多功能海洋重力儀數據採集系統的製作方法
2023-10-18 01:59:19 2
專利名稱：多功能海洋重力儀數據採集系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種數據採集系統，具體地說，涉及一種用於海洋重力儀的數據採集系統，可廣泛應用於測量、地震、勘探及其它部門。
背景技術：
海洋重力測量不僅可以用來研究地球重力場和地球形狀，而且在海洋地球物理勘探方面也得到了廣泛的應用，成為海洋礦產、油氣、地熱資源勘探不可替代的重要手段。
作為海洋重力儀的終端，數據採集系統承擔著將重力及其相關數據實時記錄下來的任務。然而，目前的海洋重力儀的數據採集系統存在以下問題，即功能單一，結構複雜，功耗大，價格高昂，體積龐大。具體地說，有①不具備實時採集、顯示和輸出重力數據及其載體-海洋重力測量船的當前位置、航向、速度以及日期、格林尼治時間和北京時間的能力，不利於海洋重力測量。
②所配置的時間系統精度較低，需要人工對時，而且難以統一在協調世界時下，不能滿足當今海洋重力測量發展的要求，不利於全球海洋重力資料的分析。
③為使重力傳感器不至在環境溫度變化時產生超過儀器許可精度的測量誤差，海洋重力儀往往將重力探頭部分置於一個由電子線路控制的雙層恆溫槽中，需要另外增設專門的數據採集電路對恆溫槽內、外層溫度分別進行採樣，導致設備複雜、控制困難、價格高昂。
④不具備同時採集、顯示恆溫槽內、外層恆溫數據的能力，無法對它們進行實時同步測量和監控，以及相應的數據改正，進而消除內、外層恆溫變化對海洋重力數據的影響。
⑤在海洋重力或內、外層恆溫出現異常，超出正常範圍時，不能自動進行報警，提醒工作人員及時到達、分析和處理現場情況。
⑥不能將海洋重力及內、外層恆溫數據實時輸出到計算機記錄系統顯示、存貯和列印，不利於對上述參數的分析判斷和處理。
發明內容
本發明的目的就是克服現有技術存在的上述問題和不足，而提供一種多功能海洋重力儀數據採集系統。
本發明的目的是這樣實現的其一是採用傳感器和微機技術，實現對海洋重力以及置放重力傳感器的雙層恆溫裝置的內、外層溫度信號的實時採集、數字顯示；其二是將當前測定的海洋重力及內、外層恆溫數據通過通訊接口，輸出到計算機記錄系統進行圖形曲線顯示、列印和數字記錄；其三是將GPS全球定位系統的高精度時間、地理位置、航向、速度信息進行實時顯示，並通過通訊接口輸出到計算機記錄系統，實現計算機記錄系統與協調世界時的精確同步。
具體地說，由圖1可知，本發明由GPS天線1、GPS-OEM板2、控制處理器3、參考基準源4、模數轉換器5、重力傳感器6、外層溫度傳感器7、內層溫度傳感器8、復位鍵9、選擇鍵10、RS-232接口11、字符顯示器12、印表機13、監視器14、計算機記錄系統15組成，其連接關係是GPS天線1與GPS-OEM板2的輸入端相連；GPS-OEM板2的輸出端、模數轉換器5的輸出端、復位鍵9、選擇鍵10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RS-232接口11的輸入端、字符顯示器12相連；RS-232接口11的輸出端與計算機記錄系統15的輸入端相連，計算機記錄系統15的輸出端分別與印表機13、監視器14相連；參考基準源4以及重力傳感器6、外層溫度傳感器7、內層溫度傳感器8的輸出端分別與模數轉換器5的輸入端相連。
本發明的工作原理是利用控制處理器3對模數轉換器5的3個模擬通道進行控制，使之分別用於重力傳感器6、外層溫度傳感器7、內層溫度傳感器8輸出信號的模/數轉換，實時顯示各個通道的測量數據、曲線圖形，完成對測量結果的存儲和列印，並對計算機記錄系統15的時鐘實時進行校正，使其與協調世界時精確同步。
