一种时钟同步电路和海底地震仪的制作方法

本实用新型实施例涉及勘测仪器领域，尤其涉及一种时钟同步电路和海底地震仪。

背景技术：

海底地震仪(OBS)是一种放置在海底，可以直接接收人工或天然地震信号的记录仪器，与常规地震数据相比，海底地震仪记录的数据具有多种优势，例如，海底地震仪布设于海底，其数据记录不易受水体噪音及抖动影响，因此具有更高的信噪比。此外，海底地震仪还提供了宽方位的观测系统，有利于复杂覆盖层(如盐丘)之下地层的成像及对与角度相关的反射率进行分析。海底地震仪的数据处理主要涉及到地震波的到达时间，对时间的准确度要求非常高，所以海底地震仪数据记录系统的时间准确性非常重要。现有的海底地震仪的各个模块均采用独立时钟晶振，从而容易导致海底地震仪各个模块间时间紊乱，使得海底地震仪数据记录的时间准确性不高。

技术实现要素：

本实用新型提供一种时钟同步电路和海底地震仪，以提高海底地震仪的时间精确度。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种时钟同步电路，包括：

主时钟电路、至少一个地震数据采集电路、微处理器控制电路和至少两个分频电路；

至少两个分频电路包括第一分频电路和第二分频电路；

所述主时钟电路用于产生主时钟信号；

所述第一分频电路与所述主时钟电路连接，用于对所述主时钟信号进行分频处理得到地震数据采集时钟信号；

所述地震数据采集电路与所述第一分频电路连接，用于获取所述地震数据采集时钟信号；

所述第二分频电路与所述主时钟电路连接，用于对所述主时钟信号进行分频处理得到实时时钟信号；

所述微处理器控制电路与所述第二分频电路连接，用于获取所述实时时钟信号。

可选的，所述第二分频电路直接与所述主时钟电路连接，或者所述第二分频电路通过所述第一分频电路与所述主时钟电路连接。

可选的，所述至少两个分频电路还包括第三分频电路；

所述第三分频电路与所述主时钟电路连接，用于对所述主时钟信号进行分频处理得到秒脉冲信号；

所述微处理器控制电路与所述第三分频电路连接，用于获取所述秒脉冲信号。

可选的，所述第三分频电路直接与所述主时钟电路连接，或者所述第三分频电路通过所述第一分频电路和/或所述第二分频电路与所述主时钟电路连接。

可选的，所述微处理器控制电路与所述地震数据采集电路连接，用于获取地震数据并对所述地震数据进行处理。

可选的，所述时钟同步电路还包括GPS模块，所述GPS模块与所述微处理器控制电路连接，用于向所述微处理器控制电路提供标准秒脉冲信号和世界时钟信号。

可选的，所述时钟同步电路还包括电源，所述电源分别与所述主时钟电路、所述地震数据采集电路、所述微处理器控制电路、所述分频电路和所述GPS模块电连接，用于分别向所述主时钟电路、所述地震数据采集电路、所述微处理器控制电路、所述分频电路和所述GPS模块供电。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种海底地震仪，包括第一方面所述的任一时钟同步电路。

本实用新型实施例通过使用一个主时钟电路，利用至少两个分频电路对主时钟信号进行分频处理获取地震数据采集时钟信号以及实时时钟信号，使得各个模块的时钟信号一致，解决了现有技术中海底地震仪的各个模块使用独立时钟晶振造成的模块间时间紊乱的问题，实现了具有高时间精确度的海底地震仪。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种时钟同步电路的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的另一种时钟同步电路的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的又一种时钟同步电路的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种时钟同步方法的流程示意图；

图5为本实用新型实施例提供的另一种时钟同步方法的流程示意图；

图6为本实用新型实施例提供的又一种时钟同步方法的流程示意图；

图7为本实用新型实施例提供的一种时钟同步方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

图1为本实用新型实施例提供的一种时钟同步电路的结构示意图，如图1所示，本实用新型实施例提供的时钟同步电路包括：主时钟电路11、至少一个地震数据采集电路12、微处理器控制电路13和至少两个分频电路14；至少两个分频电路14包括第一分频电路141和第二分频电路142；主时钟电路11用于产生主时钟信号；第一分频电路141与主时钟电路11连接，用于对主时钟信号进行分频处理得到地震数据采集时钟信号；地震数据采集电路12与第一分频电路141连接，用于获取地震数据采集时钟信号；第二分频电路142与主时钟电路11连接，用于对主时钟信号进行分频处理得到实时时钟信号；微处理器控制电路13与第二分频电路142连接，用于获取实时时钟信号。

