楊會(huì)偉，馬書香，周先飛

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241002)

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地質(zhì)勘探多通道高速數(shù)據(jù)同步采集技術(shù)研究

楊會(huì)偉，馬書香，周先飛

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241002)

通過分析地震勘探中同一數(shù)據(jù)源多個(gè)探測(cè)點(diǎn)的同步啟動(dòng)誤差和同步采樣誤差分析，提出了一種基于51單片機(jī)+FPGA的高精度、多通道高速同步采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.利用GPS秒脈沖上升沿實(shí)現(xiàn)各個(gè)探測(cè)點(diǎn)的同步啟動(dòng)，并將高精度晶振和GPS秒脈沖相結(jié)合，產(chǎn)生高精度高穩(wěn)秒脈沖pps.最后利用pps的上升沿校正實(shí)際的采樣時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)各探測(cè)點(diǎn)的同步采集.實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)校正后的高精度秒脈沖信號(hào)pps的誤差最小可達(dá)到5～10 ns，平均誤差約30 ns，且pps信號(hào)的頻率非常均勻.

全球定位系統(tǒng);現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列；同步；地震勘探；高精度時(shí)鐘

0 引 言

多通道數(shù)據(jù)采集在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，它在計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中已成為重要環(huán)節(jié).目前大多數(shù)數(shù)據(jù)的采集都是在非常嚴(yán)苛的環(huán)境下開展的，對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性都有很高的要求.同樣，在地震探測(cè)領(lǐng)域也需要大量高速數(shù)據(jù)的采集處理.在當(dāng)今的地震探測(cè)中，數(shù)據(jù)采集方式通常分為：單炮斷續(xù)采集和多炮連續(xù)采集2種.不管是采用哪種方式，采集控制均由用戶在主控單元設(shè)定采集參數(shù)，然后由主控單元發(fā)出采集命令控制遙爆機(jī)點(diǎn)火和采集電路啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集.由于整個(gè)遙測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，各個(gè)分支采集站均采用相互獨(dú)立的設(shè)計(jì)單元，即其相互之間的信號(hào)起始時(shí)間是毫無關(guān)聯(lián)的.而對(duì)于地震勘探來說，對(duì)同一震源產(chǎn)生的地震波，要求多個(gè)采集道的數(shù)據(jù)采集起始時(shí)間應(yīng)該是嚴(yán)格同步的，主要是因?yàn)榈卣鸩ㄔ趶椥越橘|(zhì)中傳播速度很快，各個(gè)采集通道采集時(shí)間的不同步，將會(huì)導(dǎo)致各采集通道采集的地震波數(shù)據(jù)所反應(yīng)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)并非來自同一地層結(jié)構(gòu)，由此給地震勘探帶來極大的誤差，這就要求實(shí)際的地震勘探中，在人工震源產(chǎn)生地震波的同時(shí)，應(yīng)該向各個(gè)分支采集站點(diǎn)發(fā)送一個(gè)同步采集信號(hào)，以保證各分支采集站點(diǎn)所加載的各地震采集道能夠同步采集.本文針對(duì)勘探、測(cè)控等行業(yè)的特點(diǎn)，提出了一種51單片機(jī)+FPGA的高精度、多通道、高速度的同步采集系統(tǒng)方案.

1 同步啟動(dòng)方案

1.1 同步啟動(dòng)誤差分析

地震勘探中，圍繞主控單元，存在多個(gè)探測(cè)點(diǎn)，主控單元通過接受遙爆點(diǎn)引爆時(shí)向各個(gè)采集站點(diǎn)發(fā)出同步采集啟動(dòng)信號(hào)，該信號(hào)在傳輸過程中因傳輸延時(shí)以及各種干擾等因素造成同步控制信號(hào)不能夠同時(shí)到達(dá)各個(gè)探測(cè)點(diǎn)，無法實(shí)現(xiàn)同時(shí)啟動(dòng)采集，造成數(shù)據(jù)分析誤差.