本發明的工作過程是在完成上電自檢和初始化後，重力傳感器6、外層溫度傳感器7、內層溫度傳感器8輸出的模擬微小信號，分別經模數轉換器5的三個差分模擬輸入端送入，分時完成各自的模數轉換。控制處理器3通過對模數轉換器5的寄存器進行設置，根據傳感器的類型對其二進位輸出結果進行相應的標度變換、非線性補償與溫度補償，將當前通道號及結果數據存入數據存貯器。GPS-OEM板2不斷將從GPS天線1接收到的最新定位數據通過RXD端傳送給控制處理器3，與結果數據一道，送入字符顯示器12實時顯示。在進行電平轉換後，上述數據還通過RS-232接口11，以9600baud的波特率串行輸出，傳遞給計算機記錄系統15，在監視器14上實時顯示各個通道的測量數據、曲線圖形，完成對測量結果的存儲和列印，並對計算機記錄系統15的時鐘實時進行校正，確保它的時間精度。
用戶在顯示器12屏幕菜單的提示下，可通過中斷功能調用，經由選擇鍵10進行日期、時間、位置、速度、航向以及測定的重力傳感器6、外層溫度傳感器7、內層溫度傳感器8輸出信號等觀測數據的顯示切換。
本發明與現有技術相比，具有以下優點和積極效果①採用單片微機控制，結構簡單、操作方便、抗幹擾能力強、具有較低的功耗。
②利用高精度GPS時間信息，對計算機記錄系統的系統時鐘自動進行校正，從而使計算機記錄系統與協調世界時精確同步。
③可全天候、連續實時顯示高精度的日期、時間、地理位置、速度、航向以及測定的重力、內/外層恆溫等觀測數據，供用戶進行監控和分析。
④將字符顯示器傳統的8位數據傳輸方式改為4位傳輸，減少了口線資源的佔用，使線路得以減化。
⑤在海洋重力、內/外層恆溫超出許可範圍時，可自動進行發光二極體閃爍報警，提示工作人員及時進行分析和處理。
⑥可通過其RS-232通訊接口將海洋重力、內/外層恆溫以及GPS數據，經由串行通訊電纜，輸出到計算機記錄系統，完成數據圖形曲線的顯示、存檔和列印。
⑦利用單片高精度模數轉換器進行海洋重力、內/外層恆溫等多個模擬信號的模/數轉換。不僅省去了通常所需要的多個A/D轉換器以及必須相應配置的調理電路，降低了成本，減小了體積，也使得控制變得容易，資源的佔用減至最少。
⑧具有較低的功耗，除使用220V交流電壓外，也可採用電池和直流電源，易於與各種設備配接，使用時無須對原有的設備進行改動，操作簡單、方便、快捷，具有推廣應用價值。
圖1為本發明組成方框圖；圖2為本發明電路原理圖；圖3為本發明外形結構示意圖；圖4為本發明外形結構後面板示意圖。
其中1-GPS天線；2-GPS-OEM板，本實施例選用MOTOROLA公司的VP-ONCORE型；3-控制處理器，本實施例選用ATMEL公司的AT89C2051及其配套電路；4-參考基準源，本實施例選用AD公司的AD780；5-模數轉換器，本實施例選用AD公司的AD7714；6-重力傳感器；7-外層溫度傳感器；8-內層溫度傳感器；9-復位鍵；10-選擇鍵；11-RS-232接口；12-字符顯示器，本實施例選用OPTREX公司的DMC16230；13-印表機；14-監視器；15-計算機記錄系統；16-電源指示；17-報警指示；18-GPS指示；
19-支架；20-機殼；21-對比度調節旋鈕；22-背景光開關；23-機腳；24-外恆溫信號插座；25-內恆溫信號插座；26-保險絲；27-電源插座；28-電源開關；29-重力信號插座；30-GPS天線插座；31-RS-232插座。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例進一步說明。
圖2是與圖1對應的電路原理圖。
*控制處理器3控制處理器3為AT89C2051，它是整個系統處理、操作、控制的中心，一切信號的接收、存貯、顯示、控制均在它的監控之下進行。控制處理器3的內部存貯器分為程序存貯器和數據存貯器兩部分。其中，管理、監控程序存放於程序存貯器中，中間結果數據存放於數據存貯器中。
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引腳相連構成內部振蕩方式，用來提供控制處理器3內各種微操作的時間基準。作為選擇鍵10的S1經由電阻R4、R5及與非門74LS00構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，在按鍵按下時觸發其中斷，在作為字符顯示器12的DMC16230屏幕菜單的提示下，採用翻頁方式，依次實時顯示格林尼治時間、日期，北京時間、經度、緯度、速度、航向以及測定的重力、外層恆溫、內層恆溫等信息。
