CN101702033A - 电磁法探测的全球定位系统同步控制信号产生的方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于电磁法探测的全球定位系统同步控制信号产生的方法。用于电磁法发送机电流的产生和接收机信号接收的同步，适用于地球物理勘探、工程地质勘探等领域。本发明的技术方案包括：发送机和接收机接收全球定位系统时钟信息和秒脉冲信号，确定时间参考点，计算发送信号同步控制启动时间，当时钟与发送信号同步控制启动时间相等时，通过秒脉冲窄化信号启动发送机输出电流。该方法的优点是：消除了同步控制启动时间的设置，对于无需设置发送电流参数的混场源发送机，能省略键盘设计，使系统简化并使用可靠，对于其它类型电磁发送机，只需选频开关设置频率，非常方便，本发明还适用于多台发送机串、并联和多台接收机联合使用的场合。

Description

电磁法探测的全球定位系统同步控制信号产生的方法

技术领域

本发明涉及电磁法探测的全球定位系统同步控制信号产生的方法，属于电磁法发送机电流的产生与接收机信号接收的同步技术领域。

背景技术

在电磁探测领域，需要由发送机输出电流，输出电流可以是单极性方波、双极性方波、正弦波、交流方波、周期性多频正弦波，接收机采集来自地质体的响应信号，接收机根据发送电流的周期和发送时刻启动接收，发送机和接收机需要精确的同步控制信号。

电磁法发送机和接收机的同步方法包括电缆同步、无线通讯同步、石英钟同步、感应信号同步和全球定位系统同步，其中，利用全球定位系统的高精度时钟和秒脉冲信号，可很好地解决时间同步问题，无时间累积误差，在地球物理探测领域得到成功应用。

现有技术存在的不足在于：电磁法发送机和接收机需要在施工前设置发送机电流波形类型、周期和启动时间三个参数，一般通过键盘或无线控制终端。发送机发送电流的启动时间在施工中断、更换测点或更改发送电流周期时，都需重新设置，施工极为不便，且易出差错，降低了施工效率。

发明专利申请号01128148的“卫星定位系统实时同步控制器”，采用GPS解决了电磁法探测的发送机与接收机的同步问题，从相同发明人之一的林君指导硕士论文“TEM-II型瞬变电磁法发射机的研制及改进设计，2001”中看出，专利申请号01128148的发明在同步控制启动时间的确定上需要人工设置。文献“带远参考测量方式的海底大地电磁同步采集技术，地质与勘探，2003年9月，39卷第5期”提出了一种GPS的同步控制方法，但数据采集时刻表仍需事先设置。文献“混场源电磁接收系统同步数据采集技术，吉林大学学报(信息科学版)，2009年3月，27卷第2期”提出了基于GPS的混场源电磁探测系统同步技术，但没有述及同步控制启动时间的确定方法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种电磁法探测的全球定位系统同步控制信号产生的方法，该方法消除了全球定位系统同步控制启动时间的设置，对于无需设置发送电流参数的混场源发送机，能省略键盘设计，使系统简化并使用可靠，对于其它类型电磁发送机，仅需选频开关设置频率，使用方便。

为了实现上述发明的目的，本发明的技术方案是按以下顺序步骤进行：

1.电磁法发送机和接收机分别配置全球定位系统模块；合上发送机和接收机电源后，全球定位系统模块与全球定位系统通信，接收全球定位系统时钟信息和秒脉冲信号；

2.秒脉冲窄化电路利用秒脉冲的上升沿启动计数器对晶体振荡器输出的方波信号计数，通过设置计数器计数初值得到所需脉宽的秒脉冲窄化信号，使其脉冲宽度小于基频信号的周期，且秒脉冲窄化信号上升沿与秒脉冲信号上升沿同步，下降沿与晶体振荡器输出方波信号的上升沿同步；

3.基频产生单元以晶体振荡器输出的方波信号为时钟信号，输出基频信号，利用秒脉冲窄化信号上升沿对基频产生单元中计数器复位，基频信号上升沿与秒脉冲窄化信号上升沿同步，消除基频信号累计误差；

4.单片机读取选频开关的信号，生成对应频率的频率选择信号，控制频率选择电路选择同步控制信号输出通道；

5.发送机和接收机采用完全相同的时间参考点T₀，T₀可取任意时刻，分辨到秒，其中，时间参考点T₀在电磁法仪器生产时确定；

6.单片机通过串口读取全球定位系统模块输出的状态数据、定位数据与时间数据，根据当前时间T₁、单片机预设的同步控制信号周期T以及时间参考点T₀，计算同步控制启动时间T₂，发送机和接收机的采用完全相同的同步控制启动时间算法：

