專利名稱：重力記錄系統(tǒng)gps時(shí)間同步裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種GPS時(shí)間同步裝置，具體地說(shuō)，涉及一種用于重力記錄系統(tǒng)的GPS時(shí)間同步裝置，可廣泛應(yīng)用于測(cè)量、地震、勘探及其它部門。
重力測(cè)量不僅可以用來(lái)研究地球重力場(chǎng)和地球形狀，而且在地球物理勘探方面也得到了廣泛的應(yīng)用，成為礦產(chǎn)、油氣、地?zé)?、地下水資源勘探不可替代的重要手段。
作為重力儀的終端，重力記錄系統(tǒng)承擔(dān)著將重力儀輸出的信號(hào)用模擬或數(shù)字方式記錄下來(lái)的任務(wù)。模擬方式是通過(guò)長(zhǎng)圖記錄儀繪制重力隨時(shí)間變化的曲線；數(shù)字方式則是通過(guò)計(jì)算機(jī)以數(shù)字的形式采集和存儲(chǔ)重力數(shù)據(jù)。然而，目前的重力記錄系統(tǒng)，無(wú)論它采用的是何種方式，都存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題①所配置的時(shí)間裝置精度較低，已不能滿足當(dāng)今重力測(cè)量發(fā)展的要求。
②根據(jù)國(guó)際地球動(dòng)力學(xué)觀測(cè)計(jì)劃，要求全球重力儀觀測(cè)統(tǒng)一采用高精度協(xié)調(diào)世界時(shí)，使世界上任何地點(diǎn)采集站的時(shí)間同步，以利于全球重力資料的分析。這對(duì)于目前各自獨(dú)立配置系統(tǒng)時(shí)鐘的的重力記錄系統(tǒng)，是難以做到的。
③目前的重力記錄系統(tǒng)，由于所配置的時(shí)間裝置都是采用人工手動(dòng)對(duì)時(shí)方式，不僅操作過(guò)程繁瑣，誤差也大，無(wú)法滿足重力觀測(cè)的要求。
④不具備實(shí)時(shí)顯示和輸出三維位置信息的能力，不利于野外流動(dòng)重力測(cè)量。
⑤不具備同時(shí)實(shí)時(shí)顯示格林尼治日期、時(shí)間和北京時(shí)間的能力，使用起來(lái)很不方便。
⑥不能根據(jù)用戶所進(jìn)行的時(shí)間間隔的設(shè)置，自動(dòng)輸出定時(shí)時(shí)標(biāo)，無(wú)法應(yīng)用于長(zhǎng)圖模擬記錄等各種定時(shí)控制的場(chǎng)合。
⑦不能給用戶提供精確的秒信號(hào)，無(wú)法應(yīng)用于精密授時(shí)的場(chǎng)合，使其應(yīng)用范圍受到限制。
本實(shí)用新型的目的就是針對(duì)上述存在的問(wèn)題提供一種用于重力記錄系統(tǒng)的GPS時(shí)間同步裝置，采用GPS和微機(jī)技術(shù)，集授時(shí)、定位于一體，實(shí)現(xiàn)重力記錄系統(tǒng)與協(xié)調(diào)世界時(shí)的精確同步，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、功耗低。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，即它由接收天線、GPS-OEM板、控制處理器、驅(qū)動(dòng)器、字符顯示器、并行接口、撥碼盤、存貯器、通訊接口、操作鍵盤等部件構(gòu)成。在完成上電自檢后，裝置自動(dòng)接收來(lái)自天線的GPS信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤、鎖定，提取出日期、時(shí)間及三維位置等信息，轉(zhuǎn)換為ASC II碼，在字符顯示器上連續(xù)實(shí)時(shí)顯示高精度的時(shí)間和地理位置信息；同時(shí)，還根據(jù)用戶設(shè)置的時(shí)間間隔，自動(dòng)輸出定時(shí)時(shí)標(biāo)，為長(zhǎng)圖記錄儀提供打印時(shí)號(hào)。另外，還輸出串行數(shù)據(jù)到重力數(shù)字記錄系統(tǒng)，對(duì)其系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行校正，從而使重力數(shù)字記錄系統(tǒng)與協(xié)調(diào)世界時(shí)同步。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果①采用單片微機(jī)控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，改變了傳統(tǒng)重力記錄系統(tǒng)時(shí)間精度低、需要人工手動(dòng)對(duì)時(shí)的工作方式。
