一種地震數據採集的時間系統的製作方法

2023-07-24 16:32:26

專利名稱：一種地震數據採集的時間系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種利用壓控溫補晶體設計的高精度時間服務系統，可應用於與天然地震數據採集、油氣勘測相關等領域。
背景技術：
在地震數據採集過程中，時間的精確性至關重要。因此，在地震數據採集系統中一般採取高精度的晶體振蕩器來提供基準頻率信號，同時定時接收GPS信號，二者協同工作來提供高精度的時間服務。然而，即使是很高精度的晶體振蕩器，由於晶體本身固有的頻率-溫度特性，使得晶振的頻率隨著溫度變化而變化，經過一段時間的積累就會產生較大 誤差。由於地震儀器存在低功耗方面的要求，不可能一直打開GPS，需要在採集過程中周期性的打開GPS進行對時，調整採樣過程，控制複雜且採集數據的時間精度也不高，而且在數據回收之後還需要對採集數據再次做鐘差校正。目前已廣泛應用於通信領域的壓控溫補晶體振蕩器使得我們可以在地震數據採集過程中改善環境溫度對晶振頻率的影響，利用壓控的方式使得我們可以針對不同溫度調整晶體頻率達到更高的時間精度。一般做法是，利用一個溫度傳感器檢測晶體附近的溫度，將這個溫度值作為晶體的輸入壓控值，將晶體輸出頻率與GPS做比較，根據比較結果再來調整壓控值從而提高晶體輸出頻率的準確性。由於製造工藝的限制，每一個晶體的溫度-頻率關係並不是嚴格一致的，所以壓控曲線也有所不同，上述的這種調整過程在每一次溫度變化的過程中都是必須的，是一種試錯型的調整，調整時間過長，時間精度因而也會受到影響。
發明內容為了克服上述對時過程的盲目性，本實用新型發明採用壓控溫補晶體(TCXO)和單片機編程結合一些外圍電路，為地震採集系統設計了一種高精度的時間服務電路來解決這一問題。本發明包括一個壓控晶體振蕩器用來產生基準震蕩信號，一套分頻晶片提供該系統所需的相應頻率，一個溫度傳感器測量晶體附近溫度，一個基準電源提供參考電壓，一個數模轉換器輸出控制壓控晶體頻率，一個已被編程的單片機。圖I為本發明的原理框圖，如圖中虛線框裡所示，單片機(MCU)是控制核心，晶振的輸出到了兩個地方，一個是採集主機使用的主頻，一個提供給單片機用來測量與GPS之間的鐘差，根據這個鐘差並且結合溫度傳感器檢測到的晶體附近的溫度，計算出相應的壓控值輸出給晶振，用來調節晶振的頻率，在各個不同溫度點下的調整形成一個溫度、頻率的關係表，在不同的環境溫度時優先利用表中給出的壓控值，隨著使用時間的增加頻率-溫度曲線越來越完善，精度越來越高。考慮到地震數據採集系統對穩定性要求很高的特點，在單片機裡增加了對採集主機運行監測的一個看門狗，當採集主機不能按時主動餵狗時則認為其已經跑飛，時間系統將重啟採集主機確保穩定性。此外，還增加了一個電流、電壓的監測電路，用來測量電路參數提供給採集主機作參考，採集主機與時間系統之間通過UART來通信，主機可以進行晶振與GPS時間同步、開啟/關閉GPS、讀取參數等操作。

