（物理电子学专业论文）地震拖缆多级数据传输系统.pdf

中国科学挫术夫学m 。学位论文地震拖缆多级数据传输系统 致谢 首先，我要感谢我的导师宋克柱副教授，本篇论文是宋老师的悉心指导下完 成的。他严谨治学的科学态度、广阔渊博的学识经验、孜孜不倦的追求精神以及 一丝不苟的工作作风对我产生极大的影响，令我受益匪浅。我在快电子学实验室 学习和工作的三年中，他们在我的学习上、科研工作上还有生活上都给予了极大 的指导和帮助，正是在宋老师的关心和鼓舞下，使我在求学乃至人生的道路上不 断地追求发展与进步，在此，我向他表示最衷心的感谢! 项目组的杨俊峰、唐世悦、吴义华、曹平、王超、程敬原、陈佳、马灵，程 涛，刘祥，张嗣峰，杜挺克，王东旅，胡婷婷同学，以及已经毕业的何正淼博士、 陆增援博士、阮福明博士和伍尚坤硕士，他们在工作与论文完成过程中都给予了 我许多具体的支持与帮助，在此向他们深表感谢! 中国海洋石油服务公司的工程 师朱耀强，王子秋，董立军等，感谢他们在工作中给我的很多支持和帮助。 我还要感谢那些在快电子实验室一起工作学习并给予我启发和帮助的老师， 他们是：王砚方教授、安琪教授、王永纲教授、刘树彬副教授、赵智宏副教授， 程伊敏和刘素琴女士。 最后，我还要感谢我父母多年来对我的关怀和鼓励，没有他们的含辛茹苦， 就不会有我的今天。 中固科学投术人学琐卜学位论文 地震拖缆多级数据佶输系统 摘要 石油被誉为现代化工业发展的血液，近些年，随着我国经济的高速增长，石 油在我国常规能源结构中所占的比重越来越大，中国石油需求的缺1 3 也越来越 大，石油已经威胁到了我国国家能源战略安全。现今我国陆上油田开发已经进入 中后期，而近海海域油气资源相当丰富，如何丌发这些海上油气资源已迫在眉睫。 相比于陆上的石油勘探设备，海上地震勘探设备要复杂得多，而且规模较大。 由于技术发展的落后，因此到目前为止，我国海洋石油的勘探工作和开采工作， 不是直接由外国公司进行勘探就是购买国外的设备。国外进口的设备，价格昂贵， 维修很不方便。 为此，2 0 0 1 年，“8 6 3 ”国家高科技研究计划就立项开始研究具有自主知识产 权的海上油藏勘探设备，我们实验室承担了资源与环境领域，渤海大油田勘探开 发关键技术主题重大专项海上时移地震油藏监测技术课题时移地震采集关键 设备研制子课题时移地震数据采集与记录系统的研究开发任务，本论文选题就 是基于这样的研究背景。 时移地震仪系统是一个复杂的系统工程。高精度水下数据采集与传输系统、 室内主控与记录系统和系统性能测试与自检测是时移地震仪系统中很重要的组 成部分。本论文将主要围绕高精度水下数据传输系统进行研究与探讨。 本文第一章从项目的背景和意义出发，介绍了高精度水下采集与传输系统的 设计指标，设计的难点，最后简单介绍本论文的研究的主要内容。 第二章介绍我们研制的海上时移地震系统的总体结构。分别介绍了海上时移 地震系统设计的总体目标和意义，并给出系统的总体性能指标。这一章还介绍了 系统的总体结构，蚍及对每一部分的结构原理和功能进行分析和研究，其目的是 对整个时移地震系统有一个整体的了解和认识。 第三章介绍高精度水下数据采集与传输系统的设计。首先介绍了水下电缆的 中国科学技术大学颂t i 学位论文地震拖缆多级数据传输系统 组成结构，它采用采集系统和传输系统分离的两级分布式结构，然后简单介绍高 精度采集系统，接着是数据传输包的整体硬件结构，最后描述了数据传输包的传 输方式和原理。 第四章详细介绍流水线型的传输方式，本章是论文的重点。本章首先将国外 的长缆传输方式和本系统所采用的传输方式进行对比，然后详细描述了流水线的 硬件和逻辑设计，最后简要介绍了状态部分以及数据传输包和整个系统的同步。 第五章是对数据传输包性能测试与系统的自检测试的研究，以及整个时移地 震系统进行过两次阶段性的总体试验。本章先总体介绍数掘传输包自检测试的原 理及分析方法，然后分别介绍了杭州的水池试验与渤海湾海上试验试验情况，试 验意义、方法，并对试验结果的进行了分析。 最后在结束语部分，结合论文中涉及到的部分，总结了作者在项目中所做的 工作，传输系统的先进性以及创新点，并对今后数据传输包的改进提了一些建议。 中匡l b l 学技术大学t i - i ：学位论义 地震拖缆多级数据估输系统 a b s t r a c t o i li sh o n o r e db l o o do fr n o d e r ni n d u s t r yd e v e l o p m e n t i nr e c e n ty e a r s ，t h e p e r c e n t i l e o fo i l i nn o r m a le n e r g ys t r u c t u r eg r o w st o g e t h e rw i t ht h ec o u n t r y s e c o n o m ya st h eg a pb e t w e e no i lr e q u i r e m e n ta n ds u p p l ye n l a r g e si nc h i n a ，o i lh a s i n f l u e n c e dt h ee n e r g ys t r a t e