②全天候、連續(xù)實(shí)時(shí)提供高精度的時(shí)間及地理位置信息，能同時(shí)滿足重力模擬記錄與數(shù)字記錄方式的要求。
③由裝置RS-232通訊接口輸出的時(shí)間信息，可經(jīng)由串行通訊電纜輸入到重力數(shù)字記錄系統(tǒng)，對(duì)其系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行校正，使之與協(xié)調(diào)世界時(shí)精確同步。
④裝置所具有的高精度的定位能力、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，可對(duì)野外流動(dòng)重力測(cè)量提供很大的方便。
⑤裝置所具備的同時(shí)顯示格林尼治日期、時(shí)間和北京時(shí)間的能力，有利于重力觀測(cè)。
⑥裝置還具有自動(dòng)輸出定時(shí)時(shí)標(biāo)的能力，用戶可通過(guò)撥碼盤設(shè)定時(shí)間間隔，輸出相應(yīng)的整點(diǎn)信號(hào)，為長(zhǎng)圖模擬記錄提供打印時(shí)號(hào)或用于其它設(shè)備的自控定時(shí)。
⑦裝置還提供TTL電平的精度優(yōu)于1微秒的秒脈沖信號(hào)，應(yīng)用于精密授時(shí)的場(chǎng)合。
⑧裝置的RS-232通訊接口輸出NMEA-0183通信標(biāo)準(zhǔn)格式的串行數(shù)據(jù)，內(nèi)容包涵了緯度、經(jīng)度、高度、速度、方向、日期、時(shí)間、衛(wèi)星狀況等眾多信息，可廣泛應(yīng)用于多種場(chǎng)合。
⑨裝置具有較低的功耗，除使用220V交流電壓外，還可采用電池和直流電源，易于與各種設(shè)備配接，有利于野外重力測(cè)量。
⑩使用本裝置無(wú)須對(duì)原有的重力記錄系統(tǒng)進(jìn)行改動(dòng)，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。
以下結(jié)合附圖作進(jìn)一步說(shuō)明。


圖1為本裝置外形結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本裝置外形結(jié)構(gòu)后面板示意圖；圖3為本裝置組成方框圖；圖4為本裝置組成電路圖(1)；圖5為本裝置組成電路圖(2)。
其中1-天線；2-GPS-OEM板；3-控制處理器；4-并行接口；5-撥碼盤；6-繼電器；7-長(zhǎng)圖記錄儀；8-驅(qū)動(dòng)器；9-存貯器；10-監(jiān)控器；11-電源指示；12-秒指示；13-失鎖指示；14-復(fù)位鍵；15-選擇鍵；16-重力數(shù)字記錄系統(tǒng)；17-對(duì)比度調(diào)節(jié)；18-背景光開(kāi)關(guān)；19-字符顯示器；20-機(jī)殼；21-支架；22-機(jī)腳；23-天線插座；24-秒輸出；25-RS-232通訊接口；26-保險(xiǎn)絲；27-電源插座；28-電源開(kāi)關(guān)。
由圖1可知，在機(jī)殼20的前面板上安裝有字符顯示器19、復(fù)位鍵14、選擇鍵15、對(duì)比度調(diào)節(jié)17、背景光開(kāi)關(guān)18、電源指示11、秒指示12、失鎖指示13。
由圖2可知，在機(jī)殼20的后面板上安裝有天線插座23、秒輸出24、RS-232通訊接口25、保險(xiǎn)絲26、電源插座27、電源開(kāi)關(guān)28、撥碼盤5。
由圖3可知，本裝置的電路板安裝在機(jī)殼20內(nèi)。天線1與GPS-OEM板2的輸入端相連；撥碼盤5與并行接口4的輸入端相連；并行接口4的輸出端、GPS-OEM板2的輸出端、監(jiān)控器10、存貯器9、選擇鍵15、復(fù)位鍵14分別與控制處理器3的輸入端相連；控制處理器3的輸出端分別與繼電器6的輸入端、RS-232通訊接口25的輸入端、字符顯示器19相連；繼電器6的輸出端與長(zhǎng)圖記錄儀7相連，RS-232通訊接口25的輸出端與重力數(shù)字記錄系統(tǒng)16相連，GPS-OEM板2的另一輸出端與驅(qū)動(dòng)器8的輸入端相連，驅(qū)動(dòng)器8的輸出端與秒輸出24相連。
