專利名稱：重力記錄系統(tǒng)gps時間同步裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種GPS時間同步裝置，具體地說，涉及一種用于重力記錄系統(tǒng)的GPS時間同步裝置，可廣泛應(yīng)用于測量、地震、勘探及其它部門。
重力測量不僅可以用來研究地球重力場和地球形狀，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用模擬或數(shù)字方式記錄下來的任務(wù)。模擬方式是通過長圖記錄儀繪制重力隨時間變化的曲線；數(shù)字方式則是通過計算機以數(shù)字的形式采集和存儲重力數(shù)據(jù)。然而，目前的重力記錄系統(tǒng)，無論它采用的是何種方式，都存在以下幾個方面的問題①所配置的時間裝置精度較低，已不能滿足當(dāng)今重力測量發(fā)展的要求。
②根據(jù)國際地球動力學(xué)觀測計劃，要求全球重力儀觀測統(tǒng)一采用高精度協(xié)調(diào)世界時，使世界上任何地點采集站的時間同步，以利于全球重力資料的分析。這對于目前各自獨立配置系統(tǒng)時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)，由于所配置的時間裝置都是采用人工手動對時方式，不僅操作過程繁瑣，誤差也大，無法滿足重力觀測的要求。
④不具備實時顯示和輸出三維位置信息的能力，不利于野外流動重力測量。
⑤不具備同時實時顯示格林尼治日期、時間和北京時間的能力，使用起來很不方便。
⑥不能根據(jù)用戶所進行的時間間隔的設(shè)置，自動輸出定時時標，無法應(yīng)用于長圖模擬記錄等各種定時控制的場合。
⑦不能給用戶提供精確的秒信號，無法應(yīng)用于精密授時的場合，使其應(yīng)用范圍受到限制。
本實用新型的目的就是針對上述存在的問題提供一種用于重力記錄系統(tǒng)的GPS時間同步裝置，采用GPS和微機技術(shù)，集授時、定位于一體，實現(xiàn)重力記錄系統(tǒng)與協(xié)調(diào)世界時的精確同步，結(jié)構(gòu)簡單、精度高、功耗低。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的，即它由接收天線、GPS-OEM板、控制處理器、驅(qū)動器、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，裝置自動接收來自天線的GPS信號，對信號進行跟蹤、鎖定，提取出日期、時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)實時顯示高精度的時間和地理位置信息；同時，還根據(jù)用戶設(shè)置的時間間隔，自動輸出定時時標，為長圖記錄儀提供打印時號。另外，還輸出串行數(shù)據(jù)到重力數(shù)字記錄系統(tǒng)，對其系統(tǒng)時鐘進行校正，從而使重力數(shù)字記錄系統(tǒng)與協(xié)調(diào)世界時同步。
本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和積極效果①采用單片微機控制，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，改變了傳統(tǒng)重力記錄系統(tǒng)時間精度低、需要人工手動對時的工作方式。
②全天候、連續(xù)實時提供高精度的時間及地理位置信息，能同時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)，對其系統(tǒng)時鐘進行校正，使之與協(xié)調(diào)世界時精確同步。
④裝置所具有的高精度的定位能力、操作簡便的特點，可對野外流動重力測量提供很大的方便。
⑤裝置所具備的同時顯示格林尼治日期、時間和北京時間的能力，有利于重力觀測。
⑥裝置還具有自動輸出定時時標的能力，用戶可通過撥碼盤設(shè)定時間間隔，輸出相應(yīng)的整點信號，為長圖模擬記錄提供打印時號或用于其它設(shè)備的自控定時。
⑦裝置還提供TTL電平的精度優(yōu)于1微秒的秒脈沖信號，應(yīng)用于精密授時的場合。
⑧裝置的RS-232通訊接口輸出NMEA-0183通信標準格式的串行數(shù)據(jù)，內(nèi)容包涵了緯度、經(jīng)度、高度、速度、方向、日期、時間、衛(wèi)星狀況等眾多信息，可廣泛應(yīng)用于多種場合。
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，有利于野外重力測量。
⑩使用本裝置無須對原有的重力記錄系統(tǒng)進行改動，具有推廣應(yīng)用價值。
以下結(jié)合附圖作進一步說明。


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-長圖記錄儀；8-驅(qū)動器；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-對比度調(diào)節(jié)；18-背景光開關(guān)；19-字符顯示器；20-機殼；21-支架；22-機腳；23-天線插座；24-秒輸出；25-RS-232通訊接口；26-保險絲；27-電源插座；28-電源開關(guān)。
由圖1可知，在機殼20的前面板上安裝有字符顯示器19、復(fù)位鍵14、選擇鍵15、對比度調(diào)節(jié)17、背景光開關(guān)18、電源指示11、秒指示12、失鎖指示13。
由圖2可知，在機殼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、保險絲26、電源插座27、電源開關(guān)28、撥碼盤5。
由圖3可知，本裝置的電路板安裝在機殼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)動器8的輸入端相連，驅(qū)動器8的輸出端與秒輸出24相連。
在完成上電自檢后，GPS-OEM板2自動接收來自天線1的L1波段的GPS信號，經(jīng)過前置放大、窄帶濾波、頻率合成，通過高速A/D轉(zhuǎn)換，分成8個并行通道，實現(xiàn)對GPS信號的跟蹤、鎖定，以二進制的格式、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、時間及三維位置等信息提取出來，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)實時提供高精度的時間及地理位置信息；同時，還根據(jù)用戶通過撥碼盤5所設(shè)置的時間間隔，自動輸出定時時標，為長圖記錄儀7提供打印時號或用于其它設(shè)備的自控定時。另一方面，還通過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，通過中斷功能調(diào)用，對其系統(tǒng)時鐘進行校正，從而使重力數(shù)字記錄系統(tǒng)16與協(xié)調(diào)世界時同步。
