CN100353185C

CN100353185C - 多功能海洋重力仪数据采集系统

Info

Publication number: CN100353185C
Application number: CNB2004100133955A
Authority: CN
Inventors: 周百力
Original assignee: Institute of Geodesy and Geophysics of CAS
Current assignee: Institute of Geodesy and Geophysics of CAS
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2024-06-30
Also published as: CN1693925A

Abstract

本发明公开了一种多功能海洋重力仪数据采集系统，涉及一种数据采集系统，具体地说，涉及一种用于海洋重力仪的数据采集系统。本发明由下列部件组成，其连接关系是：GPS天线1与GPS-OEM板2的输入端相连；GPS-OEM板2的输出端、模数转换器5的输出端、复位键9、选择键10分别与控制处理器3的输入端相连；控制处理器3的输出端分别与RS-232接口11的输入端、字符显示器12相连；RS-232接口11的输出端与计算机记录系统15的输入端相连，计算机记录系统15的输出端分别与打印机13、监视器14相连，参考基准源4以及重力传感器6、外层温度传感器7、内层温度传感器8的输出端分别与模数转换器5的输入端相连。本发明性能好，可广泛应用于测量、地震、勘探及其它部门。

Description

多功能海洋重力仪数据采集系统

技术领域

本发明涉及一种数据采集系统，具体地说，涉及一种用于海洋重力仪的数据采集系统，可广泛应用于测量、地震、勘探及其它部门。

背景技术

海洋重力测量不仅可以用来研究地球重力场和地球形状，而且在海洋地球物理勘探方面也得到了广泛的应用，成为海洋矿产、油气、地热资源勘探不可替代的重要手段。

作为海洋重力仪的终端，数据采集系统承担着将重力及其相关数据实时记录下来的任务。然而，目前的海洋重力仪的数据采集系统存在以下问题，即功能单一，结构复杂，功耗大，价格高昂，体积庞大。具体地说，有：

①不具备实时采集、显示和输出重力数据及其载体一海洋重力测量船的当前位置、航向、速度以及日期、格林尼治时间和北京时间的能力，不利于海洋重力测量。

②所配置的时间系统精度较低，需要人工对时，而且难以统一在协调世界时下，不能满足当今海洋重力测量发展的要求，不利于全球海洋重力资料的分析。

③为使重力传感器不至在环境温度变化时产生超过仪器许可精度的测量误差，海洋重力仪往往将重力探头部分置于一个由电子线路控制的双层恒温槽中，需要另外增设专门的数据采集电路对恒温槽内、外层温度分别进行采样，导致设备复杂、控制困难、价格高昂。

④不具备同时采集、显示恒温槽内、外层恒温数据的能力，无法对它们进行实时同步测量和监控，以及相应的数据改正，进而消除内、外层恒温变化对海洋重力数据的影响。

⑤在海洋重力或内、外层恒温出现异常，超出正常范围时，不能自动进行报警，提醒工作人员及时到达、分析和处理现场情况。

⑥不能将海洋重力及内、外层恒温数据实时输出到计算机记录系统显示、存贮和打印，不利于对上述参数的分析判断和处理。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术存在的上述问题和不足，而提供一种多功能海洋重力仪数据采集系统。

本发明的目的是这样实现的：

其一是采用传感器和微机技术，实现对海洋重力以及置放重力传感器的双层恒温装置的内、外层温度信号的实时采集、数字显示；

其二是将当前测定的海洋重力及内、外层恒温数据通过通讯接口，输出到计算机记录系统进行图形曲线显示、打印和数字记录；

其三是将GPS全球定位系统的高精度时间、地理位置、航向、速度信息进行实时显示，并通过通讯接口输出到计算机记录系统，实现计算机记录系统与协调世界时的精确同步。

具体地说，由图1可知，本发明由GPS天线1、GPS-OEM板2、控制处理器3、参考基准源4、模数转换器5、重力传感器6、外层温度传感器7、内层温度传感器8、复位键9、选择键10、RS-232接口11、字符显示器12、打印机13、监视器14、计算机记录系统15组成，其连接关系是：