在完成上電自檢后，GPS-OEM板2自動(dòng)接收來(lái)自天線1的L1波段的GPS信號(hào)，經(jīng)過(guò)前置放大、窄帶濾波、頻率合成，通過(guò)高速A/D轉(zhuǎn)換，分成8個(gè)并行通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS信號(hào)的跟蹤、鎖定，以二進(jìn)制的格式、9600baud的波特率輸出串行數(shù)據(jù)?？刂铺幚砥?一方面將獲得的日期、時(shí)間及三維位置等信息提取出來(lái)，轉(zhuǎn)換為ASC II碼，以字符的方式在字符顯示器19上加以顯示，連續(xù)實(shí)時(shí)提供高精度的時(shí)間及地理位置信息；同時(shí)，還根據(jù)用戶通過(guò)撥碼盤5所設(shè)置的時(shí)間間隔，自動(dòng)輸出定時(shí)時(shí)標(biāo)，為長(zhǎng)圖記錄儀7提供打印時(shí)號(hào)或用于其它設(shè)備的自控定時(shí)。另一方面，還通過(guò)RS-232通訊接口25輸出串行數(shù)據(jù)到重力數(shù)字記錄系統(tǒng)16，通過(guò)中斷功能調(diào)用，對(duì)其系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行校正，從而使重力數(shù)字記錄系統(tǒng)16與協(xié)調(diào)世界時(shí)同步。
由圖4、圖5可知，采用的控制處理器3為8032，它是整個(gè)系統(tǒng)的處理、操作、控制中心，一切信號(hào)的接收、存貯、顯示、控制均在它的監(jiān)控之下進(jìn)行。控制處理器3通過(guò)A0-A15地址線、D0-D7數(shù)據(jù)線及讀RD、寫WR、復(fù)位RESET等信號(hào)對(duì)全系統(tǒng)進(jìn)行控制。
74LS373地址鎖存器用于解決控制處理器3地址總線與數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用的問(wèn)題。
SS1晶體振蕩器與電容C2、C3組成12MHz的晶體振蕩電路，與控制處理器3的X1、X2引腳相連構(gòu)成內(nèi)部振蕩方式，用來(lái)提供控制處理器3內(nèi)各種微操作的時(shí)間基準(zhǔn)。
復(fù)位按紐K、電容C11、電阻R10、R11構(gòu)成自動(dòng)上電及手動(dòng)復(fù)位電路，使裝置從0000H地址單元開(kāi)始執(zhí)行監(jiān)控程序。
選擇鍵15經(jīng)由電阻R5、R7及74LS00與非門構(gòu)成的防抖動(dòng)電路輸出中斷請(qǐng)求信號(hào)，接入控制處理器3的INT1腳，在字符顯示器19屏幕菜單的提示下，采用翻頁(yè)方式，依次實(shí)時(shí)顯示格林尼治時(shí)間、日期，北京時(shí)間以及測(cè)定的經(jīng)度、緯度和高度。
存貯器9分為程序和數(shù)據(jù)存貯器兩部分。其中，管理、監(jiān)控程序存放于程序存貯器27256中，控制處理器3的內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯器存放中間結(jié)果數(shù)據(jù)。74LS138地址譯碼器對(duì)地址線A13-A15進(jìn)行譯碼，它的輸出Y2-Y4分別作為并行接口4、存貯器9、字符顯示器19的片選信號(hào)，由控制處理器3通過(guò)數(shù)據(jù)線對(duì)它們分時(shí)進(jìn)行訪問(wèn)。
8255可編程雙向并行接口4的A口作為撥碼盤5的數(shù)據(jù)輸入口，將采集到的撥碼盤的當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)提供給控制處理器3，根據(jù)撥碼盤5所確定的時(shí)間間隔，由控制處理器3的P10腳輸出相應(yīng)的整點(diǎn)信號(hào)，經(jīng)電阻R8、R9和三極管N4、N1構(gòu)成的復(fù)合管作為電子開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)繼電器6，為長(zhǎng)圖記錄儀7提供打印時(shí)號(hào)或用于其它設(shè)備的自控定時(shí)。其中，電阻R8與三極管N4的基極相連，三極管N4的發(fā)射極與三極管N1的基極相連，三極管N4的集電極與三極管N1的集電極和繼電器REL1線圈繞組的一端相連，繼電器REL1線圈繞組的另一端與電阻R9、二極管D1構(gòu)成的電源相連。二極管D1防止反相過(guò)沖電流，為繼電器6的線圈繞組提供保護(hù)。
