專利名稱：多功能海洋重力儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具體地說，涉及一種用于海洋重力儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于測量、地震、勘探及其它部門。
背景技術(shù)：
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(yīng)用，成為海洋礦產(chǎn)、油氣、地?zé)豳Y源勘探不可替代的重要手段。
作為海洋重力儀的終端，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)承擔(dān)著將重力及其相關(guān)數(shù)據(jù)實時記錄下來的任務(wù)。然而，目前的海洋重力儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在以下問題，即功能單一，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗大，價格高昂，體積龐大。具體地說，有①不具備實時采集、顯示和輸出重力數(shù)據(jù)及其載體-海洋重力測量船的當(dāng)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，不利于海洋重力測量。
②所配置的時間系統(tǒng)精度較低，需要人工對時，而且難以統(tǒng)一在協(xié)調(diào)世界時下，不能滿足當(dāng)今海洋重力測量發(fā)展的要求，不利于全球海洋重力資料的分析。
③為使重力傳感器不至在環(huán)境溫度變化時產(chǎn)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于一個由電子線路控制的雙層恒溫槽中，需要另外增設(shè)專門的數(shù)據(jù)采集電路對恒溫槽內(nèi)、外層溫度分別進行采樣，導(dǎo)致設(shè)備復(fù)雜、控制困難、價格高昂。
④不具備同時采集、顯示恒溫槽內(nèi)、外層恒溫數(shù)據(jù)的能力，無法對它們進行實時同步測量和監(jiān)控，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)改正，進而消除內(nèi)、外層恒溫變化對海洋重力數(shù)據(jù)的影響。
⑤在海洋重力或內(nèi)、外層恒溫出現(xiàn)異常，超出正常范圍時，不能自動進行報警，提醒工作人員及時到達、分析和處理現(xiàn)場情況。
⑥不能將海洋重力及內(nèi)、外層恒溫數(shù)據(jù)實時輸出到計算機記錄系統(tǒng)顯示、存貯和打印，不利于對上述參數(shù)的分析判斷和處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題和不足，而提供一種多功能海洋重力儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的其一是采用傳感器和微機技術(shù)，實現(xiàn)對海洋重力以及置放重力傳感器的雙層恒溫裝置的內(nèi)、外層溫度信號的實時采集、數(shù)字顯示；其二是將當(dāng)前測定的海洋重力及內(nèi)、外層恒溫數(shù)據(jù)通過通訊接口，輸出到計算機記錄系統(tǒng)進行圖形曲線顯示、打印和數(shù)字記錄；其三是將GPS全球定位系統(tǒng)的高精度時間、地理位置、航向、速度信息進行實時顯示，并通過通訊接口輸出到計算機記錄系統(tǒng)，實現(xiàn)計算機記錄系統(tǒng)與協(xié)調(diào)世界時的精確同步。
具體地說，由圖1可知，本發(fā)明由GPS天線1、GPS-OEM板2、控制處理器3、參考基準源4、模數(shù)轉(zhuǎn)換器5、重力傳感器6、外層溫度傳感器7、內(nèi)層溫度傳感器8、復(fù)位鍵9、選擇鍵10、RS-232接口11、字符顯示器12、打印機13、監(jiān)視器14、計算機記錄系統(tǒng)15組成，其連接關(guān)系是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(shù)轉(zhuǎn)換器5的輸出端、復(fù)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(tǒng)15的輸入端相連，計算機記錄系統(tǒng)15的輸出端分別與打印機13、監(jiān)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(nèi)層溫度傳感器8的輸出端分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器5的輸入端相連。
本發(fā)明的工作原理是利用控制處理器3對模數(shù)轉(zhuǎn)換器5的3個模擬通道進行控制，使之分別用于重力傳感器6、外層溫度傳感器7、內(nèi)層溫度傳感器8輸出信號的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，實時顯示各個通道的測量數(shù)據(jù)、曲線圖形，完成對測量結(jié)果的存儲和打印，并對計算機記錄系統(tǒng)15的時鐘實時進行校正，使其與協(xié)調(diào)世界時精確同步。
本發(fā)明的工作過程是在完成上電自檢和初始化后，重力傳感器6、外層溫度傳感器7、內(nèi)層溫度傳感器8輸出的模擬微小信號，分別經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器5的三個差分模擬輸入端送入，分時完成各自的模數(shù)轉(zhuǎn)換?？刂铺幚砥?通過對模數(shù)轉(zhuǎn)換器5的寄存器進行設(shè)置，根據(jù)傳感器的類型對其二進制輸出結(jié)果進行相應(yīng)的標度變換、非線性補償與溫度補償，將當(dāng)前通道號及結(jié)果數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存貯器。GPS-OEM板2不斷將從GPS天線1接收到的最新定位數(shù)據(jù)通過RXD端傳送給控制處理器3，與結(jié)果數(shù)據(jù)一道，送入字符顯示器12實時顯示。在進行電平轉(zhuǎn)換后，上述數(shù)據(jù)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(tǒng)15，在監(jiān)視器14上實時顯示各個通道的測量數(shù)據(jù)、曲線圖形，完成對測量結(jié)果的存儲和打印，并對計算機記錄系統(tǒng)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(diào)用，經(jīng)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(nèi)層溫度傳感器8輸出信號等觀測數(shù)據(jù)的顯示切換。
本發(fā)明與現(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、抗干擾能力強、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(tǒng)的系統(tǒng)時鐘自動進行校正，從而使計算機記錄系統(tǒng)與協(xié)調(diào)世界時精確同步。
③可全天候、連續(xù)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(nèi)/外層恒溫等觀測數(shù)據(jù)，供用戶進行監(jiān)控和分析。
