时间准确地执行测量或控制动作及同步多个这样的动作

摘要

本发明涉及一种用于特别时间准确地执行测量或控制动作的方法和一种所属的控制装置(7)。接收机(9)凭借时间基准信号(Z)产生时间上周期性的同步信号(S，S’)，利用由时钟发生器(14)产生的开关频率(F)将该同步信号(S，S’)划分到若干开关间隔(I

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于执行测量或控制动作的方法及一种用于实施这种方法的控制装置。本发明还涉及用于同步多个测量和/或控制动作的方法。

背景技术

测量装置提取数据并进行存储或进行传输，这一过程就称为测量动作。而作为控制动作则更一般性地指在其过程中使技术设备进行如运动、电开关过程等的过程。

这样的测量或控制动作通常包括各个电路过程的级连，这些电路过程例如是开关工作电压，激活或去激活测量通道，读入和读出存储器寄存器，进行数据传输等等。

触发或引起技术设备(尤其是测量设备)的测量或控制动作的装置，被称为控制装置。

当两个动作的运行由同一时间标度确定时，则同步表示两个动作。因此在上述定义的意义下两个同步动作不必是同时运行的。确切地说，重要的是在第一动作的每个时刻和第二动作的每个时刻之间的边界清晰且可确定的时间相关性。

实践中常常要求的是在特定的确切的预先给定的时刻执行动作，或者至少确切地知道执行该动作的时刻。该要求首先是针对当多个空间距离相隔很远地设置的设备需要在时间上密切配合工作时的情况。这类应用的例子是地震仪的测量方法。

在这样的方法中，通常利用多个空间分布的振动传感器来接收地下传播的震荡波或冲击波。经过比较由不同传感器接收的震动模式，可以定位震源的位置(例如地震检测)，或者通过产生人工震动来获得关于地层结构的推断(地震仪的地层研究)。这样的研究方法的结论可信度完全依赖于各个传感器的震动模式相互之间的时间相关的精确性。为此需要使由不同传感器执行的测量动作最高程度地同步进行。

对测量动作的同步的类似要求还针对声学测量方法(回声探测法等)和机械结构的震动特性的检验。

通常，用时钟来触发测量或控制动作，即在一个特点的时刻触发。如果通过相互独立的时钟来触发不同的过程，则由于时钟的不精确性而造成时间的差别使得这些动作只能有限地同步。通过GPS信号或无线电时钟信号校准时钟，可以改善同步性。

时间的不精确性以及与此相关的同步性损失还会通过以下原因引起，即测量或控制动作在任何情况下都不是时间上的点状过程，而是由于多个要进行的开关过程而占用一定的时间段。因此实际的测量或控制至少不是直接在在发出触发命令后进行的，而是在过后的仅与触发时刻相对不精确地时间相关的时刻进行的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种方法，它能够用简单的方式，在时间上特别精确地执行测量或控制动作。尤其是还提供了适合于实现这种方法的控制设备。本发明要解决的技术问题还在于提供了一种用于特别精确地同步两个测量和控制动作的方法。

本发明的关于执行测量或控制动作的方法的技术问题通过权利要求1的特征解决。本发明的关于所属的控制设备的技术问题通过权利要求7的特征解决。

为此设置了接收机，用于接收时间基准信号并借助该时间基准信号产生时间上周期性的同步信号。作为时间基准信号可以引入任何信号，从该信号中可推导时间标度。该信号可以人为设定的原点，尤其是GPS信号或无线电时钟信号。但还可以将天然信号用作时间基准信号。例如可以想象在宇宙空间应用本发明的方法时，将脉冲星的有规律的脉动无线电波撞击作为时间基准信号。控制设备还包括时钟发生器，用于产生开关频率。

