專利名稱：電磁法探測的全球定位系統(tǒng)同步控制信號產(chǎn)生的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電磁法探測的全球定位系統(tǒng)同步控制信號產(chǎn)生的方法，屬于電磁法發(fā)
送機(jī)電流的產(chǎn)生與接收機(jī)信號接收的同步技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在電磁探測領(lǐng)域，需要由發(fā)送機(jī)輸出電流，輸出電流可以是單極性方波、雙極性方
波、正弦波、交流方波、周期性多頻正弦波，接收機(jī)采集來自地質(zhì)體的響應(yīng)信號，接收機(jī)根據(jù)
發(fā)送電流的周期和發(fā)送時(shí)刻啟動接收，發(fā)送機(jī)和接收機(jī)需要精確的同步控制信號。 電磁法發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的同步方法包括電纜同步、無線通訊同步、石英鐘同步、感
應(yīng)信號同步和全球定位系統(tǒng)同步，其中，利用全球定位系統(tǒng)的高精度時(shí)鐘和秒脈沖信號，可
很好地解決時(shí)間同步問題，無時(shí)間累積誤差，在地球物理探測領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。 現(xiàn)有技術(shù)存在的不足在于電磁法發(fā)送機(jī)和接收機(jī)需要在施工前設(shè)置發(fā)送機(jī)電流
波形類型、周期和啟動時(shí)間三個(gè)參數(shù)，一般通過鍵盤或無線控制終端。發(fā)送機(jī)發(fā)送電流的啟
動時(shí)間在施工中斷、更換測點(diǎn)或更改發(fā)送電流周期時(shí)，都需重新設(shè)置，施工極為不便，且易
出差錯(cuò)，降低了施工效率。 發(fā)明專利申請?zhí)?1128148的"衛(wèi)星定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)同步控制器"，采用GPS解決了電磁法探測的發(fā)送機(jī)與接收機(jī)的同步問題，從相同發(fā)明人之一的林君指導(dǎo)碩士論文"TEM-II型瞬變電磁法發(fā)射機(jī)的研制及改進(jìn)設(shè)計(jì)，2001"中看出，專利申請?zhí)?1128148的發(fā)明在同步控制啟動時(shí)間的確定上需要人工設(shè)置。文獻(xiàn)"帶遠(yuǎn)參考測量方式的海底大地電磁同步采集技術(shù)，地質(zhì)與勘探，2003年9月，39巻第5期"提出了一種GPS的同步控制方法，但數(shù)據(jù)采集時(shí)刻表仍需事先設(shè)置。文獻(xiàn)"混場源電磁接收系統(tǒng)同步數(shù)據(jù)采集技術(shù)，吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2009年3月，27巻第2期"提出了基于GPS的混場源電磁探測系統(tǒng)同步技術(shù)，但沒有述及同步控制啟動時(shí)間的確定方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種電磁法探測的全球定位系統(tǒng)同步控制信號產(chǎn)生的方法，該方法消除了全球定位系統(tǒng)同步控制啟動時(shí)間的設(shè)置，對于無需設(shè)置發(fā)送電流參數(shù)的混場源發(fā)送機(jī)，能省略鍵盤設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)簡化并使用可靠，對于其它類型電磁發(fā)送機(jī)，僅需選頻開關(guān)設(shè)置頻率，使用方便。 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是按以下順序步驟進(jìn)行 1.電磁法發(fā)送機(jī)和接收機(jī)分別配置全球定位系統(tǒng)模塊；合上發(fā)送機(jī)和接收機(jī)電