④將字符顯示器傳統(tǒng)的8位數(shù)據(jù)傳輸方式改為4位傳輸，減少了口線資源的占用，使線路得以減化。
⑤在海洋重力、內(nèi)/外層恒溫超出許可范圍時，可自動進行發(fā)光二極管閃爍報警，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(nèi)/外層恒溫以及GPS數(shù)據(jù)，經(jīng)由串行通訊電纜，輸出到計算機記錄系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)圖形曲線的顯示、存盤和打印。
⑦利用單片高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行海洋重力、內(nèi)/外層恒溫等多個模擬信號的模/數(shù)轉(zhuǎn)換。不僅省去了通常所需要的多個A/D轉(zhuǎn)換器以及必須相應(yīng)配置的調(diào)理電路，降低了成本，減小了體積，也使得控制變得容易，資源的占用減至最少。
⑧具有較低的功耗，除使用220V交流電壓外，也可采用電池和直流電源，易于與各種設(shè)備配接，使用時無須對原有的設(shè)備進行改動，操作簡單、方便、快捷，具有推廣應(yīng)用價值。


圖1為本發(fā)明組成方框圖；圖2為本發(fā)明電路原理圖；圖3為本發(fā)明外形結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明外形結(jié)構(gòu)后面板示意圖。
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(shù)轉(zhuǎn)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(nèi)層溫度傳感器；9-復(fù)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-打印機；14-監(jiān)視器；15-計算機記錄系統(tǒng)；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(diào)節(jié)旋鈕；22-背景光開關(guān)；23-機腳；24-外恒溫信號插座；25-內(nèi)恒溫信號插座；26-保險絲；27-電源插座；28-電源開關(guān)；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(jié)合附圖和實施例進一步說明。
圖2是與圖1對應(yīng)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(tǒng)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(jiān)控之下進行?？刂铺幚砥?的內(nèi)部存貯器分為程序存貯器和數(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中，中間結(jié)果數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)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(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。作為選擇鍵10的S1經(jīng)由電阻R4、R5及與非門74LS00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，在按鍵按下時觸發(fā)其中斷，在作為字符顯示器12的DMC16230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、經(jīng)度、緯度、速度、航向以及測定的重力、外層恒溫、內(nèi)層恒溫等信息。
作為復(fù)位鍵9的S2，與電容C4、電阻R0、R1構(gòu)成自動上電及手動復(fù)位電路，接入控制處理器3的RESET腳，在裝置上電或者復(fù)位鍵9按下時使裝置復(fù)位，從0000H地址單元開始執(zhí)行監(jiān)控程序。
*字符顯示器12字符顯示器12將傳統(tǒng)的8位數(shù)據(jù)傳輸方式改為4位傳輸，即控制處理器3在4位數(shù)據(jù)總線形式下，按照先傳輸高4位再傳輸?shù)?位的順序，分兩次向字符顯示器12發(fā)送8位指令代碼或數(shù)據(jù)。字符顯示器12的4位并行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)寄存器RS選擇信號線。作為對比度調(diào)節(jié)21的電位器P1和電阻R3對供電電壓分壓后，提供給VD腳，用以調(diào)節(jié)字符顯示器12的顯示對比度。作為背景光開關(guān)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(fā)光，使裝置能在弱光或黑暗的條件下使用。
*模數(shù)轉(zhuǎn)換器5、參考基準源4模數(shù)轉(zhuǎn)換器5采用分辨率為24位的AD7714，配置為三個通道的全差分輸入。控制處理器3通過其端口的P10、P11、P12、INT0，分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器5的CS、DOUT與DIN、SCLK、DRDY相連接。模數(shù)轉(zhuǎn)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采用低噪聲電壓基準源AD780，作為模數(shù)轉(zhuǎn)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(nèi)層溫度傳感器8輸出的模擬微小信號，分別經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)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(guān)逐個分時送入輸入緩沖器和可編程增益放大器，經(jīng)∑-Δ調(diào)制器轉(zhuǎn)換成含有數(shù)字信息的數(shù)字脈沖序列，經(jīng)由截止頻率可編程的低通數(shù)字濾波器進行處理。在模數(shù)轉(zhuǎn)換完成后，模數(shù)轉(zhuǎn)換器5的DRDY腳輸出電平變低，并要求控制處理器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(shù)轉(zhuǎn)換器5的寄存器進行設(shè)置，根據(jù)傳感器的類型對其二進制輸出結(jié)果進行相應(yīng)的的標度變換、非線性補償與溫度補償，將當(dāng)前通道號及結(jié)果數(shù)據(jù)，與接收到的GPS信息一道，通過中斷功能調(diào)用，送入字符顯示器12實時顯示。
*RS-232接口11由于控制處理器3輸出的串行數(shù)據(jù)是0-5V的TTL電平，而計算機記錄系統(tǒng)15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，與插座J232共同構(gòu)成RS-232接口11，與控制處理器3的串行口TXD輸出端相連，經(jīng)RS-232插座31通過串行通訊電纜的連接實現(xiàn)裝置與計算機記錄系統(tǒng)15的異步串行通訊。