圖I是本發明的原理框圖圖2是各功能模塊圖圖3是系統工作流程圖
具體實施方式
結合各功能模塊圖(圖2)和系統工作流程圖(圖3)，下面對本實用新型作進一步詳細描述。 圖2為各功能模塊示意圖。控制核心的MCU為單片機，可採用Philips公司的P89LPC900系列單片機，它內部提供的EEPROM可以用來存儲f_t即頻率-溫度關係表，掉電也不會丟失。晶體振蕩器(TCXO)的輸出頻率為32MHz，除了直接提供給採集主機使用外，它還接入分頻器，從分頻器分出一個秒號以及一個延遲IOOms的秒號，用來與GPS秒號進行鐘差測量，人為設置一個門，讓兩個秒號先後通過，通過高速計數器測量這兩個秒號間的差值即得到所謂的鐘差值，根據這個鐘差值設定相應壓控值，壓控值經過D/A轉換輸入到晶振中來調節晶振的輸出頻率。流壓測量電路接在整個採集系統的電源入端，用來測量整個儀器工作時的電流、電壓，遠程傳輸後可以起到一個監測系統工作狀態的作用。採集主機需要在運行過程中讀取GPS的狀態，讀取電路參數以及溫度參數等，另外為了調試方便還加入了調試串口，這樣串口電路裡還需要一個門來進行控制切換。看門狗電路接到了採集主機的RESET管腳。結合圖3說明本實用新型的工作流程。儀器開始工作加電後，首先進行初始化操作，比如裝載已有的f_t關係表以及壓控初值，清中斷、設置相應的寄存器等初始化操作，其中壓控初值通過大量實驗得出。溫度間隔從-30度到70度，每度一個壓控值，在每個特定溫度點上的壓控值利用線性插值得到。初始化完成之後開始測量晶體附近溫度，然後根據f_t表進行插值得到相應的壓控值輸出調節晶振，經過一段時間後重複測量晶振秒號與GPS秒號之間的鐘差，當鐘差低於設定閾值則調整結束，繼續測溫/壓控/測鐘差這一過程；當鐘差高於設定閾值則需要按步進的方式再次調整壓控值，測量鐘差，重複測溫/調整壓控/測量這一過程直到鐘差低於設定閾值，當採集系統運行的時間足夠長，經歷的溫度變化範圍穩定之後，亦即系統的學習時間足夠長之後，f-t表會足夠準確，特定溫度點在f_t表中插值得到的壓控值將具有相當高的精度。經過長時間的實驗表明(一年)，採用這個時間服務方案的地震數據採集系統，時間服務能夠一直達到很高的一個精度(幾十個微秒內)。此外，在這個過程中需要周期性檢測採集主機是否按時進行了餵狗操作，如果間斷餵狗操作超時，單片機將控制採集主機重啟，同時利用串口中斷，單片機必須響應採集主機的操作請求，與採集主機進行通信並且完成相應控制，為確保通信質量通信過程中加入了 CRC校驗。本實用新型中的單片機程序用c語言編寫，編譯環境為keil uvision20
權利要求1.ー種為地震數據採集系統開發的高精度時間服務系統，其特徵在於，包括一個用來產生基準振蕩信號的壓控溫補晶體振蕩器，ー套提供系統所需相應頻率的分頻晶片，ー個測量晶體附近溫度的溫度傳感器，一個用來輸出控制壓控晶體頻率的數模轉換器，ー個已被編程的單片機，所述單片機是控制核心，分別與溫度傳感器、數模轉換器、GPS、分頻器相連接，所述數模轉換器、壓控溫補晶體振蕩器、分頻器、單片機依順序環形連接。
2.根據權利I所述的高精度時間服務系統，其特徵在於包括ー個已被編程的單片機，該單片機是具有可編程特徵的並且支持EEPROM存儲的單片機。
3.根據權利I所述的高精度時間服務系統，其特徵在於為採集主機増加了看門狗、串ロ控制以及流壓測量電路。
專利摘要一種為地震數據採集系統設計的高精度時間服務系統。包括一個壓控晶體振蕩器用來產生基準震蕩信號，一套分頻晶片提供該系統所需的相應頻率，一個溫度傳感器測量晶體附近溫度，一個基準電源提供參考電壓，一個數模轉換器輸出控制壓控晶體頻率，一個已被編程的單片機。本實用新型通過利用單片機來測量不同溫度下晶體振蕩信號與GPS信號之間的鐘差來建立溫度修正表，通過查表對晶體頻率進行調節從而為採集系統提供高精度的時間服務，寬溫範圍內輸出高精度基準震蕩信號，並且隨著晶體自學習的完善，精度會越來越高，這個時間系統和採集主系統的通信通過串口來完成。
文檔編號G01V1/22GK202614950SQ201220086050
公開日2012年12月19日 申請日期2012年3月9日 優先權日2012年3月9日
發明者許衛衛, 倪大來, 李保祥 申請人:中國科學院地質與地球物理研究所