$T_2=T_0+\mathrm{Trunc}\left(\frac{T_1-T_0}{T}\right)\×T+T$

其中：

T₂：同步控制启动时间，以秒为单位；

T₀：时间参考点，以秒为单位；

T₁：当前时间，以秒为单位；

Trunc：取整函数，保留数据整数部分；

T：同步控制信号周期，以秒为单位；

7.定义同步控制预启动时间T₃，(T₂-T₃)大于单片机I/O输出指令执行时间，小于1秒；在T₃时刻，单片机向复位电路发出宽度为1秒的复位脉冲信号，用该脉冲信号选通秒脉冲窄化信号对分频电路进行清零复位；

在T₃时刻，单片机向触发电路发出同步标志信号，触发电路利用同步标志信号与秒脉冲窄化信号输出一个与秒脉冲窄化信号上升沿同步的选通信号，控制逻辑开关S导通，基频信号经逻辑开关S输出至分频电路时钟端；

8.分频电路对基频信号分频，得到N个不同频率的同步信号，根据步骤4选择的对应频率通道输出同步控制信号；

9.电磁法发送机和接收机具有相同的时间参考点和相同的同步控制启动时间计算方法，输出的两个同步控制信号精确同步。

本发明与现有技术相比，其技术效果是：

1.采用该方法使发送机和接收机端都省去了发送信号同步控制启动时间的设置，对于发送周期和波形不需更改的系统，可省去发送机键盘设置，简化了仪器设计，并提高了系统可靠性。

2.采用该方法对于施工中断后恢复工作、接收机更换测点或经常更改发送周期，无需重新设置参数，无需与发送机通讯联络。

3.对于多个发送机、多个接收机联合工作的模式，本发明自动同步各仪器的发送和接收的同步控制启动时间，提高工效显著。

附图说明：

图1是产生同步控制信号的结构框图；

图2是同步控制相关信号时序图；

图3是产生同步控制信号的实施例结构框图；

图4是秒脉冲窄化电路的实施例电路原理图；

图5是基频产生单元产生64Hz信号的实施例电路原理图；

图6是分频与输出同步控制信号的实施例电路原理图；

图7是发送机与接收机的实施例同步控制信号效果图；

图1中：

S-逻辑开关；

图2中：

复位脉冲信号的脉宽为1秒；

同步控制信号以分频器输出的基频信号二分频为例；

T₀-时间参考点，以秒为单位；

T₁-当前时间，以秒为单位；

T₂-同步控制启动时间，以秒为单位；

T₃-同步控制预启动时间；

T-同步控制信号周期；

图3中：

S-逻辑开关；

图6中：

1-复位电路；

2-触发电路；

3-逻辑开关S；

4-分频电路；

5-频率选择电路；

图7中：

上图为发送机的同步控制信号，下图为接收机的同步控制信号；

具体实施方式

本发明将结合附图做进一步详细说明。

1.发送机和接收机采用的模块、元器件型号与系统参数：

全球定位系统模块采用MOTOROLA公司的M12-TIMING型GPS-OEM模板，单片机采用AT89C51，电磁法仪器生产时确定的时间参考点T₀为北京时间零点整，晶体振荡器采用10MHz晶振；基频产生单元产生频率为64Hz的信号，64Hz信号经分频电路分频为32Hz、16Hz、8Hz、4Hz、2Hz、1Hz、0.5Hz、0.25Hz、0.125Hz和0.0625Hz，频率选择电路输出同步控制信号为0.0625Hz，周期16秒；

2.如图4所示，秒脉冲窄化电路采用计数器74161，利用10MHz信号作为时钟信号，秒脉冲对计数器置数，计数初值为2，通过逻辑处理输出小于200ns的秒脉冲窄化信号；

3.如图5所示，基频产生单元由5个计数器74161组成，以10MHz信号为时钟信号，输出基频为64Hz的信号，秒脉冲窄化信号通过计数器置数端复位64Hz信号，消除64Hz信号的累计误差；

4.选频开关调至0.0625Hz，即同步控制信号周期T为16秒，单片机读取选频开关的信号，设置对应的频率选择信号d₀d₁d₂d₃为0001，控制频率选择电路选择对应的同步控制信号输出通道；