g y ss a f e t yo fo u rc o u n t r y n o wt h a tt h ee x p l o i t a t i o no f i n l a n do i lf i e l d sh a se n t e r e di t sm i d d l es t a g eo re v e na f t e rs t a g e ，w h i l et h eo f f s h o r e s t r i p s a r ea b u n d a n ti no i la n dg a s ，h o wt oe x p l o i tt h e s eo f f s h o r er e s o u r c e sh a s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ta n du r g e n t t h eo f f s h o r eo i le x p l o r a t i o ne q u i p m e n t sa r em u c hm o r ec o m p l e xa n dl a r g e ri n s c a l et h a nt h ei n l a n do n e sb e c a u s eo ft h et e c h n i q u ed e v e l o p m e n tl a g ，u pt i l ln o w , t h e o f f s h o r eo i le x p l o r a t i o n si nc h i n ae i t h e ru s et h ee q u i p m e n t sb r o u g h tf r o mf o r e i g n c o u n t i e so ra r ec a m e do u td i r e c t l yb yf o r e i g nc o m p a n i e s b o t hc a u s eal a r g es u mo f m o n e y ，b e s i d e s ，t h ee x p o s e de q u i p m e n t s a r eh a r dt or e p a i r d u et ot h e s er e a s o n s ，8 6 3 ，t h en a t i o n a lh i t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o g r a m b e g a ni n2 0 0 1ap r o j e c to fr e s e a r c ho nd e v e l o p m e n to fo f f s h o r eo i lr e s o u r c e e x p l o r a t i o ne q u i p m e n t s ，w i t hs e l f - o w n e di n t e l l e c t u a la u t h o r i t yo u r l a bi sr e s p o n s i b l e f o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h et i m e l a p s em a r i n es e i s m i cd a t aa c q u i s i t i o na n d r e c o r d i n gs y s t e m ( t m s d a r s ) ，w h i c hb e l o n g st o t h er e s o u r c ea n de n v i r o n m e n t f i e l d ，t o p i co f t h ek e yt e c h n o l o g yo fe x p l o r a t i o na n dp r o d u c t i o no ft h eb o h a io f f s h o r e o i lf i e l d s u b t o p i co ft h et i m e l a p s em a r i n es e i s m i ct e c h n o l o g yf o rt h ee x p l o r a t i o no f o i ls t o r a g e ，t a s ko fd e v e l o p m e n to fp i v o t a ld e v i c eo fm a r i n es e i s m i cd a t aa c q u i s i t i o n m y t h e s i si sb a s e do nt h i sr e s e a r c hb a c k g r o u n d t m s d a r si saq u i t ec o m p l e xp r o j e c t t h ef r o n t e n d ，h i g hp r e c i s i o nd a t a c o l l e c t