现在，将同步信号和开关频率在脉冲分配器中相关联，使得同步信号的周期被划分为多个开关间隔。通过这些开关间隔为对测量或控制动作的运行控制提供时钟。这意味着对寄存的开关命令序列逐间隔地进行处理，从而使每个开关间隔对应于一个开关命令，该命令被输出给执行动作的设备，并由此在开关间隔的时刻触发动作的相应关过程。开关命令还尤其可以是空命令，空命令不会显式地触发开关过程，从而可以在对应的开关间隔的持续时间内保持状态。

根据本发明，从外部时间基准获得的同步信号在划分为开关间隔后，直接用于对测量或控制动作的运行控制，由此达到非常高的时间分辨率。这种方法和从属的控制设备的决定性优点是：对每个动作的开关过程都通过在时间基准的精度范围内分配开关间隔而与确切的时刻相对应。因此，测量或控制的时刻以及全部运行都可以最高的精确度来确定。

优选接收机是GPS接收机，它可在世界范围内接收GPS信号。这种接收机的各种变形都是可商业获得的。在此将PPS(puls pro sekunde)信号作为同步信号是合适的，通常按照标准，GPS接收机具有约为+/-60nsec的精度。

为了提高同步信号的精度，优选利用校正值对同步信号进行连续校正。这样的校正值通常包含关于同步信号的瞬时时间误差的信息。该误差首先是由于时间基准信号或同步信号的最终运行时间引起(由于最终的传导长度等)，及由于绕射效应、反射效应或回波效应引起。

按照标准，GPS接收机常常给出适当的校正信息，由该校正信息可以得到一个这样校正值(PFST值)。PPS信号和PFST值都在NMEA协议标准(国家海军电子协会)中有所描述。很多市售GPS接收机采用NMEA协议用于数据输出。通过用PFST值校正PPS信号可使PPS信号的精度约提高到+/-10Psec。

就时间-精度的关系来说，优选用石英振荡器作为时钟发生器，特别是采用时间偏差在Δt/t≤10psec/sec的开关频率。

为了可以将控制设备和利用其实施的方法灵活地用于多个不同的测量和控制动作，优选可存储编程地预先给定存储在控制设备中的控制命令序列，并由此与各种需求进行匹配。

关于本发明的同步多个测量和/或控制动作的方法的技术问题通过权利要求5的特征解决。

这样，对每个要同步的动作都借助前述的方法执行。这样以共同的时间基准信号为基础来执行每个动作对于同步动作是足够的。例如，如果要借助本发明的执行方法或所属的控制设备在不同的地点触发多个测量，当所有接收机都从GPS信号中获得其时间基准信号时，则这些测量能够自动同步。

附图说明

下面，对照附图对本发明的实施例作进一步说明。其中

图1示意性示出具有多个测量站的地震测量装置，

图2示意性示出包括一个控制设备和一个测量设备的图1中的测量站，以及

图3示出图2中控制设备的简化功能图。

各图中，对相同的部分和参数用相同的附图标记表示。

具体实施方式

图1示意性示出地震测量装置。该装置包括多个测量站1，它们在空间上分布在测量区域2上。每个测量站1通过数据传输线3同中央单元4连通，该数据传输线3可以是数据导线或无线传输段。中央单元4对由每个测量站1采集的测量数据进行收集和分析。

每个测量站1都从时间基准源5得到时间基准信号Z。时间基准源5是多个GPS卫星的系统。由于GPS信号在世界范围内都能接收，因此测量站1可以分布在地球表面的任何地方。

图1示意性示出震动中心6，从震动中心6发出震动波W或地震波在地层中传播。震动中心6例如是地震的震中、爆炸发生的地点等等。每个测量站1记录震动波W引起的局部震动模式，并将其传送到中心单元4。经过对各地震动模式的分析，可以借助震动波W的传播时间差确定震动中心6的地理位置。为了避免对震动中心6的错误估计，必须对由测量站1测定的局部震动模式用最高的精度在时间上进行相互校正。

图2用方块图示意性示出每个测量站1的结构。测量站1包括控制设备7和测量设备8。控制设备7负责测量的流程控制。而实际的测量、即测量数据的收集则由测量设备8执行。测量设备8是模拟/数字转换器或类似的测量设备。一般地，即抛开所描述的实施例，可以代之以测量设备8而将任何技术设备，尤其是开关、传动装置、阀门等等连接到控制设备7上。