源后，全球定位系統(tǒng)模塊與全球定位系統(tǒng)通信，接收全球定位系統(tǒng)時(shí)鐘信息和秒脈沖信
號； 2.秒脈沖窄化電路利用秒脈沖的上升沿啟動計(jì)數(shù)器對晶體振蕩器輸出的方波信號計(jì)數(shù)，通過設(shè)置計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)初值得到所需脈寬的秒脈沖窄化信號，使其脈沖寬度小于基頻信號的周期，且秒脈沖窄化信號上升沿與秒脈沖信號上升沿同步，下降沿與晶體振蕩器輸出方波信號的上升沿同步； 3.基頻產(chǎn)生單元以晶體振蕩器輸出的方波信號為時(shí)鐘信號，輸出基頻信號，利用 秒脈沖窄化信號上升沿對基頻產(chǎn)生單元中計(jì)數(shù)器復(fù)位，基頻信號上升沿與秒脈沖窄化信號 上升沿同步，消除基頻信號累計(jì)誤差； 4.單片機(jī)讀取選頻開關(guān)的信號，生成對應(yīng)頻率的頻率選擇信號，控制頻率選擇電 路選擇同步控制信號輸出通道； 5.發(fā)送機(jī)和接收機(jī)采用完全相同的時(shí)間參考點(diǎn)T。，T?？扇∪我鈺r(shí)刻，分辨到秒，其 中，時(shí)間參考點(diǎn)T。在電磁法儀器生產(chǎn)時(shí)確定； 6.單片機(jī)通過串口讀取全球定位系統(tǒng)模塊輸出的狀態(tài)數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)與時(shí)間數(shù) 據(jù)，根據(jù)當(dāng)前時(shí)間1\、單片機(jī)預(yù)設(shè)的同步控制信號周期T以及時(shí)間參考點(diǎn)T。，計(jì)算同步控制 啟動時(shí)間L，發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的采用完全相同的同步控制啟動時(shí)間算法 r2 = r0+r國e(廣0) x r+r 其中 T2 :同步控制啟動時(shí)間，以秒為單位；
T。時(shí)間參考點(diǎn)，以秒為單位；
1\ :當(dāng)前時(shí)間，以秒為單位；
Trunc :取整函數(shù)，保留數(shù)據(jù)整數(shù)部分；
T :同步控制信號周期，以秒為單位； 7.定義同步控制預(yù)啟動時(shí)間T3， (T2_T3)大于單片機(jī)1/0輸出指令執(zhí)行時(shí)間，小于 1秒；在T3時(shí)刻，單片機(jī)向復(fù)位電路發(fā)出寬度為1秒的復(fù)位脈沖信號，用該脈沖信號選通秒 脈沖窄化信號對分頻電路進(jìn)行清零復(fù)位； 在T3時(shí)刻，單片機(jī)向觸發(fā)電路發(fā)出同步標(biāo)志信號，觸發(fā)電路利用同步標(biāo)志信號與 秒脈沖窄化信號輸出一個(gè)與秒脈沖窄化信號上升沿同步的選通信號，控制邏輯開關(guān)S導(dǎo) 通，基頻信號經(jīng)邏輯開關(guān)S輸出至分頻電路時(shí)鐘端； 8.分頻電路對基頻信號分頻，得到N個(gè)不同頻率的同步信號，根據(jù)步驟4選擇的對 應(yīng)頻率通道輸出同步控制信號； 9.電磁法發(fā)送機(jī)和接收機(jī)具有相同的時(shí)間參考點(diǎn)和相同的同步控制啟動時(shí)間計(jì) 算方法，輸出的兩個(gè)同步控制信號精確同步。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其技術(shù)效果是 1.采用該方法使發(fā)送機(jī)和接收機(jī)端都省去了發(fā)送信號同步控制啟動時(shí)間的設(shè)置， 對于發(fā)送周期和波形不需更改的系統(tǒng)，可省去發(fā)送機(jī)鍵盤設(shè)置，簡化了儀器設(shè)計(jì)，并提高了 系統(tǒng)可靠性。 2.采用該方法對于施工中斷后恢復(fù)工作、接收機(jī)更換測點(diǎn)或經(jīng)常更改發(fā)送周期， 無需重新設(shè)置參數(shù)，無需與發(fā)送機(jī)通訊聯(lián)絡(luò)。 3.對于多個(gè)發(fā)送機(jī)、多個(gè)接收機(jī)聯(lián)合工作的模式，本發(fā)明自動同步各儀器的發(fā)送 和接收的同步控制啟動時(shí)間，提高工效顯著。