i n g a n dt r a n s f e r r i n g s y s t e m ，a n d t h er e a r - e n d ，h i g h - s p e e dr e c o r d i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e m ，a r et w oi m p o r t a n tp a r t so ft h ew h o l es y s t e mt m s d a r s r e s e a r c h a n dd i s c u s s i o na r eb a s e do nt h e h i g hp r e c i s i o nd a t at r a n s f e r r i n gs y s t e m 中国利学技术大学硕士学位论文 地震拖缆多级数据传输系统 c h a p t e r 1 b e g i n sw i t ht h eh a c k g r o u n da n dm e a n i n go ft h ev d r o l ep r o g r a m ， i n t r o d u c e st h eh i g hp r e c i s i o nd a t ac o l l e c t i n ga n d t r a n s f e r r i n gs y s t e m ，t o g e t h e rw i t ht h e s y s t e l n sg e n e r a lp e r f o r m a n c et a r g e t ，a n dt i r ed i t l i c u l t i e si nt h ed e s i g n i n g c h a p t e r2i n t r o d u c e st h eo v e r a l ld e s i g np u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft m s d a r s ， t o g e t h e rw i t ht h es y s t e m sg e n e r a lp e r f b r l n a n c et a r g e t i ta l s oi n c l u d e st h eg e n e r a l s y s t e ms t r u c t u r e ，t h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ns t r u c t u r ef o u n d a t i o na n df u n c t i o no f e a c hp a r t ，o f f e r i n gag l o b a li d e ao nt m s d a r st ot h er e a d e r c h a p t e r3 i n t r o d u c e s t h es t r u c t u r eo ft h eh i g hp r e c i s i o nd a t ac o l l e c t i n ga n d t r a n s f e r r i n gs y s t e r n ，t h ed i f f i c u l t i e si nd e s i g n i n gt h et w op a r t si n v o l v e di nt h i st h e s i s a r ea n a l y z e d t h e nd e s c r i b e st h ep r i n c i p l eo ft h ef i b e rc o m m u n i c a t i o n ，w h i c hi st h e c o r eo f t h et r a n s f e h i n gs y s t e m c h a p t e r4d e s c r i b e st h ep i p e l i n eo ft h ed a t aa n dc o m m a n d ，w h i c hi s o n eo ft h e p a r t st h a ta r em o s td i f f i c u l tt od e s i g n f i r s t l y t h ep i p e l i n e i s c o m p a r e dw i t lt h e t r a n s f e r r i n gs y s t e mo f n ic o m p a n y t h e ni td e s c r i b e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n o ft h et r a n s f e r r i n gs y s t e m ，a n dt h es y n c h r o c y c l o t r o no ft h et r a n s f e r r i n gs y s t e