本实用新型实施例的技术方案通过使用一个主时钟电路11，利用至少两个分频电路14对主时钟信号进行分频处理获取地震数据采集时钟信号以及实时时钟信号，地震数据采集电路12与微处理器控制电路13的时钟信号来自于同一个主时钟电路11，解决了现有技术中海底地震仪的各个模块使用独立时钟晶振造成的模块间时间紊乱的问题，实现了具有高时间精确度的海底地震仪。

可选的，至少两个分频电路14还包括第三分频电路143；第三分频电路143与主时钟电路11连接，用于对主时钟信号进行分频处理得到秒脉冲信号；微处理器控制电路13与第三分频电路143连接，用于获取秒脉冲信号。

可选的，第二分频电路142直接与主时钟电路11连接，或者如图1所示，第二分频电路142通过第一分频电路141与主时钟电路11连接。

可选的，第三分频电路143直接与主时钟电路连接，或者第三分频电路143通过第一分频电路141和/或第二分频电路142与主时钟电路11连接，本领域技术人员能够通过修改分频电路的参数而采用不同的连接方式，从而对分频电路与主时钟电路的连接方式进行变化和调整而不脱离本实用新型的保护范围。

可选的，第二分频电路142独立设置(如图1所示)，或者集成在微处理器控制电路13中。示例性的，图2为本实用新型实施例提供的另一种时钟同步电路的结构示意图，如图2所示，第二分频电路142集成在微处理器控制电路13内部，微处理器控制电路13通过第一分频电路141与主时钟电路11连接，并通过内部的第二分频电路142对主时钟信号进行分频处理获取实时时钟信号，将第二分频电路142集成在微处理器控制电路13内部有利于减小时钟同步电路的体积。

可选的，微处理器控制电路13与地震数据采集电路12连接，用于获取地震数据并对地震数据进行处理。

继续参考图1所示，可选的，本实用新型实施例提供的时钟同步电路还包括GPS模块15，GPS模块15与微处理器控制电路13连接，用于向微处理器控制电路13提供标准秒脉冲信号(Pulse Per Second，PPS)和世界时钟信号(UTC)，微处理器控制电路13还用于各个时钟的管理与计算。

继续参考图1所示，可选的，本实用新型实施例提供的时钟同步电路还包括电源16，电源16分别与主时钟电路11、地震数据采集电路12、微处理器控制电路13、分频电路14和GPS模块15电连接，用于分别向主时钟电路11、地震数据采集电路12、微处理器控制电路13、分频电路14和GPS模块15供电。

示例性的，图3为本实用新型实施例提供的又一种时钟同步电路的结构示意图，如图3所示，主时钟电路11采用16.384Mhz的高精度温度补偿型石英晶体谐振器TCXO(Temperature Compensate X'tal(crystal)Oscillator，TCXO)，用于提供主时钟信号。本实用新型实施例提供的时钟同步电路包括四个分频电路，分别为第一分频电路141、第二分频电路142、第三分频电路143和第四分频电路144，本实用新型实施例提供的时钟同步电路还包括两个地震数据采集电路(ADC)12，分别为第一地震数据采集电路121和第二地震数据采集电路122，其中，第一分频电路141与主时钟电路11连接，用于对主时钟信号进行分频处理得到地震数据采集时钟信号；第一地震数据采集电路121与第一分频电路141连接，用于获取第一地震数据采集电路121所需的地震数据采集时钟信号；第四分频电路144与第一分频电路141以及第二地震数据采集电路122连接，用于获取第二地震数据采集电路122所需的地震数据采集时钟信号；第二分频电路142与第四分频电路144连接，用于获取实时时钟信号，其中，实时时钟信号传输给海底地震仪的实时时钟，实时时钟用于设置海底地震仪的系统时间；第三分频电路143与第二分频电路142连接，用于获取秒脉冲信号；微处理器控制电路13与第二分频电路142以及第三分频电路143连接，用于获取实时时钟信号和秒脉冲信号，微处理器控制电路13与第一地震数据采集电路121以及第二地震数据采集电路122连接，用于获取地震数据并对地震数据进行处理。可选的，第一分频电路141采用10分频电路，用于产生第一地震数据采集电路121所需的1.6384Mhz的地震数据采集时钟信号；第四分频电路144采用2分频电路，用于产生第二地震数据采集电路122所需的0.8192Mhz的地震数据采集时钟信号；第二分频电路142采用25分频电路，用于产生32.768Khz的实时时钟信号；第三分频电路143采用32768分频电路，用于产生秒脉冲信号。GPS模块15与微处理器控制电路13连接，用于向微处理器控制电路13提供标准秒脉冲信号(Pulse Per Second，PPS)和世界时钟信号(UTC)，微处理器控制电路13还用于各个时钟的管理与计算，从而使得海底地震仪的系统时间与GPS模块提供标准秒脉冲信号和世界时钟信号进行校对同步，实现了海底地震仪的系统时间与世界标准时间的微秒级同步。

