CN100483155C - 便携式重力与环境参数图形显示仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了便携式重力与环境参数图形显示仪，涉及一种数据采集图形显示记录仪器。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、重力传感单元6、温度传感单元7、湿度传感单元8、气压传感单元9、静态存贮器10、RS-232接口11、图形显示器12、键盘控制器13、键盘矩阵14、计算机记录系统15、打印机16、LED指示17组成。本发明不仅可进行野外流动重力观测，亦可对温度、湿度、气压等环境因素进行同步测量，同时提供重力观测的实时位置、航向、速度以及日期、格林尼治时间或北京时间，为监测和研究地球重力场变化以及地球物理勘探提供可靠资料。可广泛应用于测量、地震、勘探及其它部门。

Description

便携式重力与环境参数图形显示仪

技术领域

本发明涉及一种数据采集图形显示记录仪器，具体地说，涉及一种用于重力观测的便携式重力与环境参数图形显示仪；可广泛应用于测量、地震、勘探及其它部门。

背景技术

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

由于环境变化对重力仪观测精度有较大影响，所以在进行重力测量的同时，还需要对温度、湿度、气压等环境因素加以观测，以进行必要的数据改正，提取出有效的重力信号，为监测和研究地球重力场变化以及地球物理勘探提供可靠的资料。此外，在野外重力观测中，还需要了解重力测量车船的实时位置、航向、速度以及日期、格林尼治时间或北京时间。所以，目前重力观测不得不携带和使用由多台功能各异的仪器设备组成的庞大数据采集系统进行作业，给工作带来极大的不便。

具体地说，目前用于重力测量的数据采集系统，存在以下几个方面的问题：

①只能进行单一的重力测量，由于不具备同步采集、存储温度、湿度与气压等环境因素的能力，所以无法进行必要的数据改正，消除环境因素的影响，大大降低了重力观测精度。

②由于不具备同步获取重力测量精确的实时位置、航向、速度以及日期、格林尼治时间或北京时间的能力，不利于野外重力观测。

③为了解决上述问题，重力测量必须携带和使用由多台功能各异的仪器设备组成的庞大数据采集系统进行作业，给工作带来极大的不便。

④现有的数据采集系统功耗大，对后备电源容量要求高，对普遍存在电网电压波动幅度过大和经常断电现象的广大的边远地区，往往还得额外配置稳压稳流设备，不仅提高了野外观测的成本，增加了观测人员的劳动强度，也难以保证流动重力观测的可靠性和稳定性。

⑤组成现有数据采集系统的各个仪器都是独立的专用设备，不能或很难与其它传感器、仪器仪表互换和配接。使用时往往需要配置不同的电源、接口，甚至需要对原有设备进行改动，同时还存在连接困难、操作复杂、耗工耗时等缺点，应用范围受到很大的限制。

⑥现有数据采集系统无法完全脱离手工记录重力、环境因素与GPS参数的方式，效率低下。即使有的采集系统已经部分实现了上述参数的自动化观测，但是它们仍由于不具备同时进行图形曲线显示或提供给计算机记录系统打印的能力，无法同时对它们的数值大小和变化趋势进行观察、比较、分析和处理各个环境因素变化对重力的影响。

⑦难以对现有系统的各个设备配置统一的时间装置，甚至不得不采用人工对时的原始手段，使整个系统无法统一在精确的协调世界时下，不能满足当今重力测量发展的要求。

⑧由于需要同时提取重力、温度、湿度和气压等多个模拟信号，所以不得不对它们分别配置以相应的模/数转换器、存贮器和调理电路。在数据采集完成之后，还得将存储在各自存贮器内的数据统一转储，造成数据采集过程繁琐，耗工耗时，采集系统成本昂贵，操控性差。

⑨在重力、温度、湿度和气压出现异常，超出正常范围时，不能自动进行报警，提醒观测人员及时到达、分析和处理现场情况。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术存在的上述缺点和不足，而提供一种便携式重力与环境参数图形显示仪。

本发明的目的是这样实现的：

其一，采用传感器和微机技术，实现对重力、温度、湿度和气压信号的实时采集和图形曲线、数字显示；

其二，根据用户要求，将测定的重力、温度、湿度和气压数据存入仪器的静态存贮器，或通过通讯接口，将它们传送到计算机记录系统进行打印和数字记录；

其三、提供高精度的GPS全球定位系统时间、地理位置、航向、速度信息，对它们加以实时显示和记录，将时间信息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，如图1，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、重力传感单元6、温度传感单元7、湿度传感单元8、气压传感单元9、静态存贮器10、RS-232接口11、图形显示器12、键盘控制器13、键盘矩阵14、计算机记录系统15、打印机16、LED指示17组成；

