USB转串口模拟 PPS+GPRMC 进行授时

article/2025/10/16 5:30:57

把 PC的系统时间通过USB转串口发出来来模拟 PPS+GPRMC 授时, 这大冷天的, 用来在室内测试MCU或者SOC的授时功能, 传感器的授时与线束检测, 测试干扰等等, 还是比较合适的.

如下图, 左边为 USB转9针RS232串口, 右边为 USB转TTL串口

在这里插入图片描述

原理:

PPS 有 3V3 / 5V / ~~12V~~ 等规格, 这里用串口芯片的RTS引脚来模拟PPS(DTR引脚也可以), 左边RS232的DB9口中虽然也有RTS引脚, 但是实测是±9V, 所以用右边的USB转TTL芯片的3.3V的RTS来代替
GPRMC 是RS232 电平, 直接用左边DB9中的PIN3–TXD引脚发出来就可以了
图左都是RS232电平, 图右都是TTL电平, 所以才用了两个来混搭, 如果自己打板子用一个USB转串口芯片+RS232芯片就够了

Python3 的脚本1.py如下(Win下为 COM*, Ubuntu下为/dev/ttyUSB*, 需要先安装pyserial和nmeasim)

#!/usr/bin/python3# python3 -m pip install pyserial
# python3 -m pip install nmeasimfrom nmeasim.models import GpsReceiver
from threading import Timer
from datetime import datetime
import serialttl_ser   = serial.Serial('COM7')	# 右边板子的串口号, 用到RTS或者DTR引脚, 模拟PPS
rs232_ser = serial.Serial(port="COM14", baudrate=9600)	# 左边板子的串口号, 用到TXD, 9600波特率, 模拟GPRMCgps = GpsReceiver(output=('RMC',))	# 单GPRMC输出
# https://gitlab.com/nmeasim/nmeasim/-/blob/master/nmeasim/models.py
# output=("GGA", "GLL", "GSA", "GSV", "RMC", "VTG", "ZDA")def pps_high():ttl_ser.setRTS(False)	# -9V, 3.3V, PPS输出高, 如果用DTR引脚就setDTRdef pps_low():ttl_ser.setRTS(True)	# 9V, 0V, PPS输出低def pps_init():# print('pps_init')pps_low()	# 初始低电平def gprmc_out():gps.date_time = datetime.now()	# 获取电脑的系统时间gps.__lat_sign = 'N'	# GPRMC中的一些信息, 只要时间的话下面这些参数可以不用设置gps.lat = 39.1234gps.__lon_sign  = 'N'gps.lon = 116.5678gps.__mag_sign = 'E'gps.mag_var = 4.1gps.kph = 1.0gps.heading = 1.0rs232_ser.write(gps.get_output()[0].encode('utf-8') + b'\r\n')	# 发出GPRMC信息, 结尾加上\r\n# print(gps.get_output()[0].encode('utf-8'))# ts = datetime.utcnow().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S.%f')[:-3]# print('gprmc_out :', ts, ts[-3:])# print()def pps_out():pps_high()ts = datetime.utcnow().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S.%f')[:-3]	# 精确到msprint(ts)Timer(1 - int(ts[-3:])/1000, pps_out).start()	# 每次都进行补偿Timer(0.02, pps_init).start()   # PPS高电平持续时间20ms, 示波器实测约32msTimer(0.10, gprmc_out).start()  # PPS上升沿后100ms, 发出GPRMCpps_init()
pps_out()

运行python3 1.py, 环境为 Win10, i7-8086K, 测试时间为 2021年12月30日, 北京时间减去8小时就是下面GPRMC中的时间

在这里插入图片描述

换算成十六进制, 结尾一定要有0x0D, 0x0A, 如果没有, 以Velodyne的激光雷达VLP-16为例, 即便网页可能有之前的GPS Position信息, 但是Wireshark里面抓到的512字节的数据包只会显示PPS Locked, 却没有GPRMC信息

在这里插入图片描述

左边为PPS发出的时间戳, 加上8小时刚好是北京时间, 精度在4ms以内, 通用测试还是可以的

PPS波形(CP2104芯片, PPS高电平持续时间, 示波器实测脉宽比设置的20ms多出12ms, 不过PPS用的上升沿, 这个应该影响不大)

在这里插入图片描述

两个脉冲上升沿的间隔 1s

在这里插入图片描述

上升沿有点惨不忍睹快1ms了, 这带来的PPS误差又多了1ms, 把9600bps改成115200bps也没有改善, 换成CH340或者空载差别也不大, 如果用MCU来模拟可能会好一点, 或者加个74芯片

在这里插入图片描述

如果只是单纯授时, 脚本中不要定位信息也是可以的, 如下

def gprmc_out():gps.date_time = datetime.now()rs232_ser.write(gps.get_output()[0].encode('utf-8') + b'\r\n')# $GPRMC,024941.113,A,0000.000,N,00000.000,E,0.0,0.0,301221,,,A*64
# $GPRMC,024942.119,A,0000.000,N,00000.000,E,0.0,0.0,301221,,,A*6D
# $GPRMC,024943.114,A,0000.000,N,00000.000,E,0.0,0.0,301221,,,A*61
# $GPRMC,024944.113,A,0000.000,N,00000.000,E,0.0,0.0,301221,,,A*61
# $GPRMC,024945.119,A,0000.000,N,00000.000,E,0.0,0.0,301221,,,A*6A

用VLP-16做个测试, 首先看下VLP-16用户手册中时间同步的要求:

PPS + 每秒一次的NMEA V2.3 GPRMC 或 GPGGA
PPS是固定的, 后面的NMEA 可以通过串口或者以太网口发送, 以太网口需要通过 TCP/UDP/广播发送 NMEA 消息到 10110 端口, 这里就不考虑了, 以下GPRMC只指通过串口 RS232电平发出来的信息
PPS和GPRMC在高电平要能提供至少2mA的电流, 可能是为了抗干扰, 加了类似光耦的装置? 想要一根线挂很多激光雷达可能不太行
PPS是TTL电平, 3.3V/5V, 脉宽10us-200ms, 下面程序里设置成20ms
GPRMC是RS232电平, 9600bps, 格式可以是 HHMMSS, HHMMSS.s, HHMMSS.ss, 或 HHMMSS.sss(上面程序用的这个), 结尾要有0x0D, 0x0A, 也就是\r\n 或者叫 <CR><LF>, 时序要求见下图, 下面程序里设置成PPS上升沿100ms后发出

在这里插入图片描述