JP3714891B2 - センサ信号とｇｐｓ時刻との同時記録装置及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＧＰＳ（Global Positioning System）受信機を利用して、絶対時刻に正確に同期した現在時刻情報を自動生成し、センサ信号とＧＰＳ時刻とを同時記録するようにしたセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、国内各地に地震波の揺れの大きさを測定するため地震計が設置されてきたが、設置された地点の揺れの激しさを測定することを主目標としていたため、地震計に付属した計時装置（タイマー）の精度が問題となることはなかった。
また、長大橋や超高層ビルを建設し管理する場合、建設前の設計段階では計算機上でシミュレーション処理により強度計算等を繰返し実行しても、建築後、実際の振動特性は十分シミュレーションされて設計されているとして、実測されてこなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、地震計の計測精度が向上し、海外で実施された核実験等の微弱な地震波も検出できるようになると、海外の計測データとの比較研究を行ったり、地球内部の広範囲の地殻構造を解析するため、全国各地に散在している地震計の計測データを相互に比較して研究することが必要になって来た。その一方で、原子時計等は非常に高価であると共に維持管理が大変であり、放送局の時報電波を利用した時刻補正では１０ｍｓｅｃ以内に時刻精度を高めることが非常に困難であるという問題点があった。
また、長大橋の完成後、列車等の通過にともなう橋の振動の動特性を測定しようとすると５００ｍ等の所定の間隔で数十箇所に振動センサを設置しなければらならないが、これらのセンサの出力は微弱であり、数１００ｍ乃至数Ｋｍもケーブルで伝送できないという問題点があった。
更に、超高層ビル等では、低層階と高層階とでは、強風や地震に対する揺れが大きく異なり、ビル全体の振動を計測して、ビル構造固有の共振特性を演算する場合、建物内部に数十個所、センサを設置すると共に各フロアの間をケーブルで接続して振動データを収集することは、建物完成後は非常に煩しい作業であり、かかる作業や計測方法の改善が強く望まれていた。
この発明は上述のような問題点を解決するためになされたもので、この発明の目的は、ＧＰＳ受信機を小型携帯できる構造で提供すると共に、低消費電力モードで作動させ、必要な時間帯に最小の消費電力で絶対時刻に同期した現在時刻情報を外部に出力する時刻出力装置及び時刻記録装置を提供し、かくして、センサデータを記録する場合、従来必要であった電源ケーブルや信号ケーブルの敷設作業が不要となり、広範囲の記録地点で機動的に信号の同時計測が実現でき、高層ビル等の振動の動特性解析が容易となるセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録装置及び方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明は、少なくとも１つのセンサからのセンサ信号を獲得し、記録するためのセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録装置に関し、この発明の上記目的は、
前記記録装置が、イ）ＧＰＳ時刻出力装置、ロ）記憶手段、ハ）記録パラメータの入力手段、及び、ニ）前記センサ信号及びＧＰＳ時刻を記録する記録計を具え、
前記ＧＰＳ時刻出力装置は、ＧＰＳ時刻に同期した時刻信号を生成し、管理し、出力するため、ＧＰＳ時刻発生装置と、記憶手段と、当該時刻出力装置作動パラメータの組を選択して所定の時刻信号を生成し外部に出力するための処理手段とを具え、
前記ＧＰＳ時刻発生装置が、ＧＰＳ受信信号から時刻データ及び絶対時刻に同期したクロックパルスを抽出するＧＰＳ受信機と、所定の精度の周波数でパルス信号を発生する発振器と、前記ＧＰＳ受信機で得られる最新の時刻データを現在時刻として格納する記憶手段と、前記発振器で得られるパルス信号をカウントするカウンタと、このカウンタのカウント値を前記発振器の周波数で割り、その結果に前記記憶手段に格納された現在時刻を加算してリセット後の時刻を求める演算手段と、この演算手段及び前記ＧＰＳ受信機に結合され、前記ＧＰＳ受信機で得られるクロックパルスが、所定の期間内に入っていることを確認して前記カウンタをリセットするカウンタリセット手段とを具え、
前記ＧＰＳ時刻発生装置の計測時刻を、前記ＧＰＳ受信機の絶対時刻に同期させると共に、前記カウンタの精度が、所定の精度の範囲内に収まるように、前記発振器の周波数精度に応じてＧＰＳ時刻補正を行うようになっており、前記時刻出力装置作動パラメータの選択されたパラメータに応答して、所定のデジタル時刻信号を、前記ＧＰＳ絶対時刻に同期して外部に出力し、
前記センサ信号と、前記外部に出力されるデジタル時刻信号とを、前記絶対時刻に応答して、前記記録パラメータに従って、前記記録計に、同時に記録することによって達成される。
この発明は、時刻信号を生成し、管理し、出力するための自律型時刻出力装置にも関し、この発明の上記目的は、ＧＰＳ時刻発生装置と、第１固体メモリと、前記自律型時刻出力装置に設けられており、時刻出力装置作動パラメータのメニューを提供する複数のオペレーティングプログラムを前記第１固体メモリに電子的にダウンロードするための入力手段と、前記時刻発生装置作動パラメータの前記メニューから時刻出力装置作動パラメータの組を選択して所定の時刻信号を生成し外部に出力するための処理手段とを具えることによって達成される。