GPS天线1与GPS-OEM板2的输入端相连；

键盘矩阵14与键盘控制器13的输入端相连；

参考基准源4以及重力传感单元6、温度传感单元7、湿度传感单元8和气压传感单元9的输出端分别与模数转换器5的输入端相连；

GPS-OEM板2、模数转换器5、键盘控制器13的输出端分别与控制处理器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的输入端以及静态存贮器10、图形显示器12、LED指示17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的输出端与打印机16相连；

本发明的工作原理是：

在完成上电自检和初始化后，控制处理器3通过对模数转换器5的控制，将重力传感单元6、温度传感单元7、湿度传感单元8和气压传感单元9输出的模拟微小信号，分别经四个模拟通道送入，完成各自的模数转换，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，将当前结果数据存入静态存贮器10；

GPS-OEM板2不断将从GPS天线1接收到的最新定位数据，传送给控制处理器3，与静态存贮器10存储的结果数据一道，在图形显示器12上实时显示；或通过RS-232接口11，在进行电平转换后，以9600baud的波特率串行输出给计算机记录系统15，完成对测量结果的存储和打印，并对计算机记录系统15的时钟进行实时校正，确保它的时间精度；

用户在图形显示器12屏幕菜单的提示下，可通过中断功能调用，经由键盘矩阵14进行日期、时间、位置、速度、航向以及测定的重力、温度、湿度和气压输出信号等观测数据的显示切换，完成系统复位和数据传输。

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，具有结构简单、功能多样、功耗低、体积小、重量轻、抗干扰能力强、操作携带方便等特点，可减轻流动重力观测人员的劳动强度、降低野外观测成本，有效提高流动重力观测的可靠性和稳定性。

(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，从而使之与协调世界时精确同步。

(3)可全天候、连续实时获取和显示高精度的日期、时间、地理位置、速度、航向信息，方便野外重力测量。

(4)可通过仪器的图形显示器同步进行重力、温度、湿度和气压等多个模拟信号的图形曲线显示，实时观察到它们的数值大小和变化趋势，比较和分析各个环境因素变化对重力的影响。

(5)可根据实际需要，灵活选择各个观测数据的采样时间间隔，进而改变数据的存储时间周期，有利于重力观测。

(6)在重力、温度、湿度和气压各观测参数的信号幅度超出设定范围时，可自动进行LED指示17闪烁报警，提示用户及时分析和处理现场情况。在锁定GPS卫星少于3颗，处于失锁状态时，本仪器即会在LED指示17闪烁报警的同时，自动切换到内部时钟，继续保持时间的正确显示。

(7)可根据用户要求，通过其RS-232接口11将重力、温度、湿度、气压以及GPS时间、地理位置、航向、速度数据，经由串行通讯电缆，输出到计算机记录系统15，完成数据转存和打印。

(8)利用单片高精度模数转换器5进行重力、温度、湿度和气压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，便于随身携带，也使得仪器操控变得容易，资源的占用减至最小，有利于野外重力观测。

(9)具有较低的功耗，可使用电池和直流电源供电，有利于野外重力观测。

(10)可根据数据量的大小，自动选择仪器内部的静态存贮器10或外部计算机记录系统15进行数据的存储：当存贮的数据量超出仪器静态存贮器容量时，会自动向外部计算机记录系统15进行数据的转存，同时刷新静态存贮器。

(11)由于仪器采用了折叠方式，不仅使体积减小，便于携带，还保护了图形显示器，使之免受外力的冲击。同时仪器还设置了自动启闭的电源开关，在显示屏打开时自行启动仪器，显示屏合上时关闭仪器，避免了用户误触键盘造成仪器的误动作和不必要的功耗。