5.同步控制启动时间的确定：

电磁法仪器确定的时间参考点为T₀＝0；

针对选定周期T＝16秒的信号，当前时间T₁为上午10时12分10秒，计算同步控制启动时间：

$T_2=T_0+\mathrm{Trunc}\left(\frac{T_1-T_0}{T}\right)\×T+T$

$=0+\mathrm{Trunc}\left(\frac{10\×3600+12\×60+10\×1-0}{16}\right)\×16+16$

$=36736$ 秒

T₂可换算为：10时12分16秒；

其中：

T₂：同步控制启动时间；

T₀：时间参考点，以秒为单位；

T₁：当前时间，以秒为单位；

Trunc：取整函数，保留数据整数部分；

T：同步控制信号周期，以秒为单位；

6.设定同步控制预启动时间T₃＝36735.999998秒，在T₃时刻，单片机向复位电路发出宽度为1秒的复位脉冲信号，用该脉冲信号选通秒脉冲窄化信号对分频器进行清零复位；

在T₃时刻，单片机向D触发器发出同步标志信号，同步标志信号作为D触发器的输入信号，当随后第一个秒脉冲窄化信号到来时，D触发器输出一个与秒脉冲窄化信号上升沿同步的选通信号，控制逻辑开关S导通，基频信号64Hz经逻辑开关S输出至分频电路时钟端；

7.分频电路利用5个D触发器7474对64Hz信号分频，得到不同频率的同步信号，对应频率分别为32Hz、16Hz、8Hz、4Hz、2Hz、1Hz、0.5Hz、0.25Hz、0.125Hz与0.0625Hz，根据确定的频率选择信号d₀d₁d₂d₃为0001，频率选择电路选择信号0.0625Hz输出作为同步控制信号；

8.发送机的同步控制信号控制电流的发送，接收机的同步控制信号控制信号的接收；如图7所示，上图为发送机的同步控制信号，下图为接收机的同步控制信号，可得两个同步控制信号上升沿之间的同步误差小于50ns，同步精度非常高。

本发明还适用于多台发送机串、并联和多台接收机联合使用的场合。

Claims (1)

1.一种适用于电磁法探测的全球定位系统同步控制信号产生的方法，其特征在于该方法按以下顺序步骤进行：

(1)电磁法发送机和接收机分别配置全球定位系统模块；合上发送机和接收机电源后，全球定位系统模块与全球定位系统通信，接收全球定位系统时钟信息和秒脉冲信号；

(2)秒脉冲窄化电路利用秒脉冲的上升沿启动计数器对晶体振荡器输出的方波信号计数，通过设置计数器计数初值得到所需脉宽的秒脉冲窄化信号，使其脉冲宽度小于基频信号的周期，且秒脉冲窄化信号上升沿与秒脉冲信号上升沿同步，下降沿与晶体振荡器输出方波信号的上升沿同步；

(3)基频产生单元以晶体振荡器输出的方波信号为时钟信号，输出基频信号，利用秒脉冲窄化信号上升沿对基频产生单元中计数器复位，基频信号上升沿与秒脉冲窄化信号上升沿同步，消除基频信号累计误差；

(4)单片机读取选频开关的信号，生成对应频率的频率选择信号，控制频率选择电路选择同步控制信号输出通道；

(5)发送机和接收机采用完全相同的时间参考点T₀，T₀可取任意时刻，分辨到秒，其中，时间参考点T₀在电磁法仪器生产时确定；

(6)单片机通过串口读取全球定位系统模块输出的状态数据、定位数据与时间数据，根据当前时间T₁、单片机预设的同步控制信号周期T以及时间参考点T₀，计算同步控制启动时间T₂，发送机和接收机的采用完全相同的同步控制启动时间算法：

$T_2=T_0+\mathrm{Trunc}\left(\frac{T_1-T_0}{T}\right)\×T+T$

其中：

T₂：同步控制启动时间，以秒为单位；

T₀：时间参考点，以秒为单位；

T₁：当前时间，以秒为单位；

Trunc：取整函数，保留数据整数部分；

T：同步控制信号周期，以秒为单位；

(7)定义同步控制预启动时间T₃，(T₂-T₃)大于单片机I/O输出指令执行时间，小于1秒；在T₃时刻，单片机向复位电路发出宽度为1秒的复位脉冲信号，用该脉冲信号选通秒脉冲窄化信号对分频电路进行清零复位；

在T3时刻，单片机向触发电路发出同步标志信号，触发电路利用同步标志信号与秒脉冲窄化信号输出一个与秒脉冲窄化信号上升沿同步的选通信号，控制逻辑开关S导通，基频信号经逻辑开关S输出至分频电路时钟端；

(8)分频电路对基频信号分频，得到N个不同频率的同步信号，根据步骤(4)选择的对应频率通道输出同步控制信号；

(9)电磁法发送机和接收机具有相同的时间参考点和相同的同步控制启动时间计算方法，输出的两个同步控制信号精确同步。

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