ma n dt h e w h o l es y s t e m c h a p t e r5 i sc o m p o s e do ft h ep e r f o r m a n c et e s to nt h es e l f - t e s to ft r a n s f e r r i n g s y s t e m s i ti n g o d u c e sb r i e f l yt h et h e o r i e sa n da n a l y s i sm e t h o d so fa c q u i s i t i o nm o d u l e p e r f o n n a n c et e s ta n ds y s t e ms e l f - t e s t ，t h e ni n t r o d u c e s t h et w op h a s i cs y s t e m i c e x p e r i m e n t so ft m s d a r s ，o n eh a sb e e nc a r r i e do u ti nc i t yh a n g z h o u ，t h eo t h e ro n b o h a i t h ec i r c u m s t a n c e s ，p r o c e s s e s ，m e t h o d sa n ds i g n i f i c a n c e so ft h e s et w o e x p e r i m e n t sa r ei n t r o d u c e dt h ee x p e r i m e n t sr e s u l t si sa l s oa n a l y z e d i nt h el a s tp a r t ，t h ea u t h o r sw o r k ，t h ei n n o v a t i o no ft r a n s f e r r i n g s y s t e mi ss u m m a r i z e d a n di tg i v e ss o m ei d e a st ot h ef u t u r ee d i t i o n 6 中国利学投术大学坝一卜学位论文 地震拖缆多级数据传输系统 第一章绪论 1 1 时移地震数据采集与记录系统项目背景和意义 石油是现代化工业的基石，我国经济的高速增长，带动着我国石油需求的高 速增长，2 0 0 4 年我国石油需求2 7 亿吨，进口总量达到了1 2 亿吨，成为第二大 石油进口国，进口比重达到4 4 ，已经威胁到了我国国家能源战略安全。陆地上 的石油勘探工作已经在过去的几十年基本完成，而中国有着广阔的海域，估计石 油储量为2 7 5 亿吨，目前石油的发现率仅为1 8 5 ，极具开发潜力，向海洋进军 大有所为。虽然向海洋要石油的工作早在5 0 年前就开始了，但是，由于以前的 不重视和技术发展落后，我国海洋石油勘探设备一直都是从国外进口，价格昂贵， 维修很不方便。为此，2 0 0 1 年，“8 6 3 ”国家高科技科技研究计划就立项开始研 究具有自主知识产权的海上油藏勘探设备，我们实验室承担了资源与环境领域， 渤海大油田勘探开发关键技术主题重大专项海上时移地震油藏监测技术课题 “时移地震数据采集与纪录系统”的研究开发任务。该系统的研发有着深远的意 义： ( 1 ) 在国内，首次对海上时移地震勘探设备进行自主研发，有自主的知 识产权，它将弥补国内在该领域内的空白，使国家在石油一战略资源 的勘探开采上不用再受制于人。 ( 2 ) 该设备的研制将极大的降低我国海上油田的物探成本，我们自己研 制的勘探设备的成本将只有从国外进口一套设备需要的费用的 1 1 0 ，可以为国家节省大量资金。 ( 3 ) 通过该设备的研制，可以学习国外先进的地震勘探设备，积累和掌 握国际上先进的时移地震采集技术，做技术积累，为今后在该领域 追赶国外的先进技术打下基础。 中嗣科学投术大学颂”l j 学位论义 地震拖缆多级数据佶输系统 1 2 多级数据传输设计的难点 整个“时移地震数据采集与纪录系统”分为两大部份，一部分在船上，包括 工作站和c p c i 机箱，另一部分就是水下的拖缆。在每条拖缆上，每隔l o o 米就 有一个数据传输包，主要完成的功能如下： ( 1 ) 一个数据包完成剥l o o m 范围内传感器信号数据的整理和传输。 ( 2 ) 通过多个数据传输包级联将数据由拖缆尾端传输到船上接收系统。 ( 3 ) 完成对水下工作环境参数的测定( 水温、压力等) 。 数据传输包分为两种：一种是头包，一种是后级包。头包除了要完成收集与 上传数据的任务外还要在每个采样周期下传同步收集命令。 拖缆中除了数据传输包以外，还有每隔1 2 5 米一块的数据采集板，采集板 负责将数据采集起来，并按一定的格式送给数据传输包，而每块数据传输包则将 本地采集板和后级数据传输包的数据收集上传。 在本系统的最初设计目标中，一条水下拖缆上挂有6 0 个数据传输包，每个数 据传输包负责收集3 2 路传感器2 4 b i t 最高2 k h z 采样，那么头包上的数据率就是 6 0 包t 3 2 路+ 2 4 b i t 4 2 k h z = 9 2 m b p s 。