CN1247321A

CN1247321A - 航空重力测量长图记录装置

Info

Publication number: CN1247321A
Application number: CN 98113689
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: 1998-09-04
Filing date: 1998-09-04
Publication date: 2000-03-15

Abstract

本发明公开了一种航空重力测量长图记录装置,它由航空重力仪,绘图笔构成,其特征是A/D转换器的输出端与译码开关、PIO并行接口相连,中央处理器的输出端与存贮器、定时电路相连,PIO并行接口的输出端与驱动、步进电机相连,PIO并行接口的输出端与切换、分压相连。本发明结构简单、操作方便、记录精度高,可广泛应用于现场连续自动测量及无人值守台站测量。

Description

航空重力测量长图记录装置

本发明涉及一种用于航空重力测量的智能长图记录装置，可广泛应用于测量、气象、环保、地震及工业部门的测量。

航空重力测量是以飞机为载体，以重力仪、GPS、测高仪及导航设备测定近地空间重力加速度的重力测量方法，它以快速、大面积、精确地测定地球重力场，为航天科学和远程武器的发射提供保障而受到广泛的关注，成为近年来国际上采集重力数据的强有力手段。

作为航空重力仪的终端，长图记录仪承担着将重力仪输出的模拟信号电压绘制为重力随时间变化的曲线之任务。目前，使用于航空重力测量的长图记录仪均为直流何服方式长图记录仪，采用的是将输入信号通过模拟器件放大，然后再驱动直流电机的工作方式，存在以下几个方面的问题：

(1)航空重力测量是以飞机为载体，机上仪器工作环境极为恶劣，强烈的机振、高频电磁场及感应噪声干扰往往使长图记录仪无法正常工作，记录曲线出现变形、失真；

(2)航空重力测量采集对象为缓变的微弱模拟电压信号，长图记录仪精度往往难以达到；

(3)由于航空重力测量是跨地区、大范围作业，输入信号电压经常会超出记录仪量程，出现记录数据丢失现象；(倘若事先将记录仪量程提高，则又会降低记录精度；)而长图记录仪只能由人工手动切换量程，这在航空重力测量过程中是难以做到的；

