专利名称：用于重力数据记录的高精度gps卫星钟的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种GPS卫星钟，具体地说，涉及一种用于重力数据记录系统的GPS卫星钟，可广泛应用于测量、地震、勘探及其它部门。
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、地下水资源勘探不可替代的重要手段。
作为重力仪的终端，重力记录系统承担着将重力仪输出的信号用模拟或数字方式记录下来的任务。模拟方式是通过长图记录仪绘制重力随时间变化的曲线；数字方式则是通过计算机以数字的形式采集和存储重力数据。目前的重力记录系统，无论它采用的是何种方式，都存在以下几个方面的问题①所配置的时间装置精度较低，已不能满足当今重力测量发展的要求。
②根据国际地球动力学观测计划，要求全球重力仪观测统一采用高精度协调世界时，使世界上任何地点采集站的时间同步，以利于全球重力资料的分析。这对于目前各自独立配置系统时钟的的重力记录系统，是难以做到的。
③目前的重力记录系统，由于所配置的时间装置都是采用人工手动对时方式，不仅操作过程繁琐，误差也大，无法满足重力观测的要求。
④不具备实时显示和输出三维位置信息的能力，不利于野外流动重力测量。
⑤不具备同时实时显示格林尼治日期、时间和北京时间的能力，使用起来很不方便。
⑥不能根据用户所进行的时间间隔的设置，自动输出定时时标，无法应用于长图模拟记录等各种定时控制的场合。
⑦不能给用户提供精确的秒信号，无法应用于精密授时的场合，使其应用范围受到限制。
本发明的目的就是针对上述存在的问题提供一种用于重力数据记录的高精度GPS卫星钟，采用GPS和微机技术，集授时、定位于一体，实现重力数据记录系统与协调世界时的精确同步，结构简单、精度高、功耗低。
本发明的目的是这样实现的，即它由接收天线、GPS-OEM板、控制处理器、驱动器、字符显示器、并行接口、拨码盘、存贮器、通讯接口、操作键盘等部件构成。在完成上电自检后，本卫星钟自动接收来自天线的GPS信号，对信号进行跟踪、锁定，提取出日期、时间及三维位置等信息，转换为ASCII码，在字符显示器上连续实时显示高精度的时间和地理位置信息；同时，还根据用户设置的时间间隔，自动输出定时时标，为长图记录仪提供打印时号。另外，还输出串行数据到重力数字记录系统，对其系统时钟进行校正，从而使重力数字记录系统与协调世界时同步。
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，改变了传统重力数据记录系统时间精度低、需要人工手动对时的工作方式。
②全天候、连续实时提供高精度的时间及地理位置信息，能同时满足重力模拟记录与数字记录方式的要求。
③由本卫星钟的RS-232通讯接口输出的时间信息，可经由串行通讯电缆输入到重力数字记录系统，对其系统时钟进行校正，使之与协调世界时精确同步。
④本卫星钟所具有的高精度的定位能力、操作简便的特点，可对野外流动重力测量提供很大的方便。
⑤本卫星钟所具备的同时显示格林尼治日期、时间和北京时间的能力，有利于重力观测。
⑥本卫星钟还具有自动输出定时时标的能力，用户可通过拨码盘设定时间间隔，输出相应的整点信号，为长图模拟记录提供打印时号或用于其它设备的自控定时。
⑦本卫星钟还提供TTL电平的精度优于1微秒的秒脉冲信号，应用于精密授时的场合。
⑧本卫星钟的RS-232通讯接口输出NMEA-0183通信标准格式的串行数据，内容包涵了纬度、经度、高度、速度、方向、日期、时间、卫星状况等众多信息，可广泛应用于多种场合。
⑨本卫星钟具有较低的功耗，除使用220V交流电压外，还可采用电池和直流电源，易于与各种设备配接，有利于野外重力测量。
⑩使用本卫星钟无须对原有的重力记录系统进行改动，具有推广应用价值。
下面结合附图作进一步说明。
图1为本卫星钟外形结构示意图；图2为本卫星钟外形结构后面板示意图；图3为本卫星钟组成方框图；图4为本卫星钟组成电路图(1)；图5为本卫星钟组成电路图(2)。
其中1-天线；2-GPS-OEM板；3-控制处理器；4-并行接口；5-拨码盘；6-继电器；7-长图记录仪；8-驱动器；9-存贮器；10-监控器；11-电源指示；12-秒指示；13-失锁指示；14-复位键；15-选择键；16-重力数字记录系统；17-对比度调节；18-背景光开关；19-字符显示器；20-机壳；21-支架；22-机脚；23-天线插座；24-秒输出；25-RS-232通讯接口；26-保险丝；27-电源插座；28-电源开关。
由图1可知，在机壳20的前面板上安装有字符显示器19、复位键14、选择键15、对比度调节17、背景光开关18、电源指示11、秒指示12、失锁指示13。
由图2可知，在机壳20的后面板上安装有天线插座23、秒输出24、RS-232通讯接口25、保险丝26、电源插座27、电源开关28、拨码盘5。
