:        
                        if (rd == ',') {
                                utc[len] = 0x00;
                                len = 0;
                                flg = 2;
                        } else {
                                utc[len] = rd;
                                len++;
                        }
                        break;
                case 2:        
                        if (rd == ',') {
                                stat[len] = 0x00;
                                len = 0;
                                flg = 3;
                        } else {
                                stat[len] = rd;
                                len++;
                        }
                        break;
                case 3:
                        if (rd == ',') {
                                latitude[len] = 0x00;
                                len = 0;
                                flg = 4;
                        } else {
                                latitude[len] = rd;
                                len++;
                        }
                        break;
                case 4:
                        if (rd == ',') {
                                len = 0;
                                flg = 5;
                        }
                        break;
                case 5:
                        if (rd == ',') {
                                longitude[len] = 0x00;
                                len = 0;
                                flg = 6;
                        } else {
                                longitude[len] = rd;
                                len++;
                        }
                        break;
                case 6:
                        if (rd == ',') {
                                len = 0;
                                flg = 7;
                        }
                        break;
                case 7:
                        if (rd == ',') {
                                len = 0;
                                flg = 8;
                        }
                        break;
                case 8:
                        if (rd == ',') {
                                len = 0;
                                flg = 9;
                        }
                        break;
                case 9:
                        if (rd == ',') {
                                date[len] = 0x00;
                                len = 0;
                                flg = 10;
                        } else {
                                date[len] = rd;
                                len++;
                        }
                        break;
                }
        }
}

//********************************************************************** 

static      char        buf[16], tmp[8];
static      unsigned    short    hh, mm, ss, ms;

unsigned    long    gps_get_clock()
{
        static    unsigned    long    t;
        //
        while (1) {
                gps_recv();
                Lcd_Out(2, 1, utc);
                date[4] = '/';
                date[5] = date[0];
                date[6] = date[1];
                date[7] = 0x00;
                memcpy(date, &date[2], 6);
                Lcd_Out(1, 12, date);
                Lcd_Out(2, 16, stat);
                if ((stat[0] == 'A') || (SW2 == 0))
                        break;
        }
        //
        hh = ((utc[0] - '0') * 10) + (utc[1] - '0');
        mm = ((utc[2] - '0') * 10) + (utc[3] - '0');
        ss = ((utc[4] - '0') * 10) + (utc[5] - '0');
        ms = ((utc[7] - '0') * 100) + ((utc[8] - '0') * 10) + (utc[8] - '0');
        t = ((long)hh * 36000) + ((long)mm * 600) + ((long)ss * 10) + ((long)ms / 100);
        return (t + (9 * 36000));        //UTC -> JST
}

//********************************************************************** 

void        UART1_Write_Str(unsigned short *pData)
{
        while (*pData != 0x00) {
                UART1_Write(*pData);
                pData++;
                Delay_ms(10);
        }
}

//********************************************************************** 

void        ByteToStr2(unsigned short number, char *output)
{
        ByteToStr(number, output);
        output[0] = (output[1] == ' ') ? '0' : output[1];
        output[1] = output[2];
        output[2] = 0x00;
}

//********************************************************************** 

// Lcd pinout settings
sbit LCD_RS  at  RB4_bit;
sbit LCD_RW  at  RB6_bit;
sbit LCD_EN  at  RB7_bit;
sbit LCD_D7  at  RA0_bit;
sbit LCD_D6  at  RA1_bit;
sbit LCD_D5  at  RA2_bit;
sbit LCD_D4  at  RA3_bit;

// Pin direction
sbit LCD_RS_Direction at TRISB4_bit;
sbit LCD_RW_Direction at TRISB6_bit;
sbit LCD_EN_Direction at TRISB7_bit;
sbit LCD_D7_Direction at TRISA0_bit;
sbit LCD_D6_Direction at TRISA1_bit;
sbit LCD_D5_Direction at TRISA2_bit;
sbit LCD_D4_Direction at TRISA3_bit;

void    init_lcd()
{
	LCD_RW_Direction = 0;
	LCD_RW = 0;
        Lcd_Init();
        Lcd_Cmd(_LCD_CURSOR_OFF);
        Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR);
        Lcd_Out(1, 1, "GpsClock v2.10");
        Delay_ms(500);
        Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR);
}