GPS天线1与GPS-OEM板2的输入端相连；GPS-OEM板2的输出端、模数转换器5的输出端、复位键9、选择键10分别与控制处理器3的输入端相连；控制处理器3的输出端分别与RS-232接口11的输入端、字符显示器12相连；RS-232接口11的输出端与计算机记录系统15的输入端相连，计算机记录系统15的输出端分别与打印机13、监视器14相连；参考基准源4以及重力传感器6、外层温度传感器7、内层温度传感器8的输出端分别与模数转换器5的输入端相连。

本发明的工作原理是：利用控制处理器3对模数转换器5的3个模拟通道进行控制，使之分别用于重力传感器6、外层温度传感器7、内层温度传感器8输出信号的模/数转换，实时显示各个通道的测量数据、曲线图形，完成对测量结果的存储和打印，并对计算机记录系统15的时钟实时进行校正，使其与协调世界时精确同步。

本发明的工作过程是：在完成上电自检和初始化后，重力传感器6、外层温度传感器7、内层温度传感器8输出的模拟微小信号，分别经模数转换器5的三个差分模拟输入端送入，分时完成各自的模数转换。控制处理器3通过对模数转换器5的寄存器进行设置，根据传感器的类型对其二进制输出结果进行相应的标度变换、非线性补偿与温度补偿，将当前通道号及结果数据存入数据存贮器。GPS-OEM板2不断将从GPS天线1接收到的最新定位数据通过RXD端传送给控制处理器3，与结果数据一道，送入字符显示器12实时显示。在进行电平转换后，上述数据还通过RS-232接口11，以9600baud的波特率串行输出，传递给计算机记录系统15，在监视器14上实时显示各个通道的测量数据、曲线图形，完成对测量结果的存储和打印，并对计算机记录系统15的时钟实时进行校正，确保它的时间精度。

用户在显示器12屏幕菜单的提示下，可通过中断功能调用，经由选择键10进行日期、时间、位置、速度、航向以及测定的重力传感器6、外层温度传感器7、内层温度传感器8输出信号等观测数据的显示切换。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：

①采用单片微机控制，结构简单、操作方便、抗干扰能力强、具有较低的功耗。

②利用高精度GPS时间信息，对计算机记录系统的系统时钟自动进行校正，从而使计算机记录系统与协调世界时精确同步。

③可全天候、连续实时显示高精度的日期、时间、地理位置、速度、航向以及测定的重力、内/外层恒温等观测数据，供用户进行监控和分析。

④将字符显示器传统的8位数据传输方式改为4位传输，减少了口线资源的占用，使线路得以减化。

⑤在海洋重力、内/外层恒温超出许可范围时，可自动进行发光二极管闪烁报警，提示工作人员及时进行分析和处理。

⑥可通过其RS-232通讯接口将海洋重力、内/外层恒温以及GPS数据，经由串行通讯电缆，输出到计算机记录系统，完成数据图形曲线的显示、存盘和打印。

⑦利用单片高精度模数转换器进行海洋重力、内/外层恒温等多个模拟信号的模/数转换。不仅省去了通常所需要的多个A/D转换器以及必须相应配置的调理电路，降低了成本，减小了体积，也使得控制变得容易，资源的占用减至最少。