由图3可知，本卫星钟的电路板安装在机壳20内。天线1与GPS-OEM板2的输入端相连；拨码盘5与并行接口4的输入端相连；并行接口4的输出端、GPS-OEM板2的输出端、监控器10、存贮器9、选择键15、复位键14分别与控制处理器3的输入端相连；控制处理器3的输出端分别与继电器6的输入端、RS-232通讯接口25的输入端、字符显示器19相连；继电器6的输出端与长图记录仪7相连，RS-232通讯接口25的输出端与重力数字记录系统16相连，GPS-OEM板2的另一输出端与驱动器8的输入端相连，驱动器8的输出端与秒输出24相连。
在完成上电自检后，GPS-OEM板2自动接收来自天线1的L1波段的GPS信号，经过前置放大、窄带滤波、频率合成，通过高速A/D转换，分成8个并行通道，实现对GPS信号的跟踪、锁定，以二进制的格式、9600baud的波特率输出串行数据。控制处理器3一方面将获得的日期、时间及三维位置等信息提取出来，转换为ASCII码，以字符的方式在字符显示器19上加以显示，连续实时提供高精度的时间及地理位置信息；同时，还根据用户通过拨码盘5所设置的时间间隔，自动输出定时时标，为长图记录仪7提供打印时号或用于其它设备的自控定时。另一方面，还通过RS-232通讯接口25输出串行数据到重力数字记录系统16，通过中断功能调用，对其系统时钟进行校正，从而使重力数字记录系统16与协调世界时同步。
由图4、图5可知，采用的控制处理器3为8032，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。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地址总线与数据总线分时复用的问题。
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K、电容C11、电阻R10、R11构成自动上电及手动复位电路，使本卫星钟从0000H地址单元开始执行监控程序。
选择键15经由电阻R5、R7及74LS00与非门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，在字符显示器19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，北京时间以及测定的经度、纬度和高度。
存贮器9分为程序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27256中，控制处理器3的内部数据存贮器存放中间结果数据。74LS138地址译码器对地址线A13-A15进行译码，它的输出Y2-Y4分别作为并行接口4、存贮器9、字符显示器19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。
8255可编程双向并行接口4的A口作为拨码盘5的数据输入口，将采集到的拨码盘的当前状态数据提供给控制处理器3，根据拨码盘5所确定的时间间隔，由控制处理器3的P10脚输出相应的整点信号，经电阻R8、R9和三极管N4、N1构成的复合管作为电子开关驱动继电器6，为长图记录仪7提供打印时号或用于其它设备的自控定时。其中，电阻R8与三极管N4的基极相连，三极管N4的发射极与三极管N1的基极相连，三极管N4的集电极与三极管N1的集电极和继电器REL1线圈绕组的一端相连，继电器REL1线圈绕组的另一端与电阻R9、二极管D1构成的电源相连。二极管D1防止反相过冲电流，为继电器6的线圈绕组提供保护。
字符显示器19的8位并行数据总线直接与系统数据总线联接；来自地址译码器74LS138输出的Y2与控制处理器3的读RD和写WR控制信号一道，产生字符显示器19的片选E；地址锁存器74LS373的输出地址A0、A1则作为指令/数据寄存器选择和读/写选择的控制信号。作为对比度调节17的电位器和电阻R16对供电电压VCC分压后，提供给VD脚，用以调节字符显示器19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LED1，将5V直流电压转换为100V左右的1000Hz的交变电压，提供给字符显示器19，使它能在弱光或黑暗的条件下使用。
GPS-OEM板2输出的秒脉冲分为两路，一路经三极管N2、电阻R1、R12构成的放大器反相后，通过LM555和电阻R4、电容C5、C7构成的单稳态电路，输出到作为秒指示11的绿色LED，指示秒脉冲的到来；另一路则通过三极管N3与电阻R13构成的射极跟随器经由秒输出24提供给用户TTL电平的精度优于1微秒的秒信号。
当锁定卫星少于3颗，本卫星钟处于失锁状态时，控制处理器3的P12脚发出脉冲信号，经74LS00与非门输出到作为失锁指示13的黄色LED，使其闪烁；与之同时，字符显示器19闪烁显示“正在跟踪...”的提示信息；失锁时，本卫星钟会自动切换到内部时钟，继续保持时间显示及秒信号的输出。