また、この発明は、少なくとも１つのセンサからのセンサ信号を獲得し、処理し、時刻データと共に記憶するための自律型時刻記録装置（ＡＴＲ）にも関し、この発明の上記目的は、ＧＰＳ時刻発生装置と、第１固体メモリと、前記ＡＴＲに設けられており、記録装置作動パラメータのメニューを提供する複数のオペレーティングプログラムを前記ＡＴＲの前記第１固体メモリに電子的にダウンロードするための入力手段と、前記ＡＴＲに設けられており、前記時刻発生装置の絶対時間に応答して、前記オペレーティングプログラムが提供する記録装置作動パラメータの前記メニューから記録装置作動パラメータの組を選択して前記センサ信号を獲得し処理するようにするための処理手段と、前記処理手段からの獲得され処理されたセンサデータを時刻データと共に記憶するための第２固体メモリとを設けることによっても達成される。
更に、この発明は、時刻出力方法にも関し、この発明の上記目的は、ＧＰＳ時刻発生工程と、前記ＧＰＳ時刻を入力して時刻精度を管理すると共に、常駐したオペレーティングプログラムが提供する時刻出力装置作動パラメータのメニューから１組の時刻出力装置作動パラメータに従って所定の期間、絶対時刻データを外部に出力する工程とを設けることによっても達成される。
更にまた、この発明は、時刻記録装置によってセンサ信号を獲得し、処理し、記憶し、統合処理するための時刻記録方法にも関し、この発明の上記目的は、ＧＰＳ時刻発生工程と、前記ＧＰＳ時刻を入力して時刻精度を管理すると共に、常駐したオペレーティングプログラムが提供する記録装置作動パラメータのメニューから１組の記録装置作動パラメータを選択して待機する工程と、前記選択された１組の記録装置作動パラメータに従って当該時刻記録装置に電子的に結合された少なくとも１つのセンサにより発生されるセンサ信号を空間位置及び絶対時刻と共に獲得し処理する工程と、当該時刻記録装置に記録されたセンサ信号を外部に転送／伝達する工程とを設けることによっても達成される。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。
図１はこの発明の時刻出力装置及び／又は時刻記録装置のハードウェア構成の一例を示すもので、ＧＰＳ時刻発生部１０では、先ず、ＧＰＳアンテナ１２で受信されたＧＰＳ信号がＧＰＳ受信機１６に送られる。このＧＰＳ受信機１６は受信したＧＰＳ信号から測位データＰＤを検出し制御部２へ出力すると共に、その測位データ中に含まれている絶対時刻に基づく時刻データＴＤだけを抽出することができ、更に絶対時刻に同期したクロックパルス（以下、ＣＰパルスと呼ぶ）を再生し、制御部２等へ出力する。これらの測位データＰＤ、時刻データＴＤ及びＣＰパルスは制御部２内の時刻管理部４０へ送出されると共に、マイクロプロセッサ（以下、ＭＰＵと呼ぶ）等で構成されたＯＳ部６０にも送られる。
また、ＧＰＳ時刻発生部１０には、温度補償付水晶発振器２０、カウンタ２２及びゲート回路２４も設けられ、アンド回路で構成されたカウンタリセット手段１８によりカウンタ２２はＣＰパルスに同期した所定のタイミングでリセットされるようになっている。尚、ＣＰパルス及び発振器２０の精度は、通常、１ｐｐｍ以上のものが好ましい。
一方、カウンタ２２は発振器２０の出力信号をカウントするカウンタとして動作すると共に、制御部２からの設定条件によりタイマとしても動作可能となっており、例えば制御部２の設定条件でゲート回路２４により１、２、５、１０、２０、５０、１００、２００、５００、１０００ミリ秒の外部トリガ信号を適当に選択して出力できるような構成のものが好ましい。そして、計時用カウンタ２２は発振器２０の出力信号をもとに設定された周波数のクロックを計数して制御部２にパラレル出力するようになっている。
更に、カウンタ２２に結合されたゲート回路２４は制御部２内の同期制御部５０の指令により種々のタイミングのパルス信号をＣＰパルスに同期させて出力することが可能であり、所定のタイミングでの外部機器へのトリガ信号ＴＲＩＧの生成や、時刻出力信号の同期信号ＴＳＹＮＣを生成すると共に、外部のセンサ出力を入力するＡ／Ｄ変換手段４５のサンプリングクロックも生成するようになっている。しかして、ＧＰＳ受信機１６及び発振器２０には電源切換手段１４ａ及び１４ｂがそれぞれ結合され、ＯＳ（オペレーティングシステム）部６０から出力される制御信号ＰＧ１及びＰＧ２により、それぞれ所定のタイミングで供給電源がＯＮ−ＯＦＦ制御されるようになっている。
更に、制御部２には電池３０で常時バックアップされたリアルタイムクロック（ＲＴＣ）３２から精度５ｐｐｍ前後の粗い時刻信号が入力され、ＲＴＣ３２はスリープ状態やスタンバイ状態での計時処理を実行するようになっている。かくして制御部２に入力された各精度の時刻情報は時刻管理部４０で同期がとられて絶対時刻をベースに記憶管理され、外部のデジタル信号ＤＩ１〜ＤＩＮのエッジ立上がり、立下がり変化が状態変化検出部４４で検出されると、これらの状態変化時刻が時刻データ入力部４２により時刻管理部４０から読出されて第２記憶手段４６に記憶されるようになっている。更にまた、外部のセンサ信号ＡＩ１〜ＡＩＸはＡ／Ｄ変換手段４５を介して所定のタイミングでデジタル化され、絶対時刻データと共に第２記憶手段４６に格納されるようになっている。
一方、絶対時刻データを外部に出力する場合には、ＯＳ部６０から時刻データ入力部４２に時刻データの読出指令が出力され、時刻管理部４０から読出された絶対時刻がシリアルデータ変換部４８によりシリアルデータに変換され、このデータの前後にスタートビット及びストップビットが付加されて、ＤＯ部５２を介して信号ＴＣＯＤＥとして外部に出力されるようになっている。また、信号ＴＣＯＤＥの同期信号ＴＳＹＮＣも同期制御部５０及びゲート回路２４を介してＣＰパルスに同期したタイミングで外部に出力されるようになっている。