控制處理器3的P37引腳平時處于低電平，則與之相連的作為報警指示17的發(fā)光二極管L2不發(fā)光。當(dāng)海洋重力、內(nèi)/外層恒溫數(shù)值超出許可范圍時，P37引腳輸出脈沖信號，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(jù)以上設(shè)計原理，本發(fā)明采用以下程序一.主程序主程序的功能是對各接口進行初始化設(shè)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器5、字符顯示器12與控制處理器3串行端口的工作方式、鍵盤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，給重力、內(nèi)/外層恒溫通道分配通道號等。在完成上電自檢后，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。
在接收到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；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。同時，讀取控制處理器3采集到的海洋重力、內(nèi)層恒溫、外層恒溫二進制數(shù)值，根據(jù)當(dāng)前通道號判斷傳感器的類型，對其進行相應(yīng)的標度變換、非線性補償與溫度補償，并將結(jié)果數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存貯器，當(dāng)發(fā)現(xiàn)海洋重力或內(nèi)/外層恒溫數(shù)值超出許可范圍時，令報警指示17閃爍報警，并由字符顯示器12上顯示提示信息；只有在上述的結(jié)果數(shù)據(jù)低于報警閾值后，控制處理器3方才退出報警狀態(tài)，恢復(fù)在字符顯示器12上顯示各信息內(nèi)容，并通過RS-232接口11輸出串行數(shù)據(jù)。
當(dāng)接收到選擇鍵10發(fā)出中斷請求時，控制處理器3將停止執(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10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10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12的顯示緩沖區(qū)，顯示格林尼治時間、日期或北京時間、經(jīng)度、緯度、速度、航向以及測定的重力、外層恒溫、內(nèi)層恒溫等觀測數(shù)據(jù)。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。
由圖3可知，在機殼20的前面板上安裝有復(fù)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(diào)節(jié)21、背景光開關(guān)22。
由圖4可知，在機殼20的后面板上安裝有外恒溫信號插座24、內(nèi)恒溫信號插座25、保險絲26、電源插座27、電源開關(guān)28、重力信號插座29、GPS天線插座30、RS-232插座31。
權(quán)利要求
1.一種多功能海洋重力儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于由GPS天線(1)、GPS-OEM板(2)、控制處理器(3)、參考基準源(4)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(5)、重力傳感器(6)、外層溫度傳感器(7)、內(nèi)層溫度傳感器(8)、復(fù)位鍵(9)、選擇鍵(10)、RS-232接口(11)、字符顯示器(12)、打印機(13)、監(jiān)視器(14)、計算機記錄系統(tǒng)(15)組成，其連接關(guān)系是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(shù)轉(zhuǎn)換器(5)的輸出端、復(fù)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(tǒng)(15)的輸入端相連，計算機記錄系統(tǒng)(15)的輸出端分別與打印機(13)、監(jiān)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(nèi)層溫度傳感器(8)的輸出端分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(5)的輸入端相連。
2.按權(quán)利要求1所述的一種多功能海洋重力儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于控制處理器(3)選用ATMEL公司的AT89C2051及其配套電路；
3.按權(quán)利要求1所述的一種多功能海洋重力儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于模數(shù)轉(zhuǎn)換器(5)選用分辨率為24位的AD公司的AD7714。
4.按權(quán)利要求1所述的一種多功能海洋重力儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于RS-232接口(11)由串行收發(fā)器MAX202與插座J232組成。
5.按權(quán)利要求1所述的一種多功能海洋重力儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于GPS天線(1)和GPS-OEM板(2)，選用MOTOROLA公司的VP-ONCORE型。
6.按權(quán)利要求1所述的一種多功能海洋重力儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于參考基準源(4)，選用AD公司的AD780。
7.按權(quán)利要求1所述的一種多功能海洋重力儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于字符顯示器(12)選用OPTREX公司的DMC16230。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多功能海洋重力儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，涉及一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具體地說，涉及一種用于海洋重力儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本發(fā)明由下列部件組成，其連接關(guān)系是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(shù)轉(zhuǎn)換器5的輸出端、復(fù)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(tǒng)15的輸入端相連，計算機記錄系統(tǒng)15的輸出端分別與打印機13、監(jiān)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(nèi)層溫度傳感器8的輸出端分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器5的輸入端相連。本發(fā)明性能好，可廣泛應(yīng)用于測量、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(yōu)先權(quán)日2004年6月30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