(4)长图记录仪下具备实时显示记录数据功能，在快速、精确的航空重力测量作业时，无法将当前信息及时提供给测量人员作为参考依据；

(5)长图记录仪电源多为220V交流电压，且功耗较大，作业飞机往往难以提供：

(6)长图记录仪不具备数字接口，无法将采集的数据实时输入到计算机中，以供其进行数字记录和事后计算处理。

本发明的目的针对上述存在的问题提供了一种航空重力测量长图记录装置，采用微机精确控制步进电机，带动绘图笔绘制记录曲线，结构简单，操作方便，记录精度高。

为解决上述任务，本发明采用以下技术方案：它由航空重力仪、分压、滤波、A/D转换器、译码开关、驱动、字符显示器、PIO并行接口、并行输出、中央处理器、存贮器、定时电路、切换、操作键盘、步进电机、绘图笔构成，其特征是分压A/D转换与译码开关、PIO并行接口相连，中央处理器的输出端与存贮器、定时电路相连，PIO并行接口的输出端与驱动、步进电路相连，PIO并行接口的输出端与切换、分压相连。分压的输出端与滤波的输入端相连，滤波的输出端与A/D转换器的输入端相连，译码开关与驱动、字符显示器相连，PIO并行接口的输出端与中央处理器、并行输出接口相连，另一个PIO并行接口与中央处理器以及切换电路、分压、驱动、步进电机、绘图笔相连，该并行接口的输入端与操作键盘相连，中央处理器的输出端与存贮器、定时电路相连。通过A/D转换器对航空重力仪输出的模拟信号电压进行量化，由微机根据信号电压幅度的大小自动进行量程转换，作精确数字显示，超量程闪烁显示报警；并作相应计算处理，使数字量变为步进电机的步数，经由并行接口输出串行脉冲序列驱动步进电机，使之带动绘图笔动作，根据数据的正负，增大或减小作相应运动，达到精确记录的目的。它能在航空重力测量的大噪声环境中采集微弱模拟信号，并具有良好的抗高频电磁场及感应噪声干扰以及自动定时画出时间标志的能力。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：结构简单，操作方便，改变了传统记录仪将输入信号通过模拟器件放大，然后再驱动直流电机的工作方式，由微机精确控制步进电机带动绘图笔绘制记录曲线，记录精度高，其最高电压灵敏度可达10μV，改变了传统记录仪无法直观显示记录数据且只能通过人工手动进行量程转换的工作方式，可在正负200V的宽量程范围内根据输入信号电压幅度的大小自动进行量程转换；具有三位选择功能，可在A/D转换输出的五位数中任意选择前三位、中三位、后三位数据，在大测量范围内对缓变模拟信号电压作精确数字显示，绘制相应的记录曲线。还具有超量程闪烁显示报警，良好的抗高频电磁场及感应噪声干扰以及根据用户设置定时画出时间标志的能力，还可通过并行接口输出实时采集的电压数据供计算机进行数字记录，并具有较低的功耗，除使用220V交流电压外，还可用电池以及直流电源，易于与各种作业飞机配接，广泛应用于现场连续自动测量及无人值守台站测量。

图1为航空重力测量长图记录装置外形结构示意图。

图2为航空重力测量长图记录装置结构示意图。

图3为图2中的中央处理器、存贮器、定时电路示意图。

图4为图2中的A/D转换器、译码开关、驱动、字符显示器、PIO并行接口电路的示意图。

图5为图2中的分压、滤波、PIO并行接口、切换、操作键盘、驱动电路、步进电机示意图。

下面根据附图对本发明作进一步详细描述：

根据图1、图2可知，字符显示器7、复位按钮23、操作键盘15、测量信号输入端20、记录纸安置部分19与机壳21相连，标尺刻度22与绘图笔18相连并与机壳21固定，机壳21内装有电路板及步进电机17，分压2的输入端与航空重力仪1的输出端相连，分压2的输出与滤波3的输入端相连，滤波3的输出端与A/D转换器4的输入端相连，A/D转换器4的输出端依次与译码开关5、驱动6、字符显示器7、PIO并行接口8、14相连。由航空重力仪1输出的模拟信号电压经自动分压2、滤波3成为0-2V电压信号，通过A/D转换器4进行量化，变为数字量，除经译码开关5、驱动电路6、五字位字符显示器7直接显示外，还经PIO并行接口8的A口读入中央处理器10。PIO并行接口8的输出端与中央处理器10和并行输出9相连，PIO并行接口14的输出端依次与切换电路13、分压2、驱动16、步进电机17、绘图笔18相连，PIO并行接口14的输入端与操作键盘15相连，中央处理器10的输出端与存贮器11、定时电路12相连。在中央处理器10对操作键盘15进行“量程选择”、“三位选择”判断后，一方面根据输入信号电压幅度的大小由切换电路13通过分压2自动进行量程转换，对超量程状态通过字符显示器7闪烁显示报警；另一方面作相应计算处理，使数字量变为步进电机17的步数。经由PIO并行接口14的B口输出串行脉冲序列，通过驱动16驱动步进电机17使之带动绘图笔18，根据数据的正、负，增大或减小作相应运动，达到记录的目的，定时电路12根据用户的设置，定时向中央处理器10发出中断申请，由绘图笔18自动画出时标。

由图3所示，采用的中央处理器10为Z80CPU，它是整个系统的处理、操作、控制中心，一切信号的接收、存贮、显示、控制均在它的监控之下进行。中央处理器10通过A₀-A₁₁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。

SS1晶体振荡器、反相器74LS04及C₃、R₆、R₇构成4Mhz的晶体振荡电路，经D触发器74LS74分频而成为2Mhz的CPU时钟频率，通过反相器74LS04接到Z80-CPU、PIO和CTC，用以协调系统内各部分的动作。复位按纽K、电容C₅、电阻R₁₁、R₈₀与74LS04构成自动上电及手动复位电路，使本机从0000H开始执行监控程序的初始化部分。