更にまた、制御部２の内部には実行プログラム及びデータを記憶するためのフラッシュメモリ等で構成された第１記憶手段７０が設けられており、管理情報７０ａや書換可能な実行プログラム群７２ａ〜７２ｎ及び固定プログラム７２Ｍ等が記憶できるようになっている。そして、記憶手段７０の電源は電源切換手段１４ｃにより読出し及び書込タイミングでのみ制御信号ＰＧ３に基づいて印加されると共に、通信制御部８０内のパラレルＩＦ（インタフェース）部８２又はシリアルＩＦ部８４を介して外部の図示しないホストコンピュータから書込データが転送されるようになっている。かくして、第１記憶手段７０に書込まれた実行プログラムは電源投入直後、記憶手段７０からＲＡＭ６２ａ，６２ｂ等に読出され、実行されると共に、制御部２には液晶パネル、プラズマパネル等の表示手段３４及び操作キースイッチ、テンキー等で構成されたデータ入力手段３６も結合され、通常のマン・マシンインタフェース操作を表示手段３４のメッセージを見ながら実行できるようになっている。尚、表示手段３４の消費電力は大きいのでその電源は電源切換手段１４ｄにより制御信号ＰＧ４に基づいてＯＮ−ＯＦＦ制御できるようになっている。
【０００６】
このような構成において、この発明の時刻出力装置１００ａ，１００ｂの動作を図２及び図３を参照して説明する。
図２は既設の地震計１１０ａ，１１０ｂ等にＧＰＳ衛星１に連動したこの発明の時刻出力装置１００ａ，１００ｂ等を並設し、記録計１１２ａ，１１２ｂ等のサブチャンネルに時刻出力装置１００ａ，１００ｂ等から出力される時刻コードＴＣＯＤＥ及び／又は同期信号ＴＳＹＮＣを同時入力し、記録紙１１４ａ，１１４ｂ等にセンサ信号と共に同時記録するようにしたものである。
先ず、ＧＰＳシステムではＧＰＳ受信機１６で生成されるＣＰパルスは絶対時刻に同期して再生されており、通常は、１秒間隔で再生出力されている。また、時刻データＴＤも正常な状態では１秒毎に更新されるようになっている。しかしながら、ＧＰＳアンテナ１２に障害があったり、衛星受信状態が急変した場合、必ずしも毎秒毎に、確実にＣＰパルスを所定の間隔で再生できるとは限らない。
そこで、この発明のＧＰＳ時刻発生部１０と時刻管理部４０とは連動して、以下の処理により時刻データＴＤを更新し、現在時刻及び時刻補正データを求めると共に、カウンタ２２を同期リセットして、精度１ｐｐｍ前後の高精度時刻管理を実行する。
先ず、図３（Ａ）の時点ｔ１においてＲＴＣ３２から制御部２のスリープ状態を解除する起動パルスが出力されると、制御部２内のＯＳ部６０等によりＧＰＳ電源及び発振器２０の電源制御信号ＰＧ１及びＰＧ２がＯＮ出力され、電源切換手段１４ａ、１４ｂを介して供給される。すると、ＧＰＳ受信機１６からＣＰパルスが所定の間隔で出力されるので、時刻管理部４０によりＣＰパルスの間隔を発振器２０に連動したカウンタ２２の出力と比較してチェックする。
しかして、所定の間隔（例えば１秒間隔）でＣＰパルスが出力されていることが確認できると、次のＣＰパルス受信時刻が予め予測できるので、その前後の所定の期間（例えば１０μｓｅｃ）だけカウンタ２２のリセット制御信号ＸＧをアクティブ状態とし、このリセット期間内にＣＰパルスが到着した場合にはカウンタ２２をリセットする。そして、このカウンタ２２のリセットが確認できると、計測中の絶対時刻を前回受信したＴＤデータに基づいて更新すると共に、カウンタ２２の時刻補正データ（ＴＤデータ）を記憶手段４６等に書込む。他方、制御信号ＸＧの上記リセット期間中にＣＰパルスが到達しない場合には、再度ＣＰパルスの間隔チェックから上記処理を繰返し、カウンタ２２がリセットできる迄上記リセット処理を繰返す。
かくして、カウンタ２２のリセットが例えば、時点ｔ３において終了すると、ＧＰＳ受信機１６の電源はＯＦＦされ、時刻出力開始時刻ｔ１０の直前の時点ｔ５迄のスリープ期間がゲート回路２４に設定され、時点ｔ４から時点ｔ５迄制御部２の最大消費電力源である図示しないＭＰＵ（マイクロプロセッサ）もスリープ状態となる。但し、時刻管理部４０やＲＡＭ６２はこのスリープ状態では電源を供給しておき、ＭＰＵに起動がかかった時点で即座に動作できる状態に維持しておく。かかる節電制御を細かく実行することにより、電池３０の寿命を大幅に延ばすことが可能となる。
次に、図３（Ｄ）の時点ｔ５において、ゲート回路２４からＭＰＵの起動割込が発生すると、再びＭＰＵが立上がり、通常、時刻出力開始時点ｔ１０の直前の所定のタイミング（例えば１００ｍｓｅｃ前）で、時刻管理部４０から現在の絶対時刻を読出し、この時刻情報の中の１０分の桁情報と１分の桁情報を抽出すると、時刻データ入力部４２により＋１処理をして時点ｔ１０での正常な分情報を生成し、この分情報をシリアルデータ変換部４８により１０分の桁のシリアルデータと、１分の桁のシリアルデータに変換し、先頭及び最後にスタートビット及びストップビットを付加してデジタル出力部５２へ格納する。
かくして信号ＴＣＯＤＥの出力準備が終ると、同期制御部５０に時刻出力開始時点ｔ１０が書込まれ、ＣＰパルスに同期した同期信号ＴＳＹＮＣ及び信号ＴＣＯＤＥが記録計１１２ａ又は１１２ｂに所定のタイミングで出力されるようになっている。この様子を図３（Ｅ）乃至（Ｈ）に示す。図３（Ｇ）及び（Ｈ）は図３（Ｅ）及び（Ｆ）の時間軸を拡大したもので、図３（Ｇ）では各分データの００秒のタイミングで信号ＴＣＯＤＥが出力されると共に、同期信号ＴＳＹＮＣは５００ｍｓｅｃ単位で反転出力するようになっている。尚、上述の説明では時刻信号ＴＣＯＤＥは分情報のみを出力するようにしたが、年、月、日、時間情報を付加して出力することは当業者には容易である。
また、１５分乃至数時間経過すると、発振器２０のクロックが絶対時刻に対してずれて来て誤差が大きくなるので、例えば、１５分毎にＧＰＳ受信機１６を立上げ、カウンタ２２のリセット処理を上述と同様にして繰返すと良い。また、上述の説明では記録計として紙出力の記録計の説明をしたが、データレコーダ等磁気テープや大容量計算機メモリ等、センサ及び時刻信号ＴＣＯＤＥが記録できるものであれば、記録媒体の種類は何であっても良い。
【０００７】