如此大的数据率，以及控制所有采集板同步采 集，多级传输包数据的同步有序传输是数据传输包设计的难点。本文后面的章节 将详细介绍如何解决这些难点。 中国利学技术人学坝i 学位论文地震拖缆多级数据传输系统 第二章“时移地震数据采集与纪录系统” 的总体结构简介 2 1 海上时移地震勘探仪的设计目标 海上时移地震勘探仪按目前世界最先进的新一代遥感地震仪，即2 4 位遥测 地震仪设计。它采用了超大规模集成电路，多计算机控制和一2 4 位a d c ( 模 数转换) 技术。它的设计目标如下： 时移地震勘探仪系统的主要功能： ( 1 ) 接收四路水下光缆上传的数据，每路光纤传输速度不小于10 0 m b i f y s ， 每路有效处理数据率不小于5 0 m b i t s 。 ( 2 ) 将地震数据和导航数据合并后转换成s e g d 格式，无丢失、实时存 储到磁带机，两组磁带机同时记录。 ( 3 ) 可选择显示任意一条光缆、任意一炮采集到的完全数据图形。 ( 4 ) 可选择将任意一炮的完全数据通过绘图仪绘制成常规或变面积图形。 ( 5 ) 完善的日、月检功能( 自检水下传感器、数据传输包及记录系统工作 是否正常) 。 ( 6 ) 通过主控工作站配置整个系统、显示系统工作的各个状态。 ( 7 ) 具有3 2 道辅助道数据采集功能，可以将辅助道采集的数据记录到磁 带，并可通过绘图仪绘出辅助道图形。 ( 8 ) 实时显示全部道数的采集数据变化示意图( 可以按时问抽取) 。 ( 9 ) 磁盘单道记录功能( 可选任意光缆的任意道) 。 ( 1 0 ) 统打印机。 水下采集系统( 数据传输包) 的主要功能： ( 1 ) 用a 2 4 位a d c ( 模数转换) 技术，采样本级3 2 路传感器的模拟信号， 采样周期可以程控为0 5 m s 、i m s 、2 m s 、4 m s 。 ( 2 ) 接收下一级数据传输包传来的采样数字信号，和本级采样得到的数字 信号合并后，上传至上级数据传输包。通过光纤上传采样得到的数字 中国科学技术大学硕士学位论文 地震拖缆多级数据传输系统 信号。光纤通i 1 2 n 率不小于】0 0 9 b p s 。 ( 3 ) 通过电缆接收船上i 己录控制机下传的命令，并可以将命令逐级下传。 ( 4 ) 具有自检功能。当船上记录控制机下传“自检”命令后，数据传输包 自检，3 2 路模拟输入接可程控的正弦波振荡信号，将采样得到的数字 信号上传至记录控制系统，以供分析。 2 2 地震勘探仪系统设计的技术指标 2 2 1 系统技术指标 ( 1 ) 最大接收能力 可连接4 条电缆 每条电缆1 9 2 0 道，i m s 采样率 ( 2 ) 数字低切滤波 频率：3 ，6 ，9 ，1 2h z 斜率： 1 8r i b o c t ( 3 ) 记录长度 最大3 0 秒l 毫秒 ( 4 ) 记录间隔最小时间 ( x x x x x x x x x x x x 卜t 。一-一t 。- i 。= 一l d i s a b l e d 、x e n a b l e d i n 4 4 7 8 9 2 3 写数时序图 下图是7 8 9 3 3 读数据的时序图： 地震拖缆多级数椐传输系统 o i 一0 7 s c 国r v s 图 4 5 7 8 9 3 3 读数时序图 当电路被上电后，7 8 9 2 3 会发送“k 2 8 5 ”信号，7 8 9 3 3 接收到该信号后认 为环路正常。然后才可以开始工作。 d t al t c h d 。_ 二厂 _ _ - - k厂一 x d l- a xx ，厂、，厂_ j li x x x x x xx x x i z i i l xxx x x x x 。出j i x x x ：xxx 呷“ s e r 晴l d a r a 蚋 图 4 - 6 7 1 3 9 2 3 数据编码图 x x x x xx ) d a t a x x x ) ( x x x x x x x x x _ ：| x x x x xx x x x x 弋厂 厂 厂- 乙 d a t a ) 。( k 2 8 5 x x k 2 8 5 ) ( ：d a t a 图 4 - 7 7 8 9 3 3 数据编码图 开始发送数据后，在发送数据的间隙，光纤中仍然由“k 2 8 5 ”信号来连接。 中国科学技术大学硕j 一学位论文地震拖缆多级数据传输系统 时序图如下 娶j 旺巫x 三d 互x 三互玉互匹巫题 丽、八厂赢忑磊丙蔺八八 唧i sl o w wr e s u i e s f o r k 2 e5n o r m a l 矸e n a t i o n 图 4 - 8 】数据传输时序 和7 8 9 2 3 9 3 3 相配合的还有光电转换器件h f b r l l l 9 2 1 1 9 。其中1 1 1 9 是发 射端，和7 8 9 2 3 连接；2 1 1 9 是接收端，和7 8 9 3 3 连接。h f b r l l l 9 2 1 1 9 是双排 直插1 6 脚封装。