圖1是產(chǎn)生同步控制信號的結(jié)構(gòu)框圖； 圖2是同步控制相關(guān)信號時(shí)序圖； 圖3是產(chǎn)生同步控制信號的實(shí)施例結(jié)構(gòu)框圖； 圖4是秒脈沖窄化電路的實(shí)施例電路原理圖； 圖5是基頻產(chǎn)生單元產(chǎn)生64Hz信號的實(shí)施例電路原理圖； 圖6是分頻與輸出同步控制信號的實(shí)施例電路原理圖； 圖7是發(fā)送機(jī)與接收機(jī)的實(shí)施例同步控制信號效果圖； 圖1中 S-邏輯開關(guān)； 圖2中 復(fù)位脈沖信號的脈寬為1秒； 同步控制信號以分頻器輸出的基頻信號二分頻為例； T。_時(shí)間參考點(diǎn)，以秒為單位； 1\_當(dāng)前時(shí)間，以秒為單位； T2_同步控制啟動時(shí)間，以秒為單位； T3_同步控制預(yù)啟動時(shí)間； T-同步控制信號周期； 圖3中 S-邏輯開關(guān)； 圖6中 l-復(fù)位電路； 2-觸發(fā)電路； 3-邏輯開關(guān)S; 4-分頻電路； 5-頻率選擇電路； 圖7中 上圖為發(fā)送機(jī)的同步控制信號，下圖為接收機(jī)的同步控制信號；
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明將結(jié)合附圖做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
1.發(fā)送機(jī)和接收機(jī)采用的模塊、元器件型號與系統(tǒng)參數(shù) 全球定位系統(tǒng)模塊采用MOTOROLA公司的M12-TMING型GPS-0EM模板，單片機(jī) 采用AT89C51，電磁法儀器生產(chǎn)時(shí)確定的時(shí)間參考點(diǎn)T。為北京時(shí)間零點(diǎn)整，晶體振蕩器采 用10MHz晶振；基頻產(chǎn)生單元產(chǎn)生頻率為64Hz的信號，64Hz信號經(jīng)分頻電路分頻為32Hz、 16Hz、8Hz、4Hz、2Hz、lHz、0. 5Hz、0. 25Hz、0. 125Hz和0. 0625Hz，頻率選擇電路輸出同步控制 信號為O. 0625Hz，周期16秒; 2.如圖4所示，秒脈沖窄化電路采用計(jì)數(shù)器74161，利用lOMHz信號作為時(shí)鐘信 號，秒脈沖對計(jì)數(shù)器置數(shù)，計(jì)數(shù)初值為2，通過邏輯處理輸出小于200ns的秒脈沖窄化信號；
3.如圖5所示，基頻產(chǎn)生單元由5個(gè)計(jì)數(shù)器74161組成，以10MHz信號為時(shí)鐘信 號，輸出基頻為64Hz的信號，秒脈沖窄化信號通過計(jì)數(shù)器置數(shù)端復(fù)位64Hz信號，消除64Hz 信號的累計(jì)誤差； 4.選頻開關(guān)調(diào)至0.0625Hz，即同步控制信號周期T為16秒，單片機(jī)讀取選頻開關(guān) 的信號，設(shè)置對應(yīng)的頻率選擇信號d。dlCl2d3為0001，控制頻率選擇電路選擇對應(yīng)的同步控制 信號輸出通道； 5.同步控制啟動時(shí)間的確定 電磁法儀器確定的時(shí)間參考點(diǎn)為T。 = 0 ; 針對選定周期T = 16秒的信號，當(dāng)前時(shí)間1\為上午10時(shí)12分10秒，計(jì)算同步 控制啟動時(shí)間
<formula>formula see original document page 6</formula> = 36736秒 T2可換算為10時(shí)12分16秒；