図２に対応させて示す図４は、この発明の別の一実施例を示すものであり、長大橋２００に所定の距離間隔で振動センサ２１０ａ〜２１０ｋを分散して設置すると共に、この発明の時刻記録装置１００ａ〜１００ｋも振動センサに並設してそれぞれ配置し、列車２０２を所定の時刻に走行させて長大橋２００の振動特性を計測するようにしたものである。
図４の振動計測システムでは、先ず、図示しないパソコン等によりこの発明の時刻記録装置１００ａ〜１００ｋに振動計測の開始時刻、終了時刻、サンプリングレート、振動計センサの電源投入／遮断時刻を予め記録パラメータとして書込んでおく。尚、この記録パラメータの設定は表示手段３４及び入力手段３６を利用してマニアル操作で行なっても良い。
かくして記録パラメータの設定が終了すると、振動センサ２１０ａ〜２１０ｋ及び時刻記録装置１００ａ〜１００ｋを所定の距離間隔でそれぞれ分散配置し、列車２０２の通過時刻迄待機する。
しかして、図５（Ａ）の時点ｔ１において、時刻記録装置１００ａ〜１００ｋ内のＲＴＣ３２から制御部２のスリープ状態を解除する起動パルスが出力されると、ＯＳ部６０が立上がり、ＧＰＳ電源及び発振器２０の電源が制御信号ＰＧ１及びＰＧ２に基づいて供給される。すると、ＧＰＳ受信機１６からＣＰパルスが所定の時間間隔で出力されると共に、時刻記録装置１００ａ〜１００ｋの現在位置データＰＤも出力されるので、現在位置データＰＤを入力して記憶手段４６に書込む。
次に、ＣＰパルスが所定の時間間隔で出力されていることが確認できると、次のＣＰパルス受信時刻が予め予測できるので、その前後の所定の期間（例えば１０μｓｅｃ）だけ、カウンタ２２のリセット制御信号ＸＧをアクティブ状態とし、このリセット期間内にＣＰパルスが到着した場合には、カウンタ２２がリセットされると共に、計測中の絶対時刻を前回受信したＴＤデータに基づいて次式のように更新する。
【数１】
リセットされた現在時刻（秒）＝ＧＰＳ受信時間データ（秒）＋１．０
【数２】
リセット後の時刻＝数１のリセットされた現在時刻（秒）＋カウンタ２２のカウンタ値（Ｎ）／カウンタ周波数（Ｈｚ）
尚、カウンタ周波数は発振器２０の発振周波数であり、発振周波数１ＭＨｚとすると、時間分解能は１μｓｅｃとなる。かくして、図５（ｃ）の時点ｔ３において、現在位置計測及び時刻補正処理が終了すると、ＧＰＳ受信機１６の電源はＯＦＦされ、図５（Ｆ）の記録開始時刻ｔ１０の前の時点ｔ４〜ｔ５間のスリープ期間がゲート回路２４に設定され、この期間、各時刻記録装置１００ａ〜１００ｋのＭＰＵも全てスリープ状態となる。次に、列車２０２が橋２００にさしかかる直前の時刻ｔ５になると、各ゲート回路２４から各ＭＰＵの起動割込がそれぞれ独立に発生し、振動センサ２１０ａ〜２１０ｋへの電源を供給すると共に、ＡＤ変換入力の準備をする。（図５の時点ｔ６，ｔ７）。続いて、列車２０２が橋２００に侵入する図５（Ｆ）の時点ｔ１０から、時刻記録装置１００ａ〜１００ｋは振動センサ２１０ａ〜２１０ｋの出力のＡＤ変換を開始し、記録終了時点ｔ４０迄所定のサンプリング間隔で順次センサ出力をＡＤ変換し、記憶手段４６に書込む。
かくして、センサ２１０ａ〜２１０ｋの計測が終了すると、発振器２０の電源がＯＦＦされ、続いて、ＭＰＵの電源もＯＦＦされる（図５（Ｂ）の時点ｔ４４）。この後、振動センサ２１０ａ〜２１０ｋ及び時刻記録装置１００ａ〜１００ｋを回収すると共に、各時刻記録装置１００ｉの記憶手段４６ｉからセンサデータを読出せば、数十Ｋｍの範囲の振動データを時間精度及び位置精度良く収集できるので、長大橋等の動特性解析を精度良く演算することができる。上述のような振動データ収集工程では、電源ケーブルや信号ケーブルを長距離に渡って敷設する必要がなく、また、センサ電源やデータ記憶装置の電源を、必要最小限の範囲でＯＮ−ＯＦＦ制御でき、機動的かつ、低消費電力のデータ収集作業を数十Ｋｍの広範囲で同時に精度良く実行できる。
【０００８】
図２及び図４に対応させて示す図６は、この発明のまた別の一実施例を示すものであり、高層ビル３１０に所定の空間間隔で振動センサ２１０ａ〜２１０ｐを時刻記録装置１００ａ〜１００ｐと共に並設してそれぞれ分散配置し、時刻出力装置１００ｘに結合された起動機３００の振動を記録し、高層ビル３１０の振動特性を解析するようにしたものである。かかる計測は高層ビルの防振対策、制振対策を行う場合、必須の作業であるが、従来は、完成後のビル内で、かかる計測を行うことはケーブル敷設の面で大変煩しい作業であった。図６の振動計測システムでは、予め図示しないパソコン等により、この発明の時刻記録装置１００ａ〜１００ｐに、振動計測の開始時刻、終了時刻、サンプリングレート、振動センサの電源投入／遮断時刻等を記録パラメータとして書込み、その後、所定の場所にそれぞれ設置する。また、起振機３００に結合するこの発明の時刻出力装置１００ｘにも、予め図示しないパソコン等により振動開始時刻、振動間隔、総振動回数等の起振パラメータを書込み、その後、起振機３００と結合する。
かくして、時刻出力パラメータ／時刻記録パラメータの設定が終了すると、起振開始時刻迄時刻記録装置１００ａ〜１００ｐ及び１００ｘはＲＴＣ３２ａ〜ＲＴＣ３２ｘだけアクティブ状態とし、他の電源は全てＯＦＦする。
しかして、図７（Ａ）の時点ｔ１ｘにおいて、ＲＴＣ３２ｘから時刻出力装置１００ｘの制御部２ｘのスリープ状態を解除する起動パルスが出力されると、ＯＳ部６０ｘが立上がり、ＧＰＳ電源及び発振器２０ｘの電源が制御信号ＰＧ１及びＰＧ２に基づいて供給される。すると、ＧＰＳ受信機１６ｘから受信したＣＰパルスが出力されると共に、時刻出力装置１００ｘの現在位置データＰＤｘも出力されるので、この現在位置データＰＤｘを入力して記憶手段４６ｘに書込む。また、ＣＰパルスが所定の時間間隔で出力されていることが確認できたならば、次のＣＰパルス受信時刻を予め予測し、その前後の所定の期間（例えば５μｓｅｃ）だけ、カウンタ２２ｘのリセット制御信号ＸＧｘをアクティブ状態とし、予測したＣＰパルスの立下がりのタイミングでカウンタ２２ｘをリセットし、時刻補正処理を実行する。かくして、図７（ｃ）の時点ｔ３ｘにおいて、現在位置計測及び時刻補正処理が終了すると、ＧＰＳ受信機１６ｘの電源はＯＦＦされ、起動開始時刻ｔ１０ｘの直前の時点ｔ５ｘ迄、時刻出力装置１００ｘのＭＰＵはスリープ状態となる。