字符顯示器19的8位并行數(shù)據(jù)總線直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線聯(lián)接；來(lái)自地址譯碼器74LS138輸出的Y2與控制處理器3的讀RD和寫WR控制信號(hào)一道，產(chǎn)生字符顯示器19的片選E；地址鎖存器74LS373的輸出地址A0、A1則作為指令/數(shù)據(jù)寄存器選擇和讀/寫選擇的控制信號(hào)。作為對(duì)比度調(diào)節(jié)17的電位器和電阻R16對(duì)供電電壓VCC分壓后，提供給VD腳，用以調(diào)節(jié)字符顯示器19的顯示對(duì)比度。S2是場(chǎng)致發(fā)光的背光照明源控制，通過(guò)微型逆變器LED1，將5V直流電壓轉(zhuǎn)換為100V左右的1000Hz的交變電壓，提供給字符顯示器19，使它能在弱光或黑暗的條件下使用。
GPS-OEM板2輸出的秒脈沖分為兩路，一路經(jīng)三極管N2、電阻R1、R12構(gòu)成的放大器反相后，通過(guò)LM555和電阻R4、電容C5、C7構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路，輸出到作為秒指示11的綠色LED，指示秒脈沖的到來(lái)；另一路則通過(guò)三極管N3與電阻R13構(gòu)成的射極跟隨器經(jīng)由秒輸出24提供給用戶TTL電平的精度優(yōu)于1微秒的秒信號(hào)。
當(dāng)鎖定衛(wèi)星少于3顆，裝置處于失鎖狀態(tài)時(shí)，控制處理器3的P12腳發(fā)出脈沖信號(hào)，經(jīng)74LS00與非門輸出到作為失鎖指示13的黃色LED，使其閃爍；與之同時(shí)，字符顯示器19閃爍顯示“正在跟蹤...”的提示信息；失鎖時(shí)，裝置會(huì)自動(dòng)切換到內(nèi)部時(shí)鐘，繼續(xù)保持時(shí)間顯示及秒信號(hào)的輸出。
由于控制處理器3輸出的串行數(shù)據(jù)是0-5V的TTL電平，而重力數(shù)字記錄系統(tǒng)16配置的是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的串行接口，二者的電氣規(guī)范不一致，不能直接進(jìn)行通訊。為此，增設(shè)了串行收發(fā)器MAX202，由控制處理器3的串行口輸出端與其輸入端相連，串行收發(fā)器的輸出端與RS-232通訊接口25相連，實(shí)現(xiàn)裝置與重力數(shù)字記錄系統(tǒng)16的異步串行通訊。
為提高抗干擾能力，裝置還采用了作為監(jiān)控器10的MAX690，其WRI腳與控制處理器3的P11腳相聯(lián)，每隔1.6秒被觸發(fā)一次，隨時(shí)查詢控制處理器3的軟件執(zhí)行的正確性，一旦發(fā)現(xiàn)程序在外界強(qiáng)干擾下產(chǎn)生運(yùn)行混亂，馬上由其RES腳發(fā)出50毫秒的復(fù)位脈沖，對(duì)控制處理器實(shí)施強(qiáng)制“復(fù)位”，使程序從頭開(kāi)始執(zhí)行，這樣就避免了“死機(jī)”現(xiàn)象的發(fā)生。另外，監(jiān)控器10通過(guò)VOUT腳對(duì)GPS-OEM板2供電。正常時(shí)，VOUT與供電電壓VCC相連；一旦電源故障，VOUT將自動(dòng)切換到與VBAT相連，將備用電池B1接入，維持對(duì)GPS-OEM板2供電。
根據(jù)以上設(shè)計(jì)原理，本實(shí)用新型采用以下程序一、主程序主程序的功能是對(duì)各接口進(jìn)行初始化設(shè)置并行接口4、字符顯示器19以及控制處理器3串行端口的工作方式，中斷方式以及給堆棧、數(shù)據(jù)存貯單元和標(biāo)志單元預(yù)置初值等。在判斷并接收到GPS信息數(shù)據(jù)后，將獲得的日期、時(shí)間及三維位置等信息提取出來(lái)，轉(zhuǎn)換為ASC II碼；將協(xié)調(diào)世界時(shí)轉(zhuǎn)化為北京時(shí)，分別存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)單元，并通過(guò)RS-232通訊接口25輸出串行數(shù)據(jù)。同時(shí)，讀取撥碼盤5當(dāng)前所設(shè)定的狀態(tài)，根據(jù)它所確定的時(shí)間間隔，由繼電器6輸出相應(yīng)的整點(diǎn)信號(hào)；查詢裝置處于失鎖狀態(tài)與否，若失鎖，則使失鎖指示13閃爍，并由字符顯示器19上顯示提示信息；讀取標(biāo)志單元中的當(dāng)前頁(yè)號(hào)，裝入并顯示相應(yīng)的頁(yè)內(nèi)容。然后，重又返回上述過(guò)程。只有當(dāng)選擇鍵15發(fā)出中斷請(qǐng)求時(shí)，控制處理器3才停止執(zhí)行主程序轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷子程序。在子程序結(jié)束后，方又回到原來(lái)執(zhí)行的主程序繼續(xù)工作。主程序采用模塊結(jié)構(gòu)，各模塊之間互相獨(dú)立。