作為復位鍵9的S2，與電容C4、電阻R0、R1構成自動上電及手動復位電路，接入控制處理器3的RESET腳，在裝置上電或者復位鍵9按下時使裝置復位，從0000H地址單元開始執行監控程序。
*字符顯示器12字符顯示器12將傳統的8位數據傳輸方式改為4位傳輸，即控制處理器3在4位數據總線形式下，按照先傳輸高4位再傳輸低4位的順序，分兩次向字符顯示器12發送8位指令代碼或數據。字符顯示器12的4位並行數據總線直接與控制處理器3的P14、P15、P16、P17腳連接；而控制處理器3的T0、T1、P13腳分別接入字符顯示器12的使能E、讀寫選擇R/W、指令/數據寄存器RS選擇信號線。作為對比度調節21的電位器P1和電阻R3對供電電壓分壓後，提供給VD腳，用以調節字符顯示器12的顯示對比度。作為背景光開關22的S3合上時，5V電壓加至字符顯示器12的背光照明源，令其發光，使裝置能在弱光或黑暗的條件下使用。
*模數轉換器5、參考基準源4模數轉換器5採用解析度為24位的AD7714，配置為三個通道的全差分輸入。控制處理器3通過其埠的P10、P11、P12、INT0，分別與模數轉換器5的CS、DOUT與DIN、SCLK、DRDY相連接。模數轉換器5的MCLK IN與MCLK OUT端接入SS2晶體，用以獲得時基信號。參考基準源4採用低噪聲電壓基準源AD780，作為模數轉換電壓的比較基準，接入控制處理器3的REF IN+端。幅度限制在-2.5V到+2.5V之間的重力傳感器6、外層溫度傳感器7、內層溫度傳感器8輸出的模擬微小信號，分別經模數轉換器5的三個差分模擬輸入端AIN1/2、AIN3/4、AIN5/6直接檢出，由模擬開關逐個分時送入輸入緩衝器和可編程增益放大器，經∑-Δ調製器轉換成含有數字信息的數字脈衝序列，經由截止頻率可編程的低通數字濾波器進行處理。在模數轉換完成後，模數轉換器5的DRDY腳輸出電平變低，並要求控制處理器3提供SCLK時鐘信號；控制處理器3通過P10、P11、P12編程輸出對模數轉換器5的寄存器進行設置，根據傳感器的類型對其二進位輸出結果進行相應的的標度變換、非線性補償與溫度補償，將當前通道號及結果數據，與接收到的GPS信息一道，通過中斷功能調用，送入字符顯示器12實時顯示。
*RS-232接口11由於控制處理器3輸出的串行數據是0-5V的TTL電平，而計算機記錄系統15配置的是RS-232C標準的串行接口，二者的電氣規範不一致，不能直接進行通訊。為此，增設了串行收發器MAX202，與插座J232共同構成RS-232接口11，與控制處理器3的串行口TXD輸出端相連，經RS-232插座31通過串行通訊電纜的連接實現裝置與計算機記錄系統15的異步串行通訊。
控制處理器3的P37引腳平時處於低電平，則與之相連的作為報警指示17的發光二極體L2不發光。當海洋重力、內/外層恆溫數值超出許可範圍時，P37引腳輸出脈衝信號，使報警指示17閃爍報警，提示工作人員及時進行分析和處理。
根據以上設計原理，本發明採用以下程序一.主程序主程序的功能是對各接口進行初始化設置模數轉換器5、字符顯示器12與控制處理器3串行埠的工作方式、鍵盤中斷方式以及給堆棧、數據存貯單元和標誌單元預置初值，給重力、內/外層恆溫通道分配通道號等。在完成上電自檢後，讀取標誌單元中的當前頁號，裝入並顯示相應的頁內容。
在接收到GPS信息數據後，將獲得的日期、時間及三維位置等信息提取出來；將協調世界時轉化為北京時，分別存儲到相應的數據單元。同時，讀取控制處理器3採集到的海洋重力、內層恆溫、外層恆溫二進位數值，根據當前通道號判斷傳感器的類型，對其進行相應的標度變換、非線性補償與溫度補償，並將結果數據存入數據存貯器，當發現海洋重力或內/外層恆溫數值超出許可範圍時，令報警指示17閃爍報警，並由字符顯示器12上顯示提示信息；只有在上述的結果數據低於報警閾值後，控制處理器3方才退出報警狀態，恢復在字符顯示器12上顯示各信息內容，並通過RS-232接口11輸出串行數據。