一方、図７（Ｆ）の時点ｔ１ａ〜ｔ１ｐにおいて、それぞれ分散配置された時刻記録装置１００ａ〜１００ｐの内部でも、ＲＴＣ３２ａ〜ＲＴＣ３２ｐからそれぞれ制御部２ａ〜２ｐのスリープ状態を解除する起動パルスが出力されると、ＯＳ部６０ａ〜６０ｐが立上がり、ＧＰＳ電源及び発振器２０の電源がそれぞれ供給され、各時刻記録装置の現在位置データＰＤａ〜ＰＤｐの入力及び時刻補正処理が時刻出力装置１００ｘと平行に同様に実行され、その後、ＧＰＳ受信機１６ａ〜１６ｐの電源はＯＦＦされ、記録開始時刻ｔ１０ａ〜ｔ１０ｐの直前の時点ｔ５ａ〜ｔ５ｐ迄、各ＭＰＵはスリープ状態となる。
次に、記録開始直前の時刻ｔ５ａ〜ｔ５ｐになると、ゲート回路２４ａ〜２４ｐからそれぞれＭＰＵの起動割込が発生し、振動センサ２１０ａ〜２１０ｐへ電源を供給すると共に、ＡＤ変換入力の準備を行う（図７（Ｇ）（Ｊ）の時点ｔ６ａ，ｔ７ａ等）。また、時刻出力装置１００ｘでも、時点ｔ５ｘでゲート回路２４ｘからＭＰＵの起動割込が発生し、起振機３００へのトリガ出力待ちとなる。かくして、図７（Ｅ）の時点ｔ１０ｘになると、時刻出力装置１００ｘから起振機３００へトリガパルスが出力され、地面にハンマ３０２等が落とされ、その振動が高層ビル３１０へ伝播していく。一方、高層ビル３１０に分散配置された時刻記録装置１００ａ〜１００ｐでは、図７（Ｋ）の時点ｔ１０ａ〜ｔ１０ｐから時点ｔ１５ａ〜ｔ１５ｐ迄それそれ指定されたサンプリング時間間隔で順次振動センサ２１０ａ〜２１０ｐの出力をＡＤ変換し、記憶手段４６ａ〜４６ｐに書込む。
同様にして、図７（Ｅ）の時点ｔ２０ｘ，…，ｔ３０ｘにおいて、時刻出力装置１００ｘから起振指令が順次出力され、その振動が高層ビル３１０内に分散配置された振動センサ２１０ａ〜２１０ｐにより検出され、それぞれ、時刻記録装置１００ａ〜１００ｐに記憶される。かくして、振動センサ２１０ａ〜２１０ｐの計測が終了すると、発振器２０ａ〜２０ｐの電源がそれぞれＯＦＦされ（図７（Ｉ）の時点ｔ５０ａ）、続いて、ＭＰＵの電源もＯＦＦされる（図７（Ｇ）の時点ｔ５２ａ）。この後、時刻記録装置１００ａ〜１００ｐを回収すると共に、各時刻記録装置１００ｉの記憶手段４６ｉからセンサデータを読出せば、時間精度／空間精度の良いデータを読出せるので、高層ビルの振動特性を精度良く解析することができる。
尚、上述のような振動データ収集工程では、電源ケーブルや信号ケーブルを長距離に渡って敷設する必要がなく、また、センサ電源やデータ記録装置の電源を必要最小限の範囲でＯＮ−ＯＦＦ制御でき、機動的かつ低消費電力のデータ収集作業を実現できる。
【０００９】
次に、時刻出力装置兼時刻記録装置１００のプログラム環境を図８〜図１１に基づいて説明する。時刻出力装置１００と図示しないパソコンとは図１の通信制御部８０に設けられたパラレルＩＦ部８２又はシリアルＩＦ部８４を介してデータ通信するようになっており、ＲＯＭ等で構成されたＯＳ部６０の制御のもとに、ダウンロード可能プログラムを記憶手段７０の領域７２ａ〜７２ｎ等に書込むようになっている。
ところで、記憶手段７０をフラッシュメモリで構成した場合の、メモリ管理方法に関して更に詳しく説明すると、各フラッシュメモリの先頭領域には、メモリ不良代替情報７１０及びダウンロードするロードモジュール情報７２が書込まれており、メモリ不良代替情報７１０としては、チップ不良があった場合の代替ブロック情報７１２ａ〜７１２ｋが書込まれるようになっている。
また、モジュール情報７２の内容は、モジュール名７２０、モジュール作成時刻情報７２２、ＲＡＭに展開する場合のＲＡＭ先頭アドレス７２４、フラッシュメモリに書込む場合の先頭アドレス７２６、ファイルサイズ７２８等から構成されている（図９）。
尚、現在実行中のロードモジュール情報及びメモリ不良代替情報と代替ブロック情報がＲＡＭ６２の所定の領域に記憶されるようになっている。
更に、計時／記録パラメータ情報７０４としては図１１に示すように、ＧＰＳ起動パラメータ８００、時刻出力パラメータ８１０として、信号ＴＳＹＮＣの有無情報８１２及び信号ＴＣＯＤＥの有無情報８１４、トリガ出力パラメータ８２０として、トリガ出力有無情報８２２、出力開始時刻８２４、ＯＮ期間８２６、ＯＦＦ期間８２８、繰返し回数８３０等がある。又、イベント入力パラメータ８４０としては、イベント入力有無情報８４２、イベント計測開始時刻８４４、エッジ立上げ記録有無情報８４６、エッジ立下げ記録有無情報８４８、記録開始アドレス８５０、計測期間８５２、繰返し回数８５４等がある。更に又、ＡＩ入力パラメータ８６０としては、入力チャンネル数８６２、ＡＤ変換ゲイン８６４、サンプリング間隔８６６、記録開始時刻８６８、記録開始アドレス８７０、記録期間８７２、繰返し回数８７４等がある。さらに、計測データの通信パラメータ８８０としては、通信手段８８２、通信速度８８４、通信開始時刻８８６、通信開始アドレス８８８、通信データ長さ８９０、繰返し回数８９２等がある。
かかるデータ構造の基に、その動作を図１０のフローチャートを参照して説明すると、先ず、電源投入後、フラッシュメモリの読出メモリ情報７００及び実行モジュール情報７０２をチェックし、実行モジュールが有れば（ステップＳ２）、指定フラッシュメモリから実行モジュールを順次ＲＡＭ上に読出し、実行形式に展開し書込む（ステップＳ４）。その後、割込みベクターを設定し、ソフトウェアトラップで開始番地へジャンプし（ステップＳ６）、所定のモジュールを実行する（ステップＳ８）。