(12)易于和其它类型传感器配接，扩大了应用范围。使用时无须对原有的设备进行改动，操作简单、方便、快捷，具有广泛的推广应用价值。

(13)仪器显示字符规范，可汉字化，能显示各种图形、曲线等丰富的内容，具有人机对话操作、测量处理结果显示功能，适合多行业多层面的人员使用，应用前景良好。

(14)仪器具有背光显示功能，可在弱光和黑暗的条件下使用。

附图说明

图1为本发明组成方框图；

图2为本发明外观结构示意图；

图3为本发明组成电路原理图。

其中：

1—GPS天线；

2—GPS-OEM板；

3—控制处理器；

4—参考基准源；

5—模数转换器；

6—重力传感单元；

7—温度传感单元；

8—湿度传感单元；

9—气压传感单元；

10—静态存贮器；

11—RS-232接口；

12—图形显示器；

13—键盘控制器；

14—键盘矩阵；

15—计算机记录系统；

16—打印机；

17—LED指示。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明：

一、整机

1、按发明内容的组成及连接实施。

2、在模数转换器5的输入端可适配其它传感器(如水位计等)，共享系统的采样、监测设备，对地下水位等其它物理量进行巡检，从而拓宽监测范围，开辟新的工作领域。

3、整机外观结构如图2。

二、元器件

图3是与图1对应的电路原理图。

1、控制处理器3与静态存贮器10

控制处理器3选用ATMEL公司的AT89S52及其配套电路；

静态存贮器10选用62256。

控制处理器3是整个仪器处理、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通过A0～A15地址线、D0～D7数据线及读RD/、写WR/、复位RESET等信号对全系统进行控制。

74LS373地址锁存器用于解决控制处理器3地址总线AB与数据总线DB分时复用的问题。

74LS138地址译码器对地址线A13～A15进行译码，它的输出Y0～Y3分别作为模数转换器5、静态存贮器10、图形显示器12、键盘控制器13的片选信号，由控制处理器3通过数据线对它们分时进行访问。

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。

复位按纽S1、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，在图形显示仪上电或者复位键S1按下时使图形显示仪复位，从0000H地址单元开始执行监控程序。

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、监控程序以及中/西文字库存放于程序存贮器中，中间结果数据存放于数据存贮器中。

仪器专门设置了静态存贮器10，用于补充控制处理器3数据存贮器存储量的不足，存放获取的重力、温度、湿度和气压以及GPS等结果数据。

2、图形显示器12与LED指示17

图形显示器12选用OPTREX公司的DMF5001图形液晶显示模块，其8位并行数据总线D0～D7直接与系统数据总线DB连接；来自地址译码器74LS138输出的Y2作为图形显示器12的片选信号；而控制处理器3的读RD/和写WR/控制信号进行图形显示器12的读/写选择；地址锁存器74LS373的输出地址AO???则作为图形显示器12的读/写选择的控制信号。作为对比度调节的电位器P1对-20V供电电压VEE分压后，提供给VADJ脚，用以调节图形显示器12的显示对比度。S2是场致发光的背光照明源控制，通过微型逆变器TR，将5V直流电压转换为100V左右的1000Hz的交变电压，提供给图形显示器12的EL端，使它能在弱光或黑暗的条件下使用。

发光二极管的秒脉冲指示L3、报警指示L2与电源指示L1共同构成了LED指示17。GPS-OEM板2输出的秒脉冲通过LM555和电阻R8、电容C13、C14构成的单稳态电路，输出到L3，指示秒脉冲的到来。控制处理器3的P17引脚平时处于低电平，则与之相连的报警指示L2不发光。当重力、温度、湿度和气压数值超出许可范围或当锁定卫星少于3颗，仪器处于失锁状态时，P17引脚输出脉冲信号，经R7送至L2，使其闪烁报警。

3、模数转换器5、参考基准源4

模数转换器5选用分辨率为24位的AD7714，配置为四个通道的模拟输入。控制处理器3通过其端口的P10、P11、INT1，分别与模数转换器5的SCLK、DOUT与DIN、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选用低噪声电压基准源AD780，作为模数转换电压的比较基准，接入模数转换器5的REF IN+端。幅度限制在0到+2.5V之间的重力传感单元6、温度传感单元7、湿度传感单元8和气压传感单元9输出的模拟微小信号，分别经模数转换器5的四个模拟输入端AIN1、AIN2、AIN3、AIN4直接检出，由模数转换器5内部的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，然后送入图形显示器12实时显示。

4、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，在对结果数据进行电平转换后，通过串行通讯电缆的连接实现本仪器与计算机记录系统15的异步串行通讯。

5、键盘控制器13与键盘矩阵14

为减轻控制处理器3的负担，仪器选用INTEL公司的8279作为键盘控制器13来对键盘进行管理，将其SL0～SL1端作为2×5键盘矩阵14的行扫描信号，键盘的列值信号由RL0～RL4端返回键盘控制器13。键盘控制器13定时对键盘进行扫描，确定有无键盘闭合。当键盘矩阵14有键按下时，该键的编码即被送入键盘控制器13，同时，键盘控制器13产生中断请求信号IRQ，经反相后送至控制处理器3的INT0端，触发其中断，由程序进行键识别，并把预先制好的对应菜单调到图形显示器12上显示。在其屏幕菜单的提示下，用户可方便地进行各个观测数据与图形曲线的选择和操作。