當接收到選擇鍵10發出中斷請求時，控制處理器3將停止執行主程序轉而去執行中斷子程序。在子程序結束後，方又回到原來執行的主程序繼續工作。主程序採用模塊結構，各模塊之間互相獨立。
二.中斷服務程序在響應選擇鍵10發出的中斷請求信號之後，隨即進入本中斷服務程序，在關中斷、保護現場後，讀取選擇鍵10確定的新頁號，替換掉原來的頁號，從數據存貯器中取出與新頁號相對應的頁內容，裝入到字符顯示器12的顯示緩衝區，顯示格林尼治時間、日期或北京時間、經度、緯度、速度、航向以及測定的重力、外層恆溫、內層恆溫等觀測數據。在開中斷、恢復現場後，執行RETI指令，中斷返回到主程序。
由圖3可知，在機殼20的前面板上安裝有復位鍵9、選擇鍵10、字符顯示器12、電源指示16、報警指示17、GPS指示18、對比度調節21、背景光開關22。
由圖4可知，在機殼20的後面板上安裝有外恆溫信號插座24、內恆溫信號插座25、保險絲26、電源插座27、電源開關28、重力信號插座29、GPS天線插座30、RS-232插座31。
權利要求
1.一種多功能海洋重力儀數據採集系統，其特徵在於由GPS天線(1)、GPS-OEM板(2)、控制處理器(3)、參考基準源(4)、模數轉換器(5)、重力傳感器(6)、外層溫度傳感器(7)、內層溫度傳感器(8)、復位鍵(9)、選擇鍵(10)、RS-232接口(11)、字符顯示器(12)、印表機(13)、監視器(14)、計算機記錄系統(15)組成，其連接關係是GPS天線(1)與GPS-OEM板(2)的輸入端相連；GPS-OEM板(2)的輸出端、模數轉換器(5)的輸出端、復位鍵(9)、選擇鍵(10)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RS-232接口(11)的輸入端、字符顯示器(12)相連；RS-232接口(11)的輸出端與計算機記錄系統(15)的輸入端相連，計算機記錄系統(15)的輸出端分別與印表機(13)、監視器(14)相連，參考基準源(4)以及重力傳感器(6)、外層溫度傳感器(7)、內層溫度傳感器(8)的輸出端分別與模數轉換器(5)的輸入端相連。
2.按權利要求1所述的一種多功能海洋重力儀數據採集系統，其特徵在於控制處理器(3)選用ATMEL公司的AT89C2051及其配套電路；
3.按權利要求1所述的一種多功能海洋重力儀數據採集系統，其特徵在於模數轉換器(5)選用解析度為24位的AD公司的AD7714。
4.按權利要求1所述的一種多功能海洋重力儀數據採集系統，其特徵在於RS-232接口(11)由串行收發器MAX202與插座J232組成。
5.按權利要求1所述的一種多功能海洋重力儀數據採集系統，其特徵在於GPS天線(1)和GPS-OEM板(2)，選用MOTOROLA公司的VP-ONCORE型。
6.按權利要求1所述的一種多功能海洋重力儀數據採集系統，其特徵在於參考基準源(4)，選用AD公司的AD780。
7.按權利要求1所述的一種多功能海洋重力儀數據採集系統，其特徵在於字符顯示器(12)選用OPTREX公司的DMC16230。
全文摘要
本發明公開了一種多功能海洋重力儀數據採集系統，涉及一種數據採集系統，具體地說，涉及一種用於海洋重力儀的數據採集系統。本發明由下列部件組成，其連接關係是GPS天線1與GPS－OEM板2的輸入端相連；GPS－OEM板2的輸出端、模數轉換器5的輸出端、復位鍵9、選擇鍵10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RS－232接口11的輸入端、字符顯示器12相連；RS－232接口11的輸出端與計算機記錄系統15的輸入端相連，計算機記錄系統15的輸出端分別與印表機13、監視器14相連，參考基準源4以及重力傳感器6、外層溫度傳感器7、內層溫度傳感器8的輸出端分別與模數轉換器5的輸入端相連。本發明性能好，可廣泛應用於測量、地震、勘探及其它部門。
文檔編號G01V7/00GK1693925SQ20041001339
公開日2005年11月9日 申請日期2004年6月30日 優先權日2004年6月30日
發明者周百力 申請人:中國科學院測量與地球物理研究所