一方、実行モジュールが登録されていない場合には、ホストからの指令待ちととなり、プログラムの削除指令が出力された場合は（ステップＳ１０）、指定フラッシュメモリの指定領域を削除する（ステップＳ１２）。また、ホストからプログラム登録指令が出力された場合には（ステップＳ１４）、指定フラッシュメモリの指定領域にプログラムを書込む（ステップＳ１６）。さらに、自己診断指令が出力された場合には（ステップＳ１８）、自己診断を実行し、結果をホストに出力する（ステップＳ２０）。更にまた、パラメータ通信設定指令の場合には（ステップＳ２２）、計時／記録パラメータ情報７０４の通信設定処理を行う（ステップＳ２４）。そして、プログラム実行指令が出力されると（ステップＳ２６）、ステップＳ２へジャンプする。
尚、上述の説明では、時刻出力装置１００ａ，１００ｂと時刻記録装置１００ａ〜１００ｐとを区別して説明したが、図１に示すように、この発明の時刻出力装置１００ａ，１００ｂが時刻記録装置１００ａ〜１００ｐを兼ねることができることは、当業者には、明かである。また、時刻記録装置１００ａ〜１００ｐが、図１に示すように、この発明の時刻出力装置１００ａ，１００ｂを兼ねることができることも、当業者には、明かである。
【００１０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の時刻出力装置／時刻記録装置を利用したセンサからのセンサ信号を獲得し、記録するためのセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録装置によれば、必要最小限の消費電力でＧＰＳ衛星に同期した絶対時刻を外部に出力することができ、また、センサデータを記録する場合、従来必要であった電源ケーブルや信号ケーブルの敷設作業が不要となり、広範囲の記録地点で機動的に信号の同時計測が実現でき、高層ビル等の振動の動特性解析が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の時刻出力／記録装置の一実施例を示すハードウェアブロック図である。
【図２】この発明の時刻出力装置の応用を示すシステム構成例である。
【図３】その動作を説明するためのタイムチャートである。
【図４】この発明の時刻記録装置の長大橋への応用を示す例である。
【図５】その動作を説明するためのタイムチャートである。
【図６】この発明の時刻記録装置の高層ビルへの応用を示す例である。
【図７】その動作を発明するためのタイムチャートである。
【図８】この発明のフラッシュ管理情報のデータ構造の一例を示す図である。
【図９】この発明のモジュール情報のデータ構造の一例を示す図である。
【図１０】この発明のホストインタフェース動作を説明するフローチャートの一例である。
【図１１】この発明の計時／記録パラメータ情報のデータ構造の一例を示す図である。
【符号の説明】
１２ ＧＰＳアンテナ
１４ａ〜１４ｄ 電源切替手段
１６ ＧＰＳ受信機
１８ ゲート手段
２０，３２ 発振器
２２ カウンタ
２４ ゲート回路
３０ 電池
３４ 表示手段
３６ 入力手段
４０ 時刻管理部
４２ 時刻データ入力部
４４ 状態変化検出部
４５ ＡＤ変換手段
４６，７０ 記憶手段
４８ シリアルデータ変換部
５０ 同期制御部
５２ デジタル出力部
６０ ＯＳ部
６２ ＲＡＭ
８０ 通信制御部
８２ パラレルＩＦ部
８４ シリアルＩＦ部
１００，１００ａ〜１００ｘ 時刻出力／記録装置
２００ 長大橋
２１０ａ〜２１０ｐ 振動センサ
３１０ 高層ビル

Claims (34)

1. 少なくとも１つのセンサからのセンサ信号を獲得し、記録するためのセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録装置であって、
   前記記録装置が、イ）ＧＰＳ時刻出力装置、ロ）記憶手段、ハ）記録パラメータの入力手段、及び、ニ）前記センサ信号及びＧＰＳ時刻を記録する記録計を具え、
   前記ＧＰＳ時刻出力装置は、ＧＰＳ時刻に同期した時刻信号を生成し、管理し、出力するため、ＧＰＳ時刻発生装置と、記憶手段と、当該時刻出力装置作動パラメータの組を選択して所定の時刻信号を生成し外部に出力するための処理手段とを具え、
   前記ＧＰＳ時刻発生装置が、ＧＰＳ受信信号から時刻データ及び絶対時刻に同期したクロックパルスを抽出するＧＰＳ受信機と、所定の精度の周波数でパルス信号を発生する発振器と、前記ＧＰＳ受信機で得られる最新の時刻データを現在時刻として格納する記憶手段と、前記発振器で得られるパルス信号をカウントするカウンタと、このカウンタのカウント値を前記発振器の周波数で割り、その結果に前記記憶手段に格納された現在時刻を加算してリセット後の時刻を求める演算手段と、この演算手段及び前記ＧＰＳ受信機に結合され、前記ＧＰＳ受信機で得られるクロックパルスが、所定の期間内に入っていることを確認して前記カウンタをリセットするカウンタリセット手段とを具え、
   前記ＧＰＳ時刻発生装置の計測時刻を、前記ＧＰＳ受信機の絶対時刻に同期させると共に、前記カウンタの精度が、所定の精度の範囲内に収まるように、前記発振器の周波数精度に応じてＧＰＳ時刻補正を行うようになっており、前記時刻出力装置作動パラメータの選択されたパラメータに応答して、所定のデジタル時刻信号を、前記ＧＰＳ絶対時刻に同期して外部に出力し、
   前記センサ信号と、前記外部に出力されるデジタル時刻信号とを、前記絶対時刻に応答して、前記記録パラメータに従って、前記記録計に、同時に記録するようにしたことを特徴とするセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録装置。
2. 前記記録計が、紙出力の記録計、データレコーダ、又は、計算機を含み、又、前記記録媒体が、紙、磁気テープ、又は、計算機メモリを含む請求項１に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録装置。
3. 前記記憶手段が、前記記録計を兼ねている請求項１又は２に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録装置。