//********************************************************************** 

void    init_timer()
{
        // TIMER1の設定
        PIE1.TMR1IE = 0;
        PIR1.TMR1IF = 0;
        T1CON.T1CKPS0 = 1;
        T1CON.T1CKPS1 = 1;
        T1CON.TMR1ON = 0;
        TMR1L = 0;
        TMR1H = 0;
        // CCPの設定
        PIE1.CCP1IE = 1;
        PIR1.CCP1IF = 0;
        CCP1CON.CCP1M3 = 1;
        CCP1CON.CCP1M2 = 0;
        CCP1CON.CCP1M1 = 1;
        CCP1CON.CCP1M0 = 1;
        CCPR1L = 0xA8;        // 0.1sec...(1÷8000000)*4*8*25000
        CCPR1H = 0x61;        // 
}

//********************************************************************** 

void    main()
{
        //
//        OSCCON = 0b01110000;
        CMCON  = 0b00000111;
        ANSEL  = 0b00000000;
        TRISA  = 0b10110000;
        TRISB  = 0b00000111;
        //
        LED = OFF;
        GT720F = 1;
        // 
        init_lcd();
        Lcd_Chr(1, 3, ':');
        Lcd_Chr(1, 6, ':');
        Lcd_Chr(1, 9, '.');
        //
        UART1_Init(9600);
        //
        clock = 0;
        strcpy(date, "??/??");
        //
        init_timer();
        // 割り込みを許可する。 
        INTCON.PEIE = 1;
        INTCON.GIE = 1;
        //
        T1CON.TMR1ON = 1;
        //
        while (1) {
                //clock変数から、時、分、秒、ミリ秒を求める。 
                hh = clock / 36000;
                mm = (clock - (36000 * (long)hh)) / 600;
                ss = (clock - (36000 * (long)hh) - (600 * (long)mm)) / 10;
                ms = (clock - (36000 * (long)hh) - (600 * (long)mm)) - (10 * (long)ss);
                //時を表示する。 
                ByteToStr2(hh, buf);
                Lcd_Out(1, 1, buf);
                //分を表示する。
                ByteToStr2(mm, buf);
                Lcd_Out(1, 4, buf);
                //秒を表示する。
                ByteToStr2(ss, buf);
                Lcd_Out(1, 7, buf);
                //ミリ秒を表示する。
                ByteToStr(ms, buf);
                Lcd_Out(1, 10, &buf[2]);
                //GPSと時刻同期する。（手動） 
                if (SW1 == 0) {
                        GT720F = 0;
                        clock = gps_get_clock();
                        GT720F = 1;
                }
                //GPSと時刻同期する。（自動：毎時０分０秒） 
                if ((SW3 == 0) && (mm == 0) && (ss == 0)) {
                        GT720F = 0;
                        clock = gps_get_clock();
                        GT720F = 1;
                }
                //ＲＳ２３２Ｃに時刻データを送信する。 
                if (SW4 == 0) {
                        while (SW4 == 0) {
                                Delay_ms(100);
                        }
                        LED = ON;
                        UART1_Write_Str("S");
                        UART1_Write_Str(date);
                        UART1_Write_Str(" ");
                        ByteToStr2(hh, buf);
                        UART1_Write_Str(buf);
                        UART1_Write_Str(":");
                        ByteToStr2(mm, buf);
                        UART1_Write_Str(buf);
                        UART1_Write_Str(":");
                        ByteToStr2(ss, buf);
                        UART1_Write_Str(buf);
                        UART1_Write_Str("E");
                        LED = OFF;
                }
        }
}

//**********************************************************************
</code>

===== 動作確認 =====
{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-133240.png?500}}

GT-720Fは、接続線が細く切れやすいので、基板に固定し、少し太めの線に変換します。
{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-133304.png?500}}

左側:起動直後(時刻同期前)です。(時刻データは、現在時刻とは全く無関係です)
右側:SW1を押下すると、時刻同期が行われ、正常な現在時刻を表示します。
  上の行=JST(Japan Standard Time￫日本標準時)です。
  下の行の左=UTC(Coordinated Universal Time￫協定世界時)です。
  下の行の右=GPSのクオリティ(1)と受信衛星数(03)です。
{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-133356.png}}{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-133359.png}}

簡易GPS時計V3にLCDモニター(3.3V駆動)を接続しました。
{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-133408.png?500}}

SW4を押下すると、LCDモニターに、送信されてきた時刻データが表示されます。
{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-133423.png?500}}

如何ですか?
使用するクリスタルオシレータの精度によっては、毎時零分の時刻同期ではなく、一日1回の時刻同期でも十分
実用になると思います。

<参考>
消費電流は、
  * 通常時(GPS受信モジュールOFF)￫約10mA
  * 校正時(GPS受信モジュールON)￫約200mA
でした。

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</callout>