本实用新型实施例的技术方案通过使用一个主时钟电路11，利用至少两个分频电路14对主时钟信号进行分频处理获取地震数据采集时钟信号以及实时时钟信号，地震数据采集电路12与微处理器控制电路13的时钟信号来自于同一个主时钟电路11，解决了现有技术中海底地震仪的各个模块使用独立时钟晶振造成的模块间时间紊乱的问题，实现了多通道地震数据微秒级同步，使海底地震仪时间系统更加准确，确保了地震数据的有效性，而且避免多个晶振的使用，降低了海底地震仪的功耗。本实用新型实施例的技术方案还采用GPS模块提供标准秒脉冲信号和世界时钟信号，海底地震仪通过与GPS模块提供标准秒脉冲信号和世界时钟信号进行校对同步，实现了海底地震仪与世界标准时间的微秒级同步，使得海底地震仪的地震数据和其他台站的地震数据能够做对比分析，确保了同一投放批次的不同海底地震仪台站之间能够更准确的进行数据分析。

基于同样的实用新型构思，本实用新型实施例还提供了一种时钟同步方法，用于上述实施例提供的任一时钟同步电路，与上述实施例相同或相应的结构以及术语的解释在此不再赘述，图4为本实用新型实施例提供的一种时钟同步方法的流程示意图，如图4所示，该方法包括如下步骤：

步骤110、地震数据采集电路通过第一分频电路对主时钟信号进行分频获取地震数据采集时钟信号。

步骤120、微处理器控制电路通过第二分频电路对主时钟信号进行分频获取实时时钟信号。

本实施例提供的技术方案中，步骤210和步骤220之间没有先后顺序要求，本领域技术人员能够对上述先后顺序进行变换而并不离开本实用新型的保护范围。

本实用新型实施例的技术方案采用分频的方法对主时钟信号进行分频获取地震数据采集时钟信号和实时时钟信号，解决了现有技术中海底地震仪的各个模块使用独立时钟晶振造成的模块间时间紊乱的问题，使得海底地震仪具有较高的时间精确度。

图5为本实用新型实施例提供的另一种时钟同步方法的流程示意图，如图5所示，可选的，本实用新型实施例提供的时钟同步方法可以包括：

步骤210、地震数据采集电路通过第一分频电路对主时钟信号进行分频获取地震数据采集时钟信号。

步骤220、微处理器控制电路通过第二分频电路对主时钟信号进行分频获取实时时钟信号。

步骤230、微处理器控制电路通过第三分频电路对主时钟信号进行分频获取秒脉冲信号。

时钟同步电路还包括GPS模块15，GPS模块15与微处理器控制电路13连接，继续参考图4所示，可选的，本实用新型实施例提供的时钟同步方法还包括：

步骤240、所述微处理器控制电路根据所述GPS模块提供的世界时间信号对所述实时时钟信号进行第一次时间同步操作，所述第一次时间同步操作精确到秒级别。

步骤250、所述微处理器控制电路根据所述GPS模块提供的标准秒脉冲信号对所述实时时钟信号进行第二次时间同步操作，所述第二次时间同步操作精确到1毫秒内。

本实施例提供的技术方案中，步骤210、步骤220和步骤230之间没有先后顺序要求，本领域技术人员能够对上述先后顺序进行变换而并不离开本实用新型的保护范围。

图6为本实用新型实施例提供的又一种时钟同步方法的流程示意图，本实用新型实施例在上一实施例提供的技术方案的基础上，对步骤250进行了进一步细化，与上述实施例相同或相应的术语的解释在此不再赘述。