4. 前記センサ信号を、Ａ／Ｄ変換して記録するようにした請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録装置。
5. 前記記録パラメータが、ＧＰＳ起動パラメータ、時刻出力パラメータ、トリガ出力パラメータ、イベント入力パラメータ、又は、計測データの通信パラメータを少なくとも１つ含む請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録装置。
6. 前記時刻出力パラメータに、信号ＴＳＹＮＣの有無情報、又は、信号ＴＣＯＤＥの有無情報を含み、
   前記トリガ出力パラメータに、トリガ出力有無情報、出力開始時刻、ＯＮ期間、ＯＦＦ期間、又は、繰返し回数を含み、
   前記イベント入力パラメータに、イベント入力有無情報、イベント計測開始時刻、エッジ立上げ記録有無情報、エッジ立下げ記録有無情報、記録開始アドレス、計測期間、又は、繰返し回数を含む請求項５に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録装置。
7. 前記記録パラメータが、ＡＩ入力パラメータを含み、
   当該ＡＩ入力パラメータに、入力チャンネル数、ＡＤ変換ゲイン、サンプリング間隔、記録開始時刻、記録開始アドレス、記録期間、又は、繰返し回数を含む請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録装置。
8. 前記ＡＩ入力パラメータのサンプリング間隔、及び／又は、記録開始時刻が、前記時刻発生部のＧＰＳ時刻に同期した絶対時刻を含んでいる請求項７に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録装置。
9. 前記計測データの通信パラメータに、通信手段、通信速度、通信開始時刻、通信開始アドレス、通信データ長さ、又は、繰返し回数を含む請求項５乃至８のいずれか１項に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録装置。
10. 前記通信手段が、パラレルインタフェース、又は、シリアルインターフェイスを介して、外部とデータ通信するようになっている請求項９に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録装置。
11. 前記時刻発生装置の発振器が、１ｐｐｍ以上の精度である請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録装置。
12. 前記発振器が、温度補償付発振器を含む請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録装置。
13. 前記時刻発生装置のカウンタが、１、２、５、１０、２０、５０、１００、２００、５００、又は、１０００ミリ秒のトリガ信号を外部に出力できる請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録装置。
14. 前記ＧＰＳ受信機から当該記録装置の観測位置データを検出するようにした請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録装置。
15. 前記記憶手段が、フラッシュメモリ又はＲＡＭメモリで構成された請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録装置。
16. 前記センサが、地震計、又は、振動センサを含む請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録装置。
17. 前記記録装置が携帯型記録装置である請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録装置。
18. 少なくとも１つのセンサからのセンサ信号を獲得し、記録するためのセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録方法であって、
    前記記録装置が、イ）ＧＰＳ時刻出力装置、ロ）記憶手段、ハ）記録パラメータの入力手段、及び、ニ）前記センサ信号及びＧＰＳ時刻を記録する記録計を具え、
    前記ＧＰＳ時刻出力装置は、ＧＰＳ時刻に同期した時刻信号を生成し、管理し、出力するため、ＧＰＳ時刻発生装置と、記憶手段と、当該時刻出力装置作動パラメータの組を選択して所定の時刻信号を生成し外部に出力するための処理手段とを具え、
    前記ＧＰＳ時刻発生装置が、ＧＰＳ受信信号から時刻データ及び絶対時刻に同期したクロックパルスを抽出するＧＰＳ受信機と、所定の精度の周波数でパルス信号を発生する発振器と、前記ＧＰＳ受信機で得られる最新の時刻データを現在時刻として格納する記憶手段と、前記発振器で得られるパルス信号をカウントするカウンタと、このカウンタのカウント値を前記発振器の周波数で割り、その結果に前記記憶手段に格納された現在時刻を加算してリセット後の時刻を求める演算手段と、この演算手段及び前記ＧＰＳ受信機に結合され、前記ＧＰＳ受信機で得られるクロックパルスが、所定の期間内に入っていることを確認して前記カウンタをリセットするカウンタリセット手段とを具え、
    ホ）前記ＧＰＳ受信機により、ＧＰＳ受信信号から、絶対時刻、及び、これに同期した同期クロックパルスを抽出すると共に、前記絶対時刻を記憶するＧＰＳ受信工程と、
    ヘ）前記発振器からのパルス信号を前記カウンタで計測するパルス計測工程と、
    ト）前記ＧＰＳ受信工程の同期クロックパルスと、前記パルス計測工程のパルス信号とを同期せしめると共に、前記パルス計測工程のカウンタで得られる現在時刻カウント値を、前記絶対時刻で補正する現在時刻演算工程と、
    チ）前記記録装置に常駐したオペレーティングプログラムが提供する前記記録パラメータのメニューから１組の記録パラメータを選択して待機する工程と、