其管脚定义如下 标号管脚名说明 ln c 无内部连接 2 阮 v h h 偏置输出 3g n d 地 4g n d地 5g n d 地 6g n d 地 7o m i t 空 8n c 无内部连接 9n c 无内部连接 1 0g n d地 1 l v c c 电源输入 1 2v c c 电源输入 1 3g n d 地 1 4d ，汀a 数据输入正 l5 数据输入负 d 4 删 1 6n c 无内部连接 中国科学技术大学碗i 一学位论文地震拖缆多级数据传输系统 表 4 3 h f b r i l l 9 管脚定义 标号管脚名说明 1n c 无内部连接 2 数据输出负 删黝 3 d a t a 数据输出正 4v c c 电源输入 5v c c 电源输入 6 v c c 电源输入 7g n d 地 8n c 无内部连接 9 n c 无内部连接 i oo m i t 空 1 1g n d 地 1 2g n d地 1 3g n d 地 1 4s d 信号检测正 i5 信号检测负 s d 1 6o m i t 空 表 4 4 h f b r 2 11 9 管脚定义 由于7 8 9 2 3 9 3 3 和h f b r l l l 9 2 1 1 9 管脚间存在电平差异，故需要加一些电阻 来进行匹配。二者的连接示意图如下 3 7 中国科学拉术人学帧二l 学位论文 地震拖缆多级数据传输系统 n 4 9 7 8 9 2 3 9 3 3 和h f b r l l l 9 2 1 1 9 连接示意图 4 3 3 4 8 5 接口芯片接口 r s 4 8 5 接口是一个差分串行传输接口，电平抗干扰性强，电平为o 2 v - 0 6 v 是代表罗级“1 ”，电平为0 2 v 一6 v 时代表罗级0 ，主要特点有： ( 1 ) 电平低，不易损坏接口电路芯片； ( 2 ) 支持的最高传输速率为1 0 m b p s ； ( 3 ) 传输距离远，最大传输距离标准值为4 0 0 0 英尺( 1 2 0 0 米) ： ( 4 ) 差分传输，抗干扰能力强； ( 5 ) 输和多点连接，并且连线简单。 由于4 8 5 串行通道除了充当命令通道外，还要负责状态数据的上传，因此需 要一组全双工的芯片。作者选取的是m a x 3 4 9 0 e ，它是一个差分全双工4 8 5 协 议的接1 2 1 芯片，供电电压3 - 1 v 。 l 标号i 管脚名i 说明 ，l，、 0，l，00 中国科学技术大学硕l 学位论文地震拖缆多级数据传输系统 l v c c3 3 v 2r o 接受端 d i 发送端 4g n d 5y 发送差分信号正 6z 发送差分信号负 7b 接受差分信号负 8a 接受差分信号正 表 4 5 m a x 3 4 9 0 e 管脚定义 由于电缆反射，为保证信号完整性在接收端需要进行匹配，m a x 3 4 9 0 e 的匹 配电阻是1 2 0 欧。连接示意图如下： 图 4 1 0 】m a x 3 4 9 0 e 连接示意图 4 4 f p g a 内部逻辑的设计 4 4 1 f p g a 简介 r 0 现场可编程门阵列( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 是一种高密度的p l d ， 采用c m o s s r a m 工艺制作，其内部由许多的逻辑阵列模块( l a b ) 组成，模 块之间可以灵活的相互连接。f p g a 的结构一般分为三个部分：l a b ，可编程i o 模块和可编程内部连线。 中圉科学技术人学砸l 学位论文地震拖缆多级数据传输系统 l a b 的功能很强，不仅能实现逻辑函数，还可以配制成r a m 等复杂形式。 内部逻辑的配置数据可以存储在片外的e p r o m 或计算机上，设计人员可以控制 加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓的现场可编程。f p g a 通用性好， 设计灵活，编程方便，能减轻设计成本，缩短研发周期。 4 4 2 逻辑的设计 数据传输包的逻辑结构主要分为命令模块，本地数据模块，本地状态模块， 光纤传输模块，并串转换模块以及时钟模块。由于头板和后级板的硬件结构及功 能不完全相同采用模块化的设计便于移植。除命令模块和光纤传输模块外，其它 各模块头板和后级板完全相同。 逻辑流程图如下： 图 4 一1 1 逻辑控制流程图 在本逻辑中，光纤接口和4 8 5 ，e 2 , 线接口是单独用模块编写的，需要时可以很 方便的调用。由于系统的采样率是l m s ，也就是说，在1 m s 时间内将6 千米缆上 的数据传到船上去，并且要保持同步。因此在设计时，头包( 靠近船头) 和后面 的包逻辑略有差异。在每个采样周期，头包都会向下传一个同步命令，每个包收 到该命令后，都会将本地f i f o 中的数据上传一组，这样就形成了一条数据流水线。 管脚名输入输出描述 c l k 输入全局时钟 r s t 输入复位 中国科学技术大学砸= l 学位论文地震拖缆多级数据传输系统 c k r 输入读时钟 w o r k f l a g 输入工作标志 f i b e r e n 输入光纤使能 t x b u s y l o c 输入忙信号 d 输入 输入数据信号 c k w 输出写时钟 t x g r a n t l o c 输出 握手信号 q 输出输出数据信号 表4 6 光纤模块主要接口 在每个采样周期内，每个数据包除了要将本地数据上传外，还要将后级数据 上传，而光纤只能串行传输，因此需要有一个仲裁机制。 