⑧具有较低的功耗，除使用220V交流电压外，也可采用电池和直流电源，易于与各种设备配接，使用时无须对原有的设备进行改动，操作简单、方便、快捷，具有推广应用价值。

附图说明

图1为本发明组成方框图；

图2为本发明电路原理图；

图3为本发明外形结构示意图；

图4为本发明外形结构后面板示意图。

其中：

1-GPS天线；

2-GPS-OEM板，本实施例选用MOTOROLA公司的VP-ONCORE型；

3-控制处理器，本实施例选用ATMEL公司的AT89C2051及其配套电路；

4-参考基准源，本实施例选用AD公司的AD780；

5-模数转换器，本实施例选用AD公司的AD7714；

6-重力传感器；

7-外层温度传感器；

8-内层温度传感器；

9-复位键；

10-选择键；

11-RS-232接口；

12-字符显示器，本实施例选用OPTREX公司的DMC16230；

13-打印机；

14-监视器；

15-计算机记录系统；

16-电源指示；

17-报警指示；

18-GPS指示；

19-支架；

20-机壳；

21-对比度调节旋钮；

22-背景光开关；

23-机脚；

24-外恒温信号插座；

25-内恒温信号插座；

26-保险丝；

27-电源插座；

28-电源开关；

29-重力信号插座；

30-GPS天线插座；

31-RS-232插座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明。

图2是与图1对应的电路原理图。

*控制处理器3

控制处理器3为AT89C2051，它是整个系统处理、操作、控制的中心，一切信号的接收、存贮、显示、控制均在它的监控之下进行。控制处理器3的内部存贮器分为程序存贮器和数据存贮器两部分。其中，管理、监控程序存放于程序存贮器中，中间结果数据存放于数据存贮器中。

SS1晶体振荡器与电容C2、C3组成12MHz的晶体振荡电路，与控制处理器3的X1、X2引脚相连构成内部振荡方式，用来提供控制处理器3内各种微操作的时间基准。作为选择键10的S1经由电阻R4、R5及与非门74LS00构成的防抖动电路输出中断请求信号，接入控制处理器3的INT1脚，在按键按下时触发其中断，在作为字符显示器12的DMC16230屏幕菜单的提示下，采用翻页方式，依次实时显示：格林尼治时间、日期，北京时间、经度、纬度、速度、航向以及测定的重力、外层恒温、内层恒温等信息。

作为复位键9的S2，与电容C4、电阻R0、R1构成自动上电及手动复位电路，接入控制处理器3的RESET脚，在装置上电或者复位键9按下时使装置复位，从0000H地址单元开始执行监控程序。

*字符显示器12

字符显示器12将传统的8位数据传输方式改为4位传输，即控制处理器3在4位数据总线形式下，按照先传输高4位再传输低4位的顺序，分两次向字符显示器12发送8位指令代码或数据。字符显示器12的4位并行数据总线直接与控制处理器3的P14、P15、P16、P17脚连接；而控制处理器3的T0、T1、P13脚分别接入字符显示器12的使能E、读写选择R/W、指令/数据寄存器RS选择信号线。作为对比度调节21的电位器P1和电阻R3对供电电压分压后，提供给VD脚，用以调节字符显示器12的显示对比度。作为背景光开关22的S3合上时，5V电压加至字符显示器12的背光照明源，令其发光，使装置能在弱光或黑暗的条件下使用。

*模数转换器5、参考基准源4

模数转换器5采用分辨率为24位的AD7714，配置为三个通道的全差分输入。控制处理器3通过其端口的P10、P11、P12、INT0，分别与模数转换器5的CS、DOUT与DIN、SCLK、DRDY相连接。模数转换器5的MCLK IN与MCLK OUT端接入SS2晶体，用以获得时基信号。参考基准源4采用低噪声电压基准源AD780，作为模数转换电压的比较基准，接入控制处理器3的REF IN+端。幅度限制在-2.5V到+2.5V之间的重力传感器6、外层温度传感器7、内层温度传感器8输出的模拟微小信号，分别经模数转换器5的三个差分模拟输入端AIN1/2、AIN3/4、AIN5/6直接检出，由模拟开关逐个分时送入输入缓冲器和可编程增益放大器，经∑-△调制器转换成含有数字信息的数字脉冲序列，经由截止频率可编程的低通数字滤波器进行处理。在模数转换完成后，模数转换器5的DRDY脚输出电平变低，并要求控制处理器3提供SCLK时钟信号；控制处理器3通过P10、P11、P12编程输出对模数转换器5的寄存器进行设置，根据传感器的类型对其二进制输出结果进行相应的的标度变换、非线性补偿与温度补偿，将当前通道号及结果数据，与接收到的GPS信息一道，通过中断功能调用，送入字符显示器12实时显示。

*RS-232接口11

由于控制处理器3输出的串行数据是0-5V的TTL电平，而计算机记录系统15配置的是RS-232C标准的串行接口，二者的电气规范不一致，不能直接进行通讯。为此，增设了串行收发器MAX202，与插座J232共同构成RS-232接口11，与控制处理器3的串行口TXD输出端相连，经RS-232插座31通过串行通讯电缆的连接实现装置与计算机记录系统15的异步串行通讯。