    リ）前記時刻出力装置作動パラメータの選択されたパラメータに応答して、所定のデジタル時刻信号を、前記ＧＰＳ絶対時刻に同期して外部に出力し、前記少なくとも１つのセンサ信号及びＧＰＳ時刻と、前記外部に出力されるデジタル時刻信号とを、前記絶対時刻に応答して、前記記録パラメータに従って、前記記録計に、同時に記録する工程と、
    ヌ）前記記憶手段に記録された前記センサ信号及びＧＰＳ時刻と、前記デジタル時刻信号とを、外部に転送する工程とを含むことを特徴とするセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録方法。
19. 前記ＧＰＳ受信工程で得られる連続した同期クロックパルスが、所定の期間内に入っていることを確認して、前記パルス計測工程の前記カウンタを、前記ＧＰＳ受信工程の前記所定の期間内確認済みの同期クロックパルスによりリセットし、前記ＧＰＳ受信工程の同期クロックパルスと、前記パルス計測工程のパルス信号とを同期せしめるようにした請求項１８に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録方法。
20. 前記記録計が、紙出力の記録計、データレコーダ、又は、計算機を含み、又、前記記録媒体が、紙、磁気テープ、又は、計算機メモリを含む請求項１８又は１９に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録方法。
21. 前記センサ信号を、Ａ／Ｄ変換して記録するようにした請求項１８乃至２０のいずれか１項に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録方法。
22. 前記記録パラメータが、ＧＰＳ起動パラメータ、時刻出力パラメータ、トリガ出力パラメータ、イベント入力パラメータ、又は、計測データの通信パラメータを少なくとも１つ含む請求項１８乃至２１のいずれか１項に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録方法。
23. 前記時刻出力パラメータに、信号ＴＳＹＮＣの有無情報、又は、信号ＴＣＯＤＥの有無情報を含み、
    前記トリガ出力パラメータに、トリガ出力有無情報、出力開始時刻、ＯＮ期間、ＯＦＦ期間、又は、繰返し回数を含み、
    前記イベント入力パラメータに、イベント入力有無情報、イベント計測開始時刻、エッジ立上げ記録有無情報、エッジ立下げ記録有無情報、記録開始アドレス、計測期間、又は、繰返し回数を含む請求項２２に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録方法。
24. 前記記録パラメータが、ＡＩ入力パラメータを含み、
    当該ＡＩ入力パラメータに、入力チャンネル数、ＡＤ変換ゲイン、サンプリング間隔、記録開始時刻、記録開始アドレス、記録期間、又は、繰返し回数を含む請求項１８乃至２３のいずれか１項に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録方法。
25. 前記ＡＩ入力パラメータのサンプリング間隔、及び／又は、記録開始時刻が、前記時刻発生部のＧＰＳ時刻に同期した絶対時刻を含んでいる請求項２４に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録方法。
26. 前記計測データの通信パラメータに、通信手段、通信速度、通信開始時刻、通信開始アドレス、通信データ長さ、又は、繰返し回数を含む請求項２２乃至２５のいずれか１項に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録方法。
27. 前記通信手段が、パラレルインタフェース、又は、シリアルインターフェイスを介して、外部とデータ通信するようになっている請求項２６に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録方法。
28. 前記時刻発生装置の発振器が、１ｐｐｍ以上の精度である請求項１８乃至２７のいずれか１項に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録方法。
29. 前記発振器が、温度補償付発振器を含む請求項１８乃至２８のいずれか１項に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録方法。
30. 前記時刻発生装置のカウンタが、１、２、５、１０、２０、５０、１００、２００、５００、又は、１０００ミリ秒のトリガ信号を外部に出力できる請求項１８乃至２９のいずれか１項に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録方法。
31. 前記ＧＰＳ受信機から当該記録装置の観測位置データを検出するようにした請求項１８乃至３０のいずれか１項に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録方法。
32. 前記記憶手段が、フラッシュメモリ又はＲＡＭメモリで構成された請求項１８乃至３１のいずれか１項に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録方法。
33. 前記センサが、地震計、又は、振動センサを含む請求項１８乃至３２のいずれか１項に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録方法。
34. 前記記録装置が携帯型記録装置である請求項１８乃至３３のいずれか１項に記載のセンサ信号とＧＰＳ時刻との同時記録方法。

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