作者在f p g a 里生成了两个f i f o 作为缓存，其中个接受本地数据，另一 个接受后级数据。当系统开始工作后，为了防止f i f o 读空的现象发生，前三个 采样周期内本地f i f o 只进不出，第四个采样周期开始，每块数据传输包将本地 数据上传，结束后再将后级数据上传。 数据流水线的仲裁 焉陶阿 数据包n +数据包n 图【4 一1 2 】 数据流水线仲裁示意图 前后级数据传输包之间以及数据传输包的采集板与数字板之间采用r s 一4 8 5 串行通信的方式进行通讯。 面11 1 1 1 1 口夏工互 i ：i 阿五i c l k l 6 x 肌哪姗 图 41 3 串行通信的格式 中国利学技术大学坝l 学位论文 地震拖缆多级数据传输系统 图【4 。1 3 1 1 是串行通信的格式示意图。其中c l k l 6 x 是1 6 m t i z 的时钟信号。串 行线传输1 b i t 需要1 6 个c l k l 6 x 周期。空闲时，串行线处于高电平1 1 。需要传 输一个字节时，串行线先传送一个s t a r t ( 0 ) ，然后依次传送d 0 ，d 1 d 7 ，之 后，再传送f r a m e ，最后传送s t o p ( 1 ) 。所以，串行线传输一个字节需要1 1 个位时间，即1 1 1 6 个c l k l 6 x 周期。 管脚名输入输出 描述 r e s e t 输入复位 c l k l 6 x 输入 输入1 6 倍时钟 s e r i a l i n 输入串行数据输入 r x d a t a r d y 输出数据准备好 d a t a o u t 输出数据输出 f r a m e 输出桢标记位 表【4 7 】4 8 5 数据接收模块接口 管脚名输入输出 描述 r e s e t 输入复位 c l k l 6 x 输入输入1 6 倍时钟 s e r i a l o u t 输出串行数据输出 t x r e a d y 输出数据准备好 d a t a n q 输入数据输入 f r a m e 输入桢标记位 表 4 8 4 8 5 数据发送模块接口 4 5 状态模块设计 状态采集模块负责各种状态信号( 温度、压力) 的采集，用分时复用a d 转换 实现。 由于状态模块是工程中新加入的部分，温度传感器，压力传感器和a d c 都 是第一次用，对其性能都不太了解，所以在设计时没有将二者都接入同一个 中国科学技术大学碘1 学位论文地震拖缆多级数据传输系统 a d c 。而是采用数字输出的温度传感器和模拟输出的压力传感器加a d c 的方式 这样既方便调试也降低了风险。 4 5 1 温度监测 在本系统中选用的温度传感器是a n a o l o g 公司的t m p 0 5 。t m p 0 5 的工作 范围是，4 0 1 5 0 摄氏度，在o 7 0 摄氏度范围内的误差是1 摄氏度，最佳性能点 是在2 5 摄氏度，误差范围是0 5 摄氏度。这对于测量系统的温度已经足够了。 t m p 0 5 的另一个特点是数字信号输出，省去了模数转换的过程。t m p 0 5 是 3 5 5 v 供电，2 个数入控制脚，只有一个输出脚，输出方波，根据占空比来确定 出当前温度。 管脚号管脚名说明 1o u t 输出方波，根据占空笔来确定温度 2c o n v i n 数字输入，控制方波周期 f u n c 数字输入，控制工作状态 4g n d地 5 v c c 3 0 55 v 电源输入 表【4 9 t m p 0 5 管脚定义 温度的计算公式如下： t e m p e r a t u r e ( 。c ) = 4 2 1 一( 7 5 1 t v t 2 ) ) ( 4 1 ) 其中t l 是高电平时间，t 2 是低电平时间。 在2 5 摄氏度左右的时候，t 1 大约是7 6 m s ，t 2 约是4 0 m s 。因此只需要对输 出波形进行o 5 m s 的采样计数，所得到的温度值就可以近似认为是当前温度了。 4 5 2 压力监测 压力监测硬件分为两部分，一部分是传感器，在数据传输包外部，另一部分 在数据传输包内部，负责处理数据，包括发大器，a d c 。 a d c 选择的是a n a l o g 的a d 7 8 5 8 l 。由于压力数据的采样率很低，只需 要按一秒钟8 次的速率上传状态，故其1 0 0 k s p s 的采样率是足够了。目前a d 7 8 5 8 l 中国利学技术大学坝十学位论文 地震拖缆多级数据传输系统 的4 个通道只用到了1 个，其余的3 个通道留作以后扩展用。 4 5 3 断电漏电漏水盟测 为了及时应对在海试中有可能出现的意外，在设计中应包括一些监测的措 施。主要是针对数据传输包进水而引起的短路，以及中间包断电等情况。 ( 1 ) l e a k 检测 图 4 1 4 】漏电检测原理图 在海试中，在后插板中检测漏水部分电路，部分电阻阻值如下： r 9 = 2 2 0 欧，r 7 = 2 4 0k 欧，r 1 0 = r 1 1 = 1 0 0k 欧。 