二、中斷服務(wù)程序在響應(yīng)選擇鍵15發(fā)出的中斷請(qǐng)求信號(hào)之后，隨即進(jìn)入本中斷服務(wù)程序，在關(guān)中斷、保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)后，讀取選擇鍵15確定的新頁(yè)號(hào)，替換掉原來(lái)的頁(yè)號(hào)，從數(shù)據(jù)存貯器中取出與新頁(yè)號(hào)相對(duì)應(yīng)的頁(yè)內(nèi)容，裝入到字符顯示器19的顯示緩沖區(qū)，顯示格林尼治時(shí)間、日期或北京時(shí)間以及測(cè)定的經(jīng)度、緯度和高度。在開(kāi)中斷、恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)后，執(zhí)行RETI指令，中斷返回到主程序。
權(quán)利要求1.一種重力記錄系統(tǒng)GPS時(shí)間同步裝置，其特征在于本裝置由下列部件組成，其連接關(guān)系是天線(1)與GPS-OEM板(2)的輸入端相連；撥碼盤(5)與并行接口(4)的輸入端相連；并行接口(4)的輸出端、GPS-OEM板(2)的輸出端、監(jiān)控器(10)、存貯器(9)、選擇鍵(15)、復(fù)位鍵(14)分別與控制處理器(3)的輸入端相連；控制處理器(3)的輸出端分別與繼電器(6)的輸入端、RS-232通訊接口(25)的輸入端、字符顯示器(19)相連；GPS-OEM板(2)的另一輸出端與驅(qū)動(dòng)器(8)的輸入端相連；驅(qū)動(dòng)器(8)的輸出端與秒輸出(24)相連。
2.按權(quán)利要求1所述的一種重力記錄系統(tǒng)GPS時(shí)間同步裝置，其特征在于繼電器(6)與長(zhǎng)圖記錄儀(7)的輸入端相連。
3.按權(quán)利要求1所述的一種重力記錄系統(tǒng)GPS時(shí)間同步裝置，其特征在于RS-232通訊接口(25)的輸出端與重力數(shù)字記錄系統(tǒng)(16)的輸入端相連。
4.按權(quán)利要求1所述的一種重力記錄系統(tǒng)GPS時(shí)間同步裝置，其特征在于繼電器(6)中的電阻R8與三極管N4的基極相連，三極管N4的發(fā)射極與三極管N1的基極相連，三極管N4的集電極與三極管N1的集電極和繼電器REL1線圈繞組的一端相連，繼電器REL1線圈繞組的另一端與電阻R9、二極管D1構(gòu)成的電源相連。
5.按權(quán)利要求1所述的一種重力記錄系統(tǒng)GPS時(shí)間同步裝置，其特征在于控制處理器(3)的串行口輸出端與串行收發(fā)器的輸入端相連，串行收發(fā)器的輸出端與RS-232通訊接口(25)相連。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于重力記錄系統(tǒng)的GPS時(shí)間同步裝置,可廣泛應(yīng)用于測(cè)量、地震、勘探及其它部門。它由接收天線、GPS－OEM板、控制處理器、驅(qū)動(dòng)器、字符顯示器、并行接口、撥碼盤、存貯器、通訊接口、操作鍵盤等部件組成。本實(shí)用新型集定位、授時(shí)于一體,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、實(shí)時(shí)、功耗低等特點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程時(shí)間的精確同步,同時(shí)滿足重力模擬記錄與數(shù)字記錄方式的要求,尤其適用于現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)自動(dòng)測(cè)量及無(wú)人臺(tái)站測(cè)量。
文檔編號(hào)G01V7/04GK2491852SQ0123975
公開(kāi)日2002年5月15日 申請(qǐng)日期2001年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月12日
發(fā)明者周百力 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所