存贮器11分为只读和读写存贮器两部分。其中，管理、监控程序存放于只读存贮器2716中，2114读写存贮器存放中间结果数据。为区分不同的存贮器，由或门74LS32与74LS04构成“线选”译码电路，在中央处理器的存贮器请求信号MREQ与地址信号A₁₁的共同控制下，完成片选功能。被选中的存贮单元，则在读写信号的控制下完成读写操作。

Z80CTC定时电路12的通道0设为定时方式，输出基本的时间间隔，其余各通道均设计为计数方式。4个通道由0至3通道逐次级联，最后一级通道3为允许中断，每隔一定的时间间隔向中央处理器10发出中断申请，由绘图笔18自动画出时标。CTC定时电路12中断优先权高于PIO并行接口。

按图4可知，由于采集对象为缓变的微弱模拟电压信号，加之考虑仪器往往工作在大的噪声环境中，故选用了自校零方式转换、抗干扰能力强的4(1/2)位高分辨率双积分型的ICL7135A/D转换器4。高精度基准电压源LM1403与分压电位器P₁，提供高稳定度的1V电压作为它的参考电源。基于采样信号、A/D转换速率、抗50Hz串模干扰能力和采样程序的综合考虑，A/D转换器4采用了fclk＝80KHz时钟频率的RC振荡器，它由反相器74LS04和电阻R₈、R₂₀、电容C₁₄、C₁₅构成。因为每进行一次A/D转换需要4×10⁴个时钟周期，所以A/D转换器4每秒进行2次A/D转换，并处在连续自动转换状态。

PIO并行接口8的A口作为A/D转换器4的8位数据输入口，B口通过并行输出9输出实时采集的电压并行数据供外部计算机进行数字记录。中央处理器10正是通过PIO并行接口8将A/D转换器4的信息读入，进行一系列处理或送字符显示器7扫描显示，或送存贮器贮存。

译码驱动器74LS248与各个LED字符显示器a、b、c、d、e、f、g各段相接，其输入A、B、C、D端与A/D转换器4的B₈、B₄、B₂、B₁数据输出端相连。B₈、B₄、B₂、B₁各端送出的BCD码，经过74LS248译码器，转换成控制共阴极LED字符显示器7的发光信号，在A/D转换器4的D₅-D₁端的控制下，N₃-N₇开关三极管构成的译码开关电路5轮流导通，致使5位LED字符显示器7由高位到低位分时扫描显示。

开关三极管N₁的通断受控于A/D转换器4的极性输出POL信号，决定正、负极性符号的显示与否；三极管N₂根据A/D转换器4的B1输出，决定首字位上数字“1”的显示与否。LED字符显示器7的小数点显示位置，则根据当前操作键盘15的状态，由PIO并行接口14的B₀、B₁、B₂端控制作相应显示。

在超量程状态下，字符显示器7将自动闪烁显示报警。

由于步进电机17可直接接受来自计算机的数字信号，使步进电机17旋转相应的角度，且具有快速启停能力和精确步进的特点。故采用步进电机17来定位绘图笔18，并由软件替代复杂的步进控制器，将并行二进制码转换成串行脉冲序列并实行方向控制，使线路得以简化，可靠性大大加强。步进电机17采用三相六拍运行方式，即步距角为1.5°，且以250步/秒恒定转速进行工作，由PIO并行接口14的B口通过驱动16控制步进电机17三相。