控制处理器3的P37引脚平时处于低电平，则与之相连的作为报警指示17的发光二极管L2不发光。当海洋重力、内/外层恒温数值超出许可范围时，P37引脚输出脉冲信号，使报警指示17闪烁报警，提示工作人员及时进行分析和处理。

根据以上设计原理，本发明采用以下程序：

一.主程序：

主程序的功能是对各接口进行初始化：设置模数转换器5、字符显示器12与控制处理器3串行端口的工作方式、键盘中断方式以及给堆栈、数据存贮单元和标志单元预置初值，给重力、内/外层恒温通道分配通道号等。在完成上电自检后，读取标志单元中的当前页号，装入并显示相应的页内容。

在接收到GPS信息数据后，将获得的日期、时间及三维位置等信息提取出来；将协调世界时转化为北京时，分别存储到相应的数据单元。同时，读取控制处理器3采集到的海洋重力、内层恒温、外层恒温二进制数值，根据当前通道号判断传感器的类型，对其进行相应的标度变换、非线性补偿与温度补偿，并将结果数据存入数据存贮器，当发现海洋重力或内/外层恒温数值超出许可范围时，令报警指示17闪烁报警，并由字符显示器12上显示提示信息；只有在上述的结果数据低于报警阈值后，控制处理器3方才退出报警状态，恢复在字符显示器12上显示各信息内容，并通过RS-232接口11输出串行数据。

当接收到选择键10发出中断请求时，控制处理器3将停止执行主程序转而去执行中断子程序。在子程序结束后，方又回到原来执行的主程序继续工作。主程序采用模块结构，各模块之间互相独立。

二.中断服务程序：

在响应选择键10发出的中断请求信号之后，随即进入本中断服务程序，在关中断、保护现场后，读取选择键10确定的新页号，替换掉原来的页号，从数据存贮器中取出与新页号相对应的页内容，装入到字符显示器12的显示缓冲区，显示格林尼治时间、日期或北京时间、经度、纬度、速度、航向以及测定的重力、外层恒温、内层恒温等观测数据。在开中断、恢复现场后，执行RETI指令，中断返回到主程序。

由图3可知，在机壳20的前面板上安装有复位键9、选择键10、字符显示器12、电源指示16、报警指示17、GPS指示18、对比度调节21、背景光开关22。

由图4可知，在机壳20的后面板上安装有外恒温信号插座24、内恒温信号插座25、保险丝26、电源插座27、电源开关28、重力信号插座29、GPS天线插座30、RS-232插座31。

Claims

1、一种多功能海洋重力仪数据采集系统，包括GPS天线(1)、GPS-OEM板(2)、控制处理器(3)、参考基准源(4)、模数转换器(5)、重力传感器(6)、外层温度传感器(7)、内层温度传感器(8)、复位键(9)、选择键(10)、RS-232接口(11)、字符显示器(12)、打印机(13)、监视器(14)、计算机记录系统(15)；

其特征在于：GPS天线(1)与GPS-OEM板(2)的输入端相连；GPS-OEM板(2)的输出端、模数转换器(5)的输出端、复位键(9)、选择键(10)分别与控制处理器(3)的输入端相连；控制处理器(3)的输出端分别与RS-232接口(11)的输入端、字符显示器(12)相连；RS-232接口(11)的输出端与计算机记录系统(15)的输入端相连，计算机记录系统(15)的输出端分别与打印机(13)、监视器(14)相连，参考基准源(4)以及重力传感器(6)、外层温度传感器(7)、内层温度传感器(8)的输出端分别与模数转换器(5)的输入端相连；

所述的控制处理器(3)选用ATMEL公司的AT89C2051及其配套电路；

所述的模数转换器(5)选用分辨率为24位的AD公司的AD7714；

所述的RS-232接口(11)由串行收发器MAX202与插座J232组成；

所述的GPS天线(1)和GPS-OEM板(2)，选用MOTOROLA公司的VP-ONCORE型；

所述的参考基准源(4)选用AD公司的AD780；

所述的字符显示器(12)选用OPTREX公司的DMC16230。