三、根据以上设计原理，本发明采用以下程序：

1、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、图形显示器12、键盘控制器13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、温度、湿度和气压通道分配通道号等。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采集到的重力、温度、湿度和气压二进制数值，根据当前通道号判断传感器的类型，进行相应的标度变换、非线性补偿与温度补偿，并将结果数据存入静态存贮器；当发现重力、温度、湿度和气压数值超出许可范围或GPS卫星失锁时，令报警指示L2闪烁报警，并由图形显示器12上显示提示信息；失锁时，本仪器会自动切换到内部时钟，继续保持时间的正确显示。

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，恢复在图形显示器12上显示的信息内容及图形曲线，并根据用户的需求，通过RS-232接口11输出串行数据。

数据采集波形显示的方法是，首先判断两点的数据采集值Yn和Yn+1，当Yn≥Yn+1时，确定(Xn+1，Yn)为上点，(Xn+1，Yn+1)为下点；而当Yn≤Yn+1时，确定(Xn+1，Yn)为下点，(Xn+1，Yn+1)为上点，通过将数据采集点两两依次垂直相连得到波形显示。改变Yn相对于Xn的偏移值，可以使波形前后移动；对全部采样数值按一定比例衰减或放大，可以方便地进行波形幅度的调整。

当接收到键盘控制器13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。

2、中断服务程序：

在响应键盘控制器13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，读取和判断键盘矩阵14确定的键值，执行它所对应的子程序功能。如更新当前页号，从静态存贮器中取出与新页号相对应的页内容，装入到图形显示器12的显示缓冲区，显示格林尼治或北京时间与日期、经度、纬度、速度、航向以及测定的重力、温度、湿度和气压等观测数据、图形曲线。

在开中断、恢复现场后，执行RETI指令，中断返回到主程序。

Claims (1)

1、一种便携式重力与环境参数图形显示仪，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)、重力传感单元(6)、温度传感单元(7)、湿度传感单元(8)、气压传感单元(9)、静态存贮器(10)、RS-232接口(11)、图形显示器(12)、键盘控制器(13)、键盘矩阵(14)、计算机记录系统(15)、打印机(16)、LED指示(17)；

其特征在于：

GPS天线(1)与GPS-OEM板(2)的输入端相连；

键盘矩阵(14)与键盘控制器(13)的输入端相连；

参考基准源(4)以及重力传感单元(6)、温度传感单元(7)、湿度传感单元(8)和气压传感单元(9)的输出端分别与模数转换器(5)的输入端相连；

GPS-OEM板(2)、模数转换器(5)、键盘控制器(13)的输出端分别与控制处理器(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)的输入端以及静态存贮器(10)、图形显示器(12)、LED指示(17)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)的输出端与打印机(16)相连；

控制处理器(3)通过对模数转换器(5)的控制，将重力传感单元(6)、温度传感单元(7)、湿度传感单元(8)和气压传感单元(9)输出的模拟微小信号，分别经四个模拟通道送入，完成各自的模数转换，再将当前结果数据存入静态存贮器(10)；

GPS-OEM板(2)不断将从GPS天线(1)接收到的最新定位数据，传送给控制处理器(3)，与静态存贮器(10)存储的结果数据一道，在图形显示器(12)上实时显示；或通过RS-232接口(11)，在进行电平转换后，以9600baud的波特率串行输出给计算机记录系统(15)，完成对测量结果的存储和打印，并对计算机记录系统15的时钟进行实时校正，确保它的时间精度；

用户在图形显示器(12)屏幕菜单的提示下，通过中断功能调用，经由键盘矩阵(14)进行日期、时间、位置、速度、航向以及测定的重力、温度、湿度和气压输出信号等观测数据的显示切换，完成系统复位和数据传输；

所述的GPS天线(1)和GPS-OEM板(2)选用GARMIN公司的GPS25型；

所述的控制处理器(3)选用ATMEL公司的AT89S52及其配套电路；

所述的参考基准源(4)选用AD公司的AD780；

所述的模数转换器(5)选用AD公司的AD7714；

所述的静态存贮器(10)选用RAM芯片62256；

所述的RS-232接口(11)由串行收发器MAX202与插座J232组成；

所述的图形显示器(12)选用OPTREX公司的DMF5001；

所述的键盘控制器(13)选用INTEL公司的8279。

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