由图5所示，PIO并行接口14在作为操作键盘15的“量程选择”键S1、“三位选择”键S2的状态输入口的同时，还作为A/D转换器4数据选通STR、欠量程UR、超量程OR、极性POL等信息的输入口。在中央处理器10对操作键盘15进行“量程选择”、“三位选择”判断后，根据输入信号电压幅度的大小控制切换13，通过分压2自动进行量程转换。其中三极管N₁₃、N₁₄与N₅、N₆构成两个复合管作为电子开关，分别驱动继电器REL₁和REL₂，对电位器P₂、P₃与电阻R₂₁、R₂₂所构成的分压2进行切换。切换13和分压2电路构成是：电阻R₁₈与三极管N₁₄的基极相连，三极管N₁₄的发射极与三极管N₁₈的基极相连，三极管N₁₄的集电极与三极管N₁₃的集电极和继电器REL₁的一端相连，继电器REL₁的另一端与电阻R₁₅、稳压管Z₁构成的电源相连。继电器REL₁的常闭触点与电位器P₃和电阻R₂₂的一端相连，继电器REL₁的常开触点与电位器P₂和电阻R₂₁的一端相连；电阻R₁₇与三极管N₆的基极相连，三极管N₆的发射极与三极管N₅的基极相连，三极管N₆、N₅的集电极与继电器REL₂的一端相连，继电器REL₂的另一端与电阻R₁₆、稳压管Z₂构成的电源相连，继电器REL₂的常闭触点与电位器P₂、P₃相连；继电器REL₂的常开触点与模拟输入信号V_IN相连，在其闭合时，将模拟输入信号V_IN通过滤波3送入A/D转换器4的输入端。稳压二极管Z₁、Z₂和电阻R₁₅、R₁₆提供继电器所需电压。

与之同时，中央处理器10还根据输入信号电压幅度的大小作相应计算处理，使数字量变为步进电机17的步数，经PIO并行接口14的B口，由三极管N₇、N₈和N₉、N₁₀以及N₁₁、N₁₂组成三个复合管构成驱动电路16，输出串行脉冲序列，分别驱动步进电机17的三相线圈绕组I₁、I₂、I₃，使步进电机17带动绘图笔18动作，根据数据的正、负，增大或减小作相应运动，达到记录的目的。二极管D₂、D₃、D₄防止反相过冲电流，为电机线圈绕组提供保护。

为提高仪器抗干扰能力，在A/D转换器4模拟信号输入端增设了一级由R₁、C₆构成的无源滤波3。

根据以上设计原理，本实用新型采用以下程序：

一、主程序：

主程序的功能是设置各接口通道的工作方式，中断方式、中断矢量、开中断以及给采样数据单元和标志单元预置初值等。由于采用硬件显示，故每次A/D采样后，即可自行更新内容，无须程序控制，所以主程序在响应中断以后，随即返回主程序等待下一采样周期的到来。

二、中断服务程序：

本中断服务程序的主要任务是判断操作面板的“量程选择”、“三位选择”功能键，通过PIO并行接口14控制切换电路13对分压2作相应的切换，进行数据采集、数据处理、步数标度变换和步进电机控制。服务程序采用模块结构，各模块之间互相独立。

下面对中断服务程序中的几个功能模块进行说明。

(1)量程选择

本程序模块根据量程的选择，在200V、20V、2V之间由切换电路13控制分压2作手动或自动量程切换。其中自动量程可自行判别量程与分压状态，在被测信号超过2V时，通过切换电路13自动进位到满量程20V档；信号超过20V时，自动进位到满量程200V档。当输入信号低于18V或1.8V时，分别自动转换到满量程20V或2V档；LED字符显示器7的小数点显示位置亦随之作相应变化。

(2)数据采集

该模块采用查询方式进行数据采集。

A/D转换器4的数据选通STR信号经由PIO并行接口14的A口产生中断信号。尽管STR信号在A/D转换一个周期内有5个连续脉冲，但中央处理器10仅响应第一个STR信号产生中断其余并不响应，因为此时仍处在中断服务程序。只有在连续5个信号过后才可能执行RETI指令。

