专利名称：一种地震数据采集的时间系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种利用压控温补晶体设计的高精度时间服务系统，可应用于与天然地震数据采集、油气勘测相关等领域。
背景技术：
在地震数据采集过程中，时间的精确性至关重要。因此，在地震数据采集系统中一般采取高精度的晶体振荡器来提供基准频率信号，同时定时接收GPS信号，二者协同工作来提供高精度的时间服务。然而，即使是很高精度的晶体振荡器，由于晶体本身固有的频率-温度特性，使得晶振的频率随着温度变化而变化，经过一段时间的积累就会产生较大 误差。由于地震仪器存在低功耗方面的要求，不可能一直打开GPS，需要在采集过程中周期性的打开GPS进行对时，调整采样过程，控制复杂且采集数据的时间精度也不高，而且在数据回收之后还需要对采集数据再次做钟差校正。目前已广泛应用于通信领域的压控温补晶体振荡器使得我们可以在地震数据采集过程中改善环境温度对晶振频率的影响，利用压控的方式使得我们可以针对不同温度调整晶体频率达到更高的时间精度。一般做法是，利用一个温度传感器检测晶体附近的温度，将这个温度值作为晶体的输入压控值，将晶体输出频率与GPS做比较，根据比较结果再来调整压控值从而提高晶体输出频率的准确性。由于制造工艺的限制，每一个晶体的温度-频率关系并不是严格一致的，所以压控曲线也有所不同，上述的这种调整过程在每一次温度变化的过程中都是必须的，是一种试错型的调整，调整时间过长，时间精度因而也会受到影响。
发明内容为了克服上述对时过程的盲目性，本实用新型发明采用压控温补晶体(TCXO)和单片机编程结合一些外围电路，为地震采集系统设计了一种高精度的时间服务电路来解决这一问题。本发明包括一个压控晶体振荡器用来产生基准震荡信号，一套分频芯片提供该系统所需的相应频率，一个温度传感器测量晶体附近温度，一个基准电源提供参考电压，一个数模转换器输出控制压控晶体频率，一个已被编程的单片机。图I为本发明的原理框图，如图中虚线框里所示，单片机(MCU)是控制核心，晶振的输出到了两个地方，一个是采集主机使用的主频，一个提供给单片机用来测量与GPS之间的钟差，根据这个钟差并且结合温度传感器检测到的晶体附近的温度，计算出相应的压控值输出给晶振，用来调节晶振的频率，在各个不同温度点下的调整形成一个温度、频率的关系表，在不同的环境温度时优先利用表中给出的压控值，随着使用时间的增加频率-温度曲线越来越完善，精度越来越高。考虑到地震数据采集系统对稳定性要求很高的特点，在单片机里增加了对采集主机运行监测的一个看门狗，当采集主机不能按时主动喂狗时则认为其已经跑飞，时间系统将重启采集主机确保稳定性。此外，还增加了一个电流、电压的监测电路，用来测量电路参数提供给采集主机作参考，采集主机与时间系统之间通过UART来通信，主机可以进行晶振与GPS时间同步、开启/关闭GPS、读取参数等操作。
图I是本发明的原理框图图2是各功能模块图图3是系统工作流程图
具体实施方式
结合各功能模块图(图2)和系统工作流程图(图3)，下面对本实用新型作进一步详细描述。 图2为各功能模块示意图。控制核心的MCU为单片机，可采用Philips公司的P89LPC900系列单片机，它内部提供的EEPROM可以用来存储f_t即频率-温度关系表，掉电也不会丢失。晶体振荡器(TCXO)的输出频率为32MHz，除了直接提供给采集主机使用外，它还接入分频器，从分频器分出一个秒号以及一个延迟IOOms的秒号，用来与GPS秒号进行钟差测量，人为设置一个门，让两个秒号先后通过，通过高速计数器测量这两个秒号间的差值即得到所谓的钟差值，根据这个钟差值设定相应压控值，压控值经过D/A转换输入到晶振中来调节晶振的输出频率。流压测量电路接在整个采集系统的电源入端，用来测量整个仪器工作时的电流、电压，远程传输后可以起到一个监测系统工作状态的作用。采集主机需要在运行过程中读取GPS的状态，读取电路参数以及温度参数等，另外为了调试方便还加入了调试串口，这样串口电路里还需要一个门来进行控制切换。看门狗电路接到了采集主机的RESET管脚。结合图3说明本实用新型的工作流程。仪器开始工作加电后，首先进行初始化操作，比如装载已有的f_t关系表以及压控初值，清中断、设置相应的寄存器等初始化操作，其中压控初值通过大量实验得出。温度间隔从-30度到70度，每度一个压控值，在每个特定温度点上的压控值利用线性插值得到。初始化完成之后开始测量晶体附近温度，然后根据f_t表进行插值得到相应的压控值输出调节晶振，经过一段时间后重复测量晶振秒号与GPS秒号之间的钟差，当钟差低于设定阈值则调整结束，继续测温/压控/测钟差这一过程；当钟差高于设定阈值则需要按步进的方式再次调整压控值，测量钟差，重复测温/调整压控/测量这一过程直到钟差低于设定阈值，当采集系统运行的时间足够长，经历的温度变化范围稳定之后，亦即系统的学习时间足够长之后，f-t表会足够准确，特定温度点在f_t表中插值得到的压控值将具有相当高的精度。经过长时间的实验表明(一年)，采用这个时间服务方案的地震数据采集系统，时间服务能够一直达到很高的一个精度(几十个微秒内)。此外，在这个过程中需要周期性检测采集主机是否按时进行了喂狗操作，如果间断喂狗操作超时，单片机将控制采集主机重启，同时利用串口中断，单片机必须响应采集主机的操作请求，与采集主机进行通信并且完成相应控制，为确保通信质量通信过程中加入了 CRC校验。本实用新型中的单片机程序用c语言编写，编译环境为keil uvision20
权利要求1.ー种为地震数据采集系统开发的高精度时间服务系统，其特征在于，包括一个用来产生基准振荡信号的压控温补晶体振荡器，ー套提供系统所需相应频率的分频芯片，ー个测量晶体附近温度的温度传感器，一个用来输出控制压控晶体频率的数模转换器，ー个已被编程的单片机，所述单片机是控制核心，分别与温度传感器、数模转换器、GPS、分频器相连接，所述数模转换器、压控温补晶体振荡器、分频器、单片机依顺序环形连接。
2.根据权利I所述的高精度时间服务系统，其特征在于包括ー个已被编程的单片机，该单片机是具有可编程特征的并且支持EEPROM存储的单片机。
3.根据权利I所述的高精度时间服务系统，其特征在于为采集主机増加了看门狗、串ロ控制以及流压测量电路。
专利摘要一种为地震数据采集系统设计的高精度时间服务系统。包括一个压控晶体振荡器用来产生基准震荡信号，一套分频芯片提供该系统所需的相应频率，一个温度传感器测量晶体附近温度，一个基准电源提供参考电压，一个数模转换器输出控制压控晶体频率，一个已被编程的单片机。本实用新型通过利用单片机来测量不同温度下晶体振荡信号与GPS信号之间的钟差来建立温度修正表，通过查表对晶体频率进行调节从而为采集系统提供高精度的时间服务，宽温范围内输出高精度基准震荡信号，并且随着晶体自学习的完善，精度会越来越高，这个时间系统和采集主系统的通信通过串口来完成。
文档编号G01V1/22GK202614950SQ201220086050
公开日2012年12月19日 申请日期2012年3月9日 优先权日2012年3月9日
发明者许卫卫, 倪大来, 李保祥 申请人:中国科学院地质与地球物理研究所