其中 T2 :同步控制啟動時(shí)間； T。時(shí)間參考點(diǎn)，以秒為單位； 1\ :當(dāng)前時(shí)間，以秒為單位； Trunc :取整函數(shù)，保留數(shù)據(jù)整數(shù)部分； T :同步控制信號周期，以秒為單位； 6.設(shè)定同步控制預(yù)啟動時(shí)間T3 = 36735. 999998秒，在T3時(shí)刻，單片機(jī)向復(fù)位電 路發(fā)出寬度為1秒的復(fù)位脈沖信號，用該脈沖信號選通秒脈沖窄化信號對分頻器進(jìn)行清零 復(fù)位； 在T3時(shí)刻，單片機(jī)向D觸發(fā)器發(fā)出同步標(biāo)志信號，同步標(biāo)志信號作為D觸發(fā)器的 輸入信號，當(dāng)隨后第一個(gè)秒脈沖窄化信號到來時(shí)，D觸發(fā)器輸出一個(gè)與秒脈沖窄化信號上升 沿同步的選通信號，控制邏輯開關(guān)S導(dǎo)通，基頻信號64Hz經(jīng)邏輯開關(guān)S輸出至分頻電路時(shí) 鐘端； 7.分頻電路利用5個(gè)D觸發(fā)器7474對64Hz信號分頻，得到不同頻率的同步信號，
對應(yīng)頻率分別為32Hz、16Hz、8Hz、4Hz、2Hz、lHz、0. 5Hz、0. 25Hz、0. 125Hz與O. 0625Hz，根據(jù)確定
的頻率選擇信號(VlAd3為OOOl，頻率選擇電路選擇信號0. 0625Hz輸出作為同步控制信號； 8.發(fā)送機(jī)的同步控制信號控制電流的發(fā)送，接收機(jī)的同步控制信號控制信號的接
收；如圖7所示，上圖為發(fā)送機(jī)的同步控制信號，下圖為接收機(jī)的同步控制信號，可得兩個(gè)
同步控制信號上升沿之間的同步誤差小于50ns，同步精度非常高。 本發(fā)明還適用于多臺發(fā)送機(jī)串、并聯(lián)和多臺接收機(jī)聯(lián)合使用的場合。
權(quán)利要求
一種適用于電磁法探測的全球定位系統(tǒng)同步控制信號產(chǎn)生的方法，其特征在于該方法按以下順序步驟進(jìn)行(1)電磁法發(fā)送機(jī)和接收機(jī)分別配置全球定位系統(tǒng)模塊；合上發(fā)送機(jī)和接收機(jī)電源后，全球定位系統(tǒng)模塊與全球定位系統(tǒng)通信，接收全球定位系統(tǒng)時(shí)鐘信息和秒脈沖信號；(2)秒脈沖窄化電路利用秒脈沖的上升沿啟動計(jì)數(shù)器對晶體振蕩器輸出的方波信號計(jì)數(shù)，通過設(shè)置計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)初值得到所需脈寬的秒脈沖窄化信號，使其脈沖寬度小于基頻信號的周期，且秒脈沖窄化信號上升沿與秒脈沖信號上升沿同步，下降沿與晶體振蕩器輸出方波信號的上升沿同步；(3)基頻產(chǎn)生單元以晶體振蕩器輸出的方波信號為時(shí)鐘信號，輸出基頻信號，利用秒脈沖窄化信號上升沿對基頻產(chǎn)生單元中計(jì)數(shù)器復(fù)位，基頻信號上升沿與秒脈沖窄化信號上升沿同步，消除基頻信號累計(jì)誤差；(4)單片機(jī)讀取選頻開關(guān)的信號，生成對應(yīng)頻率的頻率選擇信號，控制頻率選擇電路選擇同步控制信號輸出通道；(5)發(fā)送機(jī)和接收機(jī)采用完全相同的時(shí)間參考點(diǎn)T0，T0可取任意時(shí)刻，分辨到秒，其中，時(shí)間參考點(diǎn)T0在電磁法儀器生產(chǎn)時(shí)確定；(6)單片機(jī)通過串口讀取全球定位系統(tǒng)模塊輸出的狀態(tài)數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)與時(shí)間數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)前時(shí)間T1、單片機(jī)預(yù)設(shè)的同步控制信號周期T以及時(shí)間參考點(diǎn)T0，計(jì)算同步控制啟動時(shí)間T2，發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的采用完全相同的同步控制啟動時(shí)間算法 <mrow><msub> <mi>T</mi> <mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub> <mi>T</mi> <mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mi>Trunc</mi><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <msub><mi>T</mi><mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>T</mi><mn>0</mn> </msub></mrow><mi>T</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mi>T</mi><mo>+</mo><mi>T</mi> </mrow>其中T2同步控制啟動時(shí)間，以秒為單位；T0時(shí)間參考點(diǎn)，以秒為單位；T1當(dāng)前時(shí)間，以秒為單位；Trunc取整函數(shù)，保留數(shù)據(jù)整數(shù)部分；T同步控制信號周期，以秒為單位；(7)定義同步控制預(yù)啟動時(shí)間T3，(T2-T3)大于單片機(jī)I/O輸出指令執(zhí)行時(shí)間，小于1秒；在T3時(shí)刻，單片機(jī)向復(fù)位電路發(fā)出寬度為1秒的復(fù)位脈沖信號，用該脈沖信號選通秒脈沖窄化信號對分頻電路進(jìn)行清零復(fù)位；在T3時(shí)刻，單片機(jī)向觸發(fā)電路發(fā)出同步標(biāo)志信號，觸發(fā)電路利用同步標(biāo)志信號與秒脈沖窄化信號輸出一個(gè)與秒脈沖窄化信號上升沿同步的選通信號，控制邏輯開關(guān)S導(dǎo)通，基頻信號經(jīng)邏輯開關(guān)S輸出至分頻電路時(shí)鐘端；(8)分頻電路對基頻信號分頻，得到N個(gè)不同頻率的同步信號，根據(jù)步驟(4)選擇的對應(yīng)頻率通道輸出同步控制信號；(9)電磁法發(fā)送機(jī)和接收機(jī)具有相同的時(shí)間參考點(diǎn)和相同的同步控制啟動時(shí)間計(jì)算方法，輸出的兩個(gè)同步控制信號精確同步。
全文摘要
一種適用于電磁法探測的全球定位系統(tǒng)同步控制信號產(chǎn)生的方法。用于電磁法發(fā)送機(jī)電流的產(chǎn)生和接收機(jī)信號接收的同步，適用于地球物理勘探、工程地質(zhì)勘探等領(lǐng)域。本發(fā)明的技術(shù)方案包括發(fā)送機(jī)和接收機(jī)接收全球定位系統(tǒng)時(shí)鐘信息和秒脈沖信號，確定時(shí)間參考點(diǎn)，計(jì)算發(fā)送信號同步控制啟動時(shí)間，當(dāng)時(shí)鐘與發(fā)送信號同步控制啟動時(shí)間相等時(shí)，通過秒脈沖窄化信號啟動發(fā)送機(jī)輸出電流。該方法的優(yōu)點(diǎn)是消除了同步控制啟動時(shí)間的設(shè)置，對于無需設(shè)置發(fā)送電流參數(shù)的混場源發(fā)送機(jī)，能省略鍵盤設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)簡化并使用可靠，對于其它類型電磁發(fā)送機(jī)，只需選頻開關(guān)設(shè)置頻率，非常方便，本發(fā)明還適用于多臺發(fā)送機(jī)串、并聯(lián)和多臺接收機(jī)聯(lián)合使用的場合。
文檔編號G01V3/02GK101702033SQ20091019119
公開日2010年5月5日 申請日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者付志紅, 朱學(xué)貴, 李春燕, 陳文斌, 馬靜 申請人:重慶大學(xué)