中央处理器10响应中断并进入中断服务程序后，即执行量程选择至检测万位值程序段。因为该程序段在数据采集程序中相对检测时间最长，且此时STR信号是在D₅有效时间的1/2处产生的，所以允许时间只有检测其它值程序的一半。如果这段程序执行不出错，其它位值的检测是不成问题的。A/D转换器4时钟频率为80千赫。由A/D转换器4的技术参数，位控信号有效时间为200个时钟周期，则每一位控制信号有效时间为2.5毫秒，其一半为1.25毫秒。中央处理器10主振频率为2兆赫，则完成上述程序段，作最大估计不超过300微秒。故在位控信号D有效时，完成数据采集是没有问题的，不会出现采错或程序进入死循环。

(3)数据处理及标度变换

本模块根据“三位选择”读取三位BCD数据，在作二进制转换后，进行数值计算及步数标度变换，将采样的A/D数据变成电机步进步数。

为进一步提高仪器抗干扰能力，除在被测信号输入端增设了一级无源滤波3外，系统软件还采用了中值滤波结合算术平均值滤波的复合数字滤波技术。它将输入电压信号连续采样N次(N的大小视滤波效果而定)，然后把这些采样值按从小到大的次序排列，在去掉最大值和最小值后，再对队列的余下值求和，最后取平均值作为本次采样值送到数据处理。这样，在没有增加硬设备的情况下，既有效地抑制了各种随机噪声对测量结果精度的影响，又对采样值进行了平滑加工，提高了系统性能。

(4)记录曲线绘制

该程序模块通过当次A/D数据与上次A/D数据的比较以及当次步进坐标与上次步进坐标的比较，确定步进电机17的运行方向及步进步数。通过步进电机控制程序，将环形节拍的控制模型顺序放在内存单元中，然后按顺序逐一从单元中取出并输出，进而使步进电机17带动绘图笔18绘制曲线。

Claims

1、一种航空重力测量长图记录装置，它由航空重力仪(1)、绘图笔(18)构成，其特征是A/D转换器(4)与译码开关(5)、PIO并行接口(8)、(14)相连，中央处理器(10)的输出端与存贮器(11)、定时电路(12)相连，PIO并行接口(14)的输出端与驱动(16)、步进电机(17)相连，PIO并行接口(14)的输出端与切换(13)、分压(2)相连。

2、根据权利要求1所述的一种航空重力测量长图记录装置，其特征是译码开关(5)与驱动(6)、字符显示器(7)相连。

3、根据权利要求1所述的一种航空重力测量长图记录装置，其特征是PIO并行接口(14)的输入端与操作键盘(15)相连。

4、根据权利要求1所述的一种航空重力测量长图记录装置，其特征是PIO并行接口(8)的输出端与中央处理器(10)和并行输出(9)相连。

5、根据权利要求1所述的一种航空重力测量长图记录装置，其特征是中央处理器(10)与PIO并行接口(8)、(14)相连。

6、根据权利要求1所述的一种航空重力测量长图记录装置，其特征是分压(2)的输入端与航空重力仪(1)的输出端相连，分压(2)的输出端与滤波(3)的输入端相连。

7、根据权利要求1所述的一种航空重力测量长图记录装置，其特征在于切换(13)、分压(2)电路构成是：电阻R₁₈与三极管N₁₄的基极相连，三极管N₁₄的发射极与三极管N₁₃的基极相连，三极管N₁₄的集电极与三极管N₁₃的集电极和继电器REL₁的一端相连，继电器REL₁的另一端与电阻R₁₅、稳压管Z₁构成的电源相连，电阻R₁₇与三极管N₆的基极相连，三极管N₆的发射极与三极管N₅的基极相连，三极管N₆、N₅的集电极与继电器REL₂的一端相连，继电器REL₂的另一端与电阻R₁₆、稳压管Z₂构成的电源相连。

8、根据权利要求7所述的一种航空重力测量长图记录装置，其特征是继电器REL₁的常闭触点与电位器P₃和电阻R₂₂的一端相连，继电器REL₁的常开触点与电位器P₂和电阻R₂₁的一端相连。

9、根据权利要求7所述的一种航空重力测量长图记录装置，其特征是继电器REL₂的常闭触点与电位器P₂、P₃相连，继电器REL₂的常开触点与模拟输入信号V_IN相连。