产生的恒流源电流大小计算如下： i = 1 2 5 v r 7 ， 二级放大器电压放大倍数为： a 2 = ( r 1 0 + r 1 1 ) r 1 0 = 2 ： 因此，输出到a d c 的电压为： v = 1 2 54 ( r 1 0 + r 1 1 ) + r l e a k 0 ：7 + r 1 0 ) = 1 0 4 241 0 。+ r l e a k a d c 输出的值应为： d a d c = v 42 5 6 5 v = 5 3 3 34 1 0 4 + r l e a k 每一节电缆中的l e a k 电阻大小为3 0k 欧姆，n 节电缆的a d c 输出读数应为： d ou l = 1 6 + n 从读到的读数换算电缆数可以从上述公式进行计算。如果电缆漏水造成短 路，漏水位置也可以由上式进行估算。当电缆断开时，读数为2 5 5 。 从上式可以看出，目前电阻取值情况下，最大支持电缆1 6 节。这点应在使 用中加以注意。如果需要增加电缆支持节数，应调整r 7 大小到合适值。 中国利学技术大学坝卜学位论文地震拖缆多级数据传输系统 ( 1 ) b r e a k 检测 图 4 1 5 】断电检测原理图 在海试中，在后插板中检测断路部分电路，部分电阻阻值如下： r 4 = 2 2 0 欧， r 1 2 = 2 4k 欧，r 1 5 = r 1 6 = 1 0 0k 欧。 产生的恒流源电流大小计算如下： i = l2 5 v r 2 2 ， 二级放大器电压放大倍数为： a 2 = ( r 1 5 + r 1 6 ) r 1 5 = 2 ： 因此，输出到a d c 的电压为： v = 1 2 54 ( r 1 5 + r 1 6 ) + r b r e a k ( r 2 2 + r 1 5 ) = 1 0 4 2 + 1 0 44 r b ，e a k a d c 输出的值应为： d a d c = v + 2 5 6 5 v = 5 3 3 3 + 1 0 。4 r b m a k 当电缆断开时，焊接的保护电阻r 3 大小为4 3k 欧姆，此时a d c 输出读数 应为2 3 0 左右。当电缆正常连接时，r b r e 。k 的大小为保护电阻和电缆电阻的并联， 而电缆电阻很小，因此c l b , ca d c 输出读数应该很小。般的，可以认为读数超 过3 0 电缆即出现问题，此时对应的电缆电阻的大小约为6 2k 欧姆。这个标准可 以根据实际情况加以调整。 中国科学技术大学坝l 一学位论文 地震拖缆多级数据传输系统 4 5 4 状态部分逻辑设计 在状态部分的逻辑中，由于状态的发送速率要求很低，只有8 次每秒，远小 于a d c 和温度传感器的采样率，故采用模块以大于正常速率发送，而接收端以 正常速率接受的方式来保证8 次每秒的采样率。 管脚名输入输出描述 c l k 输入 全局时钟 r s t 输入全局复位 s t a t e r e q 输入接收数据信号 d a m n u m输入包号 t e m p e r 输入温度方波 p r e s s 输入压力信号 c o v 输出温度传感器控制信号 s t a t e g n t 输出握手信号 s t a t e输出状态信号 表 4 1 0 】状态逻辑主要管脚 4 6 数据传输包与系统其它部分的同步 在海上系统的实际应用中，系统是以“炮”为单位来进行采样和数据处理的， 高压气枪每放一次称为“一炮”，间隔由船速决定，大约为6 1 5 秒，每一炮内需 要采样6 0 0 0 次。而实际的采样时间是小于一炮的时间的，一炮的时间减去采样 6 0 0 0 次所需的时间就是工作站处理数据的时间，此时水下拖缆空闲。 在每次放炮后，导航工作站会向f c i 板发送一个“t b ”信号( 每炮只有一个 “t b ”信号) ，f c i 板收到t b 信号后，开始接受数据。以i o 秒间隔为例，采样 周期l m s 为例，f c i 收集到6 0 0 0 个点( 6 s ) 后通知工作站向采集板发送一个清 零命令，将采集板的f i f o 清空，再由工作站向采集板发送一个开始工作命令。 这时采集板虽然向f c l 板传输数据，但是f c i 板不接受，只有到下一个t b 信号 来后，f c i 板材开始接受数据。 对于数据传输包来说，并不受“t b ”信号控制，正常工作后前三个采样周期 中国科学技术火学顺士学位论文地震拖缆多级数据传输系统 只收数不发数，保证f i f o 里预存三组数据，从第四个采样周期开始，每毫秒都 会上传一组数( 死时间里f c i 板不接收数据) 。 同样对于采集板，类似于数据传输包的f i f o 保护机制，也会有三个采 样周期的延迟。 1 一有效数据6 s 叶卜_ 4 s 一有效数据e 。斗。 j l 图 4 1 6 】正常采集流程 如图 4 1 6 】是系统的工作流程，在一次“t b ”里，前6 秒是采集周期，后4 秒是死时间。由于采集板的滤波器的延时，f c i 板在a 点和c 点收到的数据实 际上是采集板约4 0 m s 前采到的数据，也就是说每次f c i 板计数都会在放枪前约 4 0 个点开始。 由于f c i 板和头包数据传输包的时钟晶振不同，二者会有微小的差异，在长 时间的采集过程中就会造成不同步。比如，如果数据传输包的时钟比f c i 板慢， 在f