控制设备7包括：接收机9，它适于接收作为时间基准信号Z的GPS信号。接收机9输出所谓的PPS(puls pro sekunde)信号，它作为同步信号S被传至校正单元10。PPS信号包括精度约为60nsec的秒脉冲。接收机9还输出电文T至计算单元11。电文T是数据的综合体，除其它外它首先包含关于接收机9的地理位置、绝对地理时间，及PFST值等的信息。PFST值包含关于在哪些时间段内由于GPS卫星的轨道偏离或其它干扰效应(如气候，飞机或导线长度的遮盖作用)而使到达接收机9的PPS信号的秒脉冲失真的信息。

PFST值作为校正值K被输入移位寄存器12中。移位寄存器12根据校正值K来确定一个时间可变的延迟时间V，根据该延迟时间将同步信号S在校正单元10中进行延迟。校正单元输出经该延迟时间V校正的同步信号S′，它的秒脉冲具有的精确度为+/-10psec。该校正后的同步脉冲S′被输送给脉冲分配器13。

此外还将由作为时钟发生器的石英振荡器产生的开关频率F输入脉冲分配器13。开关频率F的时间偏差通过选择合适精确度的石英振荡器而固定在Δt/t≤10psec/sec。

在脉冲分配器13中，也如图3中的功能图所示，将同步信号S′借助开关频率F而划分为若干形状相同的开关间隔I_n(n＝1，2，3…)。开关频率F在石英振荡器的典型的MHZ频率范围内，因此开关间隔I_n的数目在106至108每秒之间。

利用开关间隔I_n的顺序，对存储在存储模块15中的开关命令C_n(n＝1，2，3…)的序列逐间隔地进行处理。一种这样的开关命令C_n的频率例如可以如下方式编码：

…

“-”

“激活测量通道1”

“-”

“接通运行电压”

“-”

“-”

“-”

“-”

“-”

“将测量值读入到寄存器”

“-”

“断开运行电压”

“-”

“-”

“从寄存器中读出测量值”

“-”

…

上述示例命令序列被图形地转换为图3的功能图。每条开关命令C_n都以适当的控制信号P₁至P₅的形式通过相应的控制输入端E₁至E₄输送到测量设备8并在那里触发测量设备8的相应开关过程。

由此，相应于在开关间隔I₂中的开关命令“激活测量通道1”，在控制输入端E₁给出控制信号P₁，并由此激活测量设备8的相应测量通道。

以同样的方法，通过在开关间隔I₄中接通控制输入端E₂，借助控制信号P₂接通运行电压，并在开关间隔I₁₂中通过控制信号P₄再次断开。为了加载和读出测量设备8的存储寄存器在开关间隔I₁₀中相应地把控制信号P₃加到控制输入端E₃上，以及在开关间隔I₁₅中把控制信号P₅加到控制输入端E₄上。开关命令“-”是空命令，空命令不会引起测量设备8的直接响应。因此空命令只是用来跨接开关间歇以及用于对其它开关过程进行时间准确的定位。

由此如从图3得知的，对每个开关命令C_n，以及由此对于每个测量或控制动作的开关过程都分配一个开关间隔I_n。开关间隔I_n的开始可用同步脉冲S′的精度加上每个同步脉冲S′周期的开关频率F的精度来确定。由此在一个测量或控制动作中测量设备8的每个开关过程的时刻可用+/-20psec的精度来确定。

尤其是对图1描述的测量装置中的每个测量站1都配备了有相同精度的控制设备7，并且所有的测量站1都访问相同的时间基准信号Z，由此测量站1的各个测量都以+/-20psec的精度来同步。

存储在存储模块15中的开关命令C_n的序列是任意可编程的。因此控制设备7可以简单地与多个测量和控制动作以及与多个要被控制的设备相匹配。