1.2 同步啟動(dòng)解決方案

方案一、由于引爆點(diǎn)距離各個(gè)探測(cè)點(diǎn)具有一段距離，通過GPS的秒時(shí)鐘配合本地時(shí)鐘記錄時(shí)間戳,測(cè)算距離主控最遠(yuǎn)的探測(cè)點(diǎn)接受到同步信號(hào)的延時(shí)時(shí)間，以此探測(cè)點(diǎn)接收到同步采集信號(hào)為基準(zhǔn)記錄各個(gè)探測(cè)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)，前端采集數(shù)據(jù)舍去.但是此方法容易丟失有用數(shù)據(jù)信息，增加軟件處理難度，且基準(zhǔn)時(shí)間點(diǎn)難以把握.

方案二、采用GPS秒脈沖實(shí)現(xiàn)各個(gè)探測(cè)點(diǎn)同時(shí)采集.首先由主控中心向各個(gè)探測(cè)點(diǎn)以及引爆點(diǎn)提前發(fā)送一條指令，向引爆點(diǎn)以及各個(gè)探測(cè)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)時(shí)間點(diǎn)預(yù)置數(shù)，引爆點(diǎn)以及各個(gè)探測(cè)點(diǎn)通過檢測(cè)GPS的UTC時(shí)間信號(hào)，與時(shí)間點(diǎn)預(yù)置數(shù)進(jìn)行比較，如果UTC給出的時(shí)間信息是預(yù)置時(shí)間前一秒，則開始捕獲下一個(gè)GPS秒脈沖信號(hào)，該信號(hào)上升沿一到來，各個(gè)探測(cè)點(diǎn)以及爆破點(diǎn)同時(shí)啟動(dòng).但此方案需要各個(gè)探測(cè)點(diǎn)以及引爆點(diǎn)都需要有GPS接受模塊以及MCU控制單元，正確識(shí)別秒脈沖是確保同步的關(guān)鍵.此方案不需要考慮GPS秒脈沖的漂移.但需要考慮GPS失步問題，GPS信號(hào)接受異常問題，以及秒脈沖之間的干擾問題,如圖1所示：

圖1 秒脈沖間干擾

秒脈沖輸出是一個(gè)高電平，持續(xù)時(shí)間約為200 ms，低電平的持續(xù)時(shí)間約為800 ms.由于秒脈沖的上升沿與UTC秒嚴(yán)格同步，并且電路干擾信號(hào)可以通過軟件濾波或者硬件濾波來解決，通過比較以上方案，采用第二種方案.

2 多通道數(shù)據(jù)同步采集

2.1 多通道數(shù)據(jù)采集時(shí)間誤差分析

同步采樣是實(shí)現(xiàn)異地同步測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)，只有確保各測(cè)量點(diǎn)的采樣時(shí)間是同步進(jìn)行的，同一時(shí)刻計(jì)算出的相量具有同一的參考時(shí)間基準(zhǔn)，其相位關(guān)系才可以直接進(jìn)行比較.為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)探測(cè)點(diǎn)同步采集數(shù)據(jù)，各個(gè)探測(cè)點(diǎn)采用相同的采樣頻率，采用相同的時(shí)鐘邊沿觸發(fā).但由于受到環(huán)境溫度、電路干擾等影響晶振自身存在延時(shí)，容易出現(xiàn)累計(jì)誤差，導(dǎo)致各個(gè)探測(cè)點(diǎn)采集時(shí)鐘的邊沿不一致，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不同步.如圖所示：

圖2 多探測(cè)器同步采樣時(shí)間誤差

2.2 多通道數(shù)據(jù)同步采集方案

方案一、利用GPS的1PPS與高速穩(wěn)定晶振相結(jié)合校正本地采樣時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步.