可选的，所述微处理器控制电路根据所述GPS模块提供的标准秒脉冲信号对所述实时时钟信号进行第二次时间同步操作，所述第二次时间同步操作精确到1毫秒内，包括：

所述微处理器控制电路根据所述标准秒脉冲信号的第一下降沿到来时刻获取第一实时时钟信号，所述第一实时时钟信号精确到微秒级别。

所述微处理器控制电路根据所述标准秒脉冲信号的第二下降沿到来时刻获取第二实时时钟信号，所述第二实时时钟信号精确到微秒级别；所述第一下降沿和所述第二下降沿为所述标准秒脉冲信号中相邻的两个标准秒脉冲信号下降沿。

根据所述第二实时时钟信号和所述第一实时时钟信号的时间差值判断所述标准秒脉冲信号是否为连续脉冲信号，并在所述标准秒脉冲信号为连续脉冲信号时计算秒脉冲信号与所述标准秒脉冲信号之间的脉冲误差。

将所述脉冲误差添加入所述实时时钟信号中。

可选的，所述微处理器控制电路根据所述GPS模块提供的世界时间信号对所述实时时钟信号进行第一次时间同步操作，所述第一次时间同步操作精确到秒级别之前还包括：

所述微处理器控制电路多次获取所述GPS模块提供的标准秒脉冲信号和世界时间信号；

根据多次获取的所述标准秒脉冲信号和世界时间信号均为正确信号确定所述GPS模块稳定。

基于上述细化和追加，如图6所示，本实用新型实施例提供的时钟同步方法，可以包括如下步骤：

步骤401、地震数据采集电路通过第一分频电路对主时钟信号进行分频获取地震数据采集时钟信号。

步骤402、微处理器控制电路通过第二分频电路对主时钟信号进行分频获取实时时钟信号。

步骤403、微处理器控制电路通过第三分频电路对主时钟信号进行分频获取秒脉冲信号。

步骤404、所述微处理器控制电路多次获取所述GPS模块提供的标准秒脉冲信号和世界时间信号。

步骤405、根据多次获取的所述标准秒脉冲信号和世界时间信号均为正确信号确定所述GPS模块稳定。

步骤406、所述微处理器控制电路根据所述GPS模块提供的世界时间信号对所述实时时钟信号进行第一次时间同步操作，所述第一次时间同步操作精确到秒级别。

步骤407、所述微处理器控制电路根据所述标准秒脉冲信号的第一下降沿到来时刻获取第一实时时钟信号，所述第一实时时钟信号精确到微秒级别。

步骤408、所述微处理器控制电路根据所述标准秒脉冲信号的第二下降沿到来时刻获取第二实时时钟信号，所述第二实时时钟信号精确到微秒级别；所述第一下降沿和所述第二下降沿为所述标准秒脉冲信号中相邻的两个标准秒脉冲信号下降沿。

其中，可选的，微处理器控制电路也可以根据标准秒脉冲信号的上升沿获取第一实时时钟信号和第二实时时钟信号，本实用新型对此不做限定。

步骤409、根据所述第二实时时钟信号和所述第一实时时钟信号的时间差值判断所述标准秒脉冲信号是否为连续脉冲信号，并在所述标准秒脉冲信号为连续脉冲信号时计算秒脉冲信号与所述标准秒脉冲信号之间的脉冲误差。

步骤410、将所述脉冲误差添加入所述实时时钟信号中。

示例性的，图7为本实用新型实施例提供的一种时钟同步方法的流程图，参考图7所示，首先，启动GPS模块。其中，在开启海底地震仪并确保微处理器控制电路(MCU)正常工作之后，打开GPS模块电源，启动GPS模块，等待GPS模块获取正确的标准秒脉冲信号(Pulse Per Second，PPS)和世界时钟信号(UTC)。