由于控制处理器3输出的串行数据是0-5V的TTL电平，而重力数字记录系统16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，由控制处理器3的串行口输出端与其输入端相连，串行收发器的输出端与RS-232通讯接口25相连，实现本卫星钟与重力数字记录系统16的异步串行通讯。
为提高抗干扰能力，本卫星钟还采用了作为监控器10的MAX690，其WRI脚与控制处理器3的P11脚相联，每隔1.6秒被触发一次，随时查询控制处理器3的软件执行的正确性，一旦发现程序在外界强干扰下产生运行混乱，马上由其RES脚发出50毫秒的复位脉冲，对控制处理器实施强制“复位”，使程序从头开始执行，这样就避免了“死机”现象的发生。另外，监控器10通过VOUT脚对GPS-OEM板2供电。正常时，VOUT与供电电压VCC相连；一旦电源故障，VOUT将自动切换到与VBAT相连，将备用电池B1接入，维持对GPS-OEM板2供电。
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并行接口4、字符显示器19以及控制处理器3串行端口的工作方式，中断方式以及给堆栈、数据存贮单元和标志单元预置初值等。在判断并接收到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，转换为ASCII码；将协调世界时转化为北京时，分别存储到相应的数据单元，并通过RS-232通讯接口25输出串行数据。同时，读取拨码盘5当前所设定的状态，根据它所确定的时间间隔，由继电器6输出相应的整点信号；查询本卫星钟处于失锁状态与否，若失锁，则使失锁指示13闪烁，并由字符显示器19上显示提示信息；读取标志单元中的当前页号，装入并显示相应的页内容。然后，重又返回上述过程。只有当选择键15发出中断请求时，控制处理器3才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15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15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19的显示缓冲区，显示格林尼治时间、日期或北京时间以及测定的经度、纬度和高度。在开中断、恢复现场后，执行RETI指令，中断返回到主程序。
权利要求
1.一种用于重力数据记录的高精度GPS卫星钟，其特征在于本卫星钟由下列部件组成，其连接关系是天线(1)与GPS-OEM板(2)的输入端相连；拨码盘(5)与并行接口(4)的输入端相连；并行接口(4)的输出端、GPS-OEM板(2)的输出端、监控器(10)、存贮器(9)、选择键(15)、复位键(14)分别与控制处理器(3)的输入端相连；控制处理器(3)的输出端分别与继电器(6)的输入端、RS-232通讯接口(25)的输入端、字符显示器(19)相连；GPS-OEM板(2)的另一输出端与驱动器(8)的输入端相连；驱动器(8)的输出端与秒输出(24)相连。
2.按权利要求1所述的一种用于重力数据记录的高精度GPS卫星钟，其特征在于继电器(6)与长图记录仪(7)的输入端相连。
3.按权利要求1所述的一种用于重力数据记录的高精度GPS卫星钟，其特征在于RS-232通讯接口(25)的输出端与重力数字记录系统(16)的输入端相连。
4.按权利要求1所述的一种用于重力数据记录的高精度GPS卫星钟，其特征在于继电器(6)中的电阻R8与三极管N4的基极相连，三极管N4的发射极与三极管N1的基极相连，三极管N4的集电极与三极管N1的集电极和继电器REL1线圈绕组的一端相连，继电器REL1线圈绕组的另一端与电阻R9、二极管D1构成的电源相连。
5.按权利要求1所述的一种用于重力数据记录的高精度GPS卫星钟，其特征在于控制处理器(3)的串行口输出端与串行收发器的输入端相连，串行收发器的输出端与RS-232通讯接口(25)相连。
全文摘要
本发明涉及一种用于重力数据记录系统的GPS卫星钟，可广泛应用于测量、地震、勘探及其它部门。它由接收天线、GPS－OEM板、控制处理器、驱动器、字符显示器、并行接口、拨码盘、存贮器、通讯接口、操作键盘等部件组成。本发明集定位、授时于一体，具有结构简单、精度高、实时、功耗低等特点，可以实现远程时间的精确同步，同时满足重力模拟记录与数字记录方式的要求，尤其适用于现场连续自动测量及无人台站测量。
文档编号G01V7/04GK1316654SQ01106619
公开日2001年10月10日 申请日期2001年4月12日 优先权日2001年4月12日
发明者周百力 申请人:中国科学院测量与地球物理研究所