由圖4、圖5可知，采用的控制處理器3為8032，它是整個系統(tǒng)的處理、操作、控制中心，一切信號的接收、存貯、顯示、控制均在它的監(jiān)控之下進行。控制處理器3通過A0-A15地址線、D0-D7數(shù)據(jù)線及讀RD、寫WR、復(fù)位RESET等信號對全系統(tǒng)進行控制。
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)總線分時復(fù)用的問題。
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，用來提供控制處理器3內(nèi)各種微操作的時間基準。
復(fù)位按紐K、電容C11、電阻R10、R11構(gòu)成自動上電及手動復(fù)位電路，使裝置從0000H地址單元開始執(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)成的防抖動電路輸出中斷請求信號，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，采用翻頁方式，依次實時顯示格林尼治時間、日期，北京時間以及測定的經(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地址譯碼器對地址線A13-A15進行譯碼，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，由控制處理器3通過數(shù)據(jù)線對它們分時進行訪問。
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所確定的時間間隔，由控制處理器3的P10腳輸出相應(yīng)的整點信號，經(jīng)電阻R8、R9和三極管N4、N1構(gòu)成的復(fù)合管作為電子開關(guān)驅(qū)動繼電器6，為長圖記錄儀7提供打印時號或用于其它設(shè)備的自控定時。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防止反相過沖電流，為繼電器6的線圈繞組提供保護。
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。作為對比度調(diào)節(jié)17的電位器和電阻R16對供電電壓VCC分壓后，提供給VD腳，用以調(diào)節(jié)字符顯示器19的顯示對比度。S2是場致發(fā)光的背光照明源控制，通過微型逆變器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；另一路則通過三極管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。
當(dāng)鎖定衛(wèi)星少于3顆，裝置處于失鎖狀態(tài)時，控制處理器3的P12腳發(fā)出脈沖信號，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，字符顯示器19閃爍顯示“正在跟蹤...”的提示信息；失鎖時，裝置會自動切換到內(nèi)部時鐘，繼續(xù)保持時間顯示及秒信號的輸出。
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標準的串行接口，二者的電氣規(guī)范不一致，不能直接進行通訊。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)程序在外界強干擾下產(chǎn)生運行混亂，馬上由其RES腳發(fā)出50毫秒的復(fù)位脈沖，對控制處理器實施強制“復(fù)位”，使程序從頭開始執(zhí)行，這樣就避免了“死機”現(xiàn)象的發(fā)生。另外，監(jiān)控器10通過VOUT腳對GPS-OEM板2供電。正常時，VOUT與供電電壓VCC相連；一旦電源故障，VOUT將自動切換到與VBAT相連，將備用電池B1接入，維持對GPS-OEM板2供電。
根據(jù)以上設(shè)計原理，本實用新型采用以下程序一、主程序主程序的功能是對各接口進行初始化設(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、時間及三維位置等信息提取出來，轉(zhuǎn)換為ASC II碼；將協(xié)調(diào)世界時轉(zhuǎn)化為北京時，分別存儲到相應(yīng)的數(shù)據(jù)單元，并通過RS-232通訊接口25輸出串行數(shù)據(jù)。同時，讀取撥碼盤5當(dāng)前所設(shè)定的狀態(tài)，根據(jù)它所確定的時間間隔，由繼電器6輸出相應(yīng)的整點信號；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；讀取標志單元中的當(dāng)前頁號，裝入并顯示相應(yīng)的頁內(nèi)容。然后，重又返回上述過程。只有當(dāng)選擇鍵15發(fā)出中斷請求時，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)，各模塊之間互相獨立。
二、中斷服務(wù)程序在響應(yīng)選擇鍵15發(fā)出的中斷請求信號之后，隨即進入本中斷服務(wù)程序，在關(guān)中斷、保護現(xiàn)場后，讀取選擇鍵15確定的新頁號，替換掉原來的頁號，從數(shù)據(jù)存貯器中取出與新頁號相對應(yīng)的頁內(nèi)容，裝入到字符顯示器19的顯示緩沖區(qū)，顯示格林尼治時間、日期或北京時間以及測定的經(jīng)度、緯度和高度。在開中斷、恢復(fù)現(xiàn)場后，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)動器(8)的輸入端相連；驅(qū)動器(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時間同步裝置，其特征在于繼電器(6)與長圖記錄儀(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。
專利摘要本實用新型涉及一種用于重力記錄系統(tǒng)的GPS時間同步裝置,可廣泛應(yīng)用于測量、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。本實用新型集定位、授時于一體,具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、實時、功耗低等特點,可以實現(xiàn)遠程時間的精確同步,同時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)場連續(xù)自動測量及無人臺站測量。
文檔編號G01V7/04GK2491852SQ0123975
公開日2002年5月15日 申請日期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 申請人:中國科學(xué)院測量與地球物理研究所