然后，微处理器控制电路多次获取GPS模块提供的标准秒脉冲信号和世界时间信号并根据多次获取的标准秒脉冲信号和世界时间信号均为正确信号确定GPS模块稳定。其中，GPS模块提供的串口信息中有包含信号是否正确的标识符，微处理器控制电路通过判别该标识符来确认GPS模块提供的标准秒脉冲信号和世界时间信号是否是正确的，微处理器控制电路获取10次以上正确的标准秒脉冲信号和世界时间信号，以保证GPS模块稳定。

微处理器控制电路根据GPS模块提供的世界时间信号对实时时钟信号进行第一次时间同步操作，第一次时间同步操作精确到秒级别。其中，利用GPS模块输出的串口信息包含的年月日时分秒等时间信息对实时时钟信号进行同步，从而完成精确度为秒级别的时间同步。

微处理器控制电路根据标准秒脉冲信号的第一下降沿到来时刻获取第一实时时钟信号，第一实时时钟信号精确到微秒级别。其中，微处理器控制电路判断标准秒脉冲信号的第一下降沿是否到来，当微处理器控制电路捕获到标准秒脉冲信号的第一下降沿，则读取此时刻的第一实时时钟信号，将第一实时时钟信号精确到微秒级别并保存。

微处理器控制电路根据标准秒脉冲信号的第二下降沿到来时刻获取第二实时时钟信号，第二实时时钟信号精确到微秒级别；第一下降沿和第二下降沿为标准秒脉冲信号中相邻的两个标准秒脉冲信号下降沿。其中，在获取第一实时时钟信号之后，微处理器控制电路等待下一标准秒脉冲信号的下降沿到来，下一标准秒脉冲信号的下降沿即为标准秒脉冲信号的第二下降沿，当微处理器控制电路捕获到标准秒脉冲信号的第二下降沿，则获取此时刻的第二实时时钟信号，将第二实时时钟信号精确到微秒级别并保存。

根据第二实时时钟信号和第一实时时钟信号的时间差值判断标准秒脉冲信号是否为连续脉冲信号，并在标准秒脉冲信号为连续脉冲信号时计算秒脉冲信号与标准秒脉冲信号之间的脉冲误差。其中，如果值相差一秒说明这个两次的PPS间隔是连续的。微处理器控制电路将第二实时时钟信号和第一实时时钟信号的时间作差，判断差值是否为一秒，若微处理器控制电路判断第二实时时钟信号和第一实时时钟信号的时间差值是一秒，则判定标准秒脉冲信号为连续脉冲信号，否则，标准秒脉冲信号不是连续脉冲信号，此时需要重新根据标准秒脉冲信号的第一下降沿到来时刻获取第一实时时钟信号。若标准秒脉冲信号为连续脉冲信号，此时秒脉冲信号与标准秒脉冲信号秒精度以下的误差或毫秒级以下的误差就是海底地震仪系统时间和世界标准时间的实际误差，通过计数器计算出计算秒脉冲信号与标准秒脉冲信号之间的脉冲误差。

将脉冲误差添加入实时时钟信号中。其中，将脉冲误差个数增加到实时时钟(RTC)中的脉冲计数器中，从而消除实时时钟信号的时间与标准秒脉冲信号之间的误差，从而完成实时时钟信号的时间与世界标准时间毫秒级以下的时间同步，完成时间同步之后关闭GPS模块，降低能耗。

本实用新型实施例的技术方案采用分频的方法对主时钟信号进行分频获取地震数据采集时钟信号和实时时钟信号，解决了现有技术中海底地震仪的各个模块使用独立时钟晶振造成的模块间时间紊乱的问题，使得海底地震仪具有较高的时间精确度和较低的功耗，并确保了地震数据的有效性。本实用新型实施例的技术方案还通过将实时时钟信号和秒脉冲信号与GPS模块提供标准秒脉冲信号和世界时钟信号进行校对同步，实现了海底地震仪的系统时间与世界标准时间的微秒级同步，最高能实现海底地震仪的系统时间与世界标准时间的时间误差在30us以内，保证达到误差在1ms内精准同步的设计要求，使得海底地震仪的地震数据和其他台站的地震数据能够做对比分析，确保了同一投放批次的不同海底地震仪台站之间能够更准确的进行数据分析。

基于同样的实用新型构思，本实用新型实施例还提供了一种海底地震仪，包括上述实施例提供的任一时钟同步电路，与上述实施例相同或相应的结构以及术语的解释在此不再赘述。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。