在FPGA內(nèi)部已知高穩(wěn)晶振(100 MHz) 采用PLL分頻得到 1 Hz 方波信號(hào)晶振秒時(shí)鐘pps.并在每次GPS發(fā)出的1PPS上升沿到來時(shí)，對(duì)晶振秒時(shí)鐘分頻計(jì)數(shù)器清零一次，以減小pps信號(hào)的累計(jì)誤差，提高晶振秒時(shí)鐘的精度.如果想使pps累計(jì)誤差更小，精度更高，也可以采用如下方法：根據(jù)數(shù)字鎖相原理，通過測(cè)量GPS秒時(shí)鐘1PPS與pps的相位差來控制pps計(jì)數(shù)器的分頻系數(shù)，從而產(chǎn)生與1PPS高度同步的pps信號(hào).當(dāng)GPS短期內(nèi)工作不正常時(shí)，就用pps信號(hào)代替1PPS信號(hào)來工作，短時(shí)間內(nèi)誤差較小.最后利用高穩(wěn)晶振分頻得到需要的各種時(shí)鐘，并利用高精度秒時(shí)鐘pps進(jìn)行鐘同步.

方案二、第一種方案沒有考慮GPS產(chǎn)生的1pps信號(hào)漂移誤差問題，如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)1PPS信號(hào)漂移誤差的校正，可以按照以下方法：利用高穩(wěn)晶振(例如100 MHz)對(duì)兩個(gè)1PPS秒時(shí)鐘之間的間隔進(jìn)行計(jì)數(shù)(每來一個(gè)1PPS上升沿，就記錄其和上一次上升沿之間的計(jì)數(shù)值，并將計(jì)數(shù)器重新清零開始下一次計(jì)數(shù))，將最近的N個(gè)計(jì)數(shù)值進(jìn)行動(dòng)態(tài)平均，得到N秒內(nèi)的平均計(jì)數(shù)值，對(duì)該計(jì)數(shù)值進(jìn)行動(dòng)態(tài)平均和誤差估計(jì)，將動(dòng)態(tài)平均值n-以及誤差ε-用于對(duì)分頻計(jì)數(shù)值進(jìn)行修正，并將這兩個(gè)修正參數(shù)保存到RAM中；然后再計(jì)算出下一個(gè)1PPS到來時(shí)的n-以及誤差ε-.采用這種方法，在GPS正常工作情況下，可以得到高精度晶振秒時(shí)鐘pps；在GPS工作不正常時(shí)，就依次反復(fù)從RAM中取出保留的修正參數(shù)對(duì)當(dāng)前的晶振秒時(shí)鐘pps進(jìn)行校正，也可以使pps在GPS失常的長時(shí)間內(nèi)保持較高的精度.(這種算法比較復(fù)雜,GPS發(fā)出的1PPS信號(hào)的漂移誤差是很小的，通常是ns級(jí)，并且GPS穩(wěn)定性挺高的，工作失常的情況是很少的，如果同步精度要求不是特別高的話，應(yīng)該可以不考慮1pps的漂移誤差,在GPS接受模塊的硬件電路設(shè)計(jì)中要考慮抗干擾問題).

通過比較以上兩種方案，第一種方案比較簡單，沒有考慮GPS輸出1PPS的漂移誤差，在GPS失步較短時(shí)間內(nèi)可以利用晶振秒時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)高精度同步；但是如果GPS失步時(shí)間較長，晶振秒時(shí)鐘累計(jì)誤差較大.第二種方案在GPS正常工作時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高精度秒時(shí)鐘輸出，并能在GPS工作失常時(shí)長時(shí)間內(nèi)提供高精度晶振秒時(shí)鐘，但算法比較復(fù)雜，處理麻煩.所以綜合以上兩種方案，擬結(jié)合以上兩種方案實(shí)現(xiàn)高精度秒時(shí)鐘輸出.

3 多通道數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)方案

通過以上分析，最終確定多通道高速數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)方案：整個(gè)方案從結(jié)構(gòu)上分為兩個(gè)模塊，單片機(jī)控制模塊和FPGA控制模塊.

圖3 多通道高速數(shù)據(jù)同步采樣系統(tǒng)框圖

3.1 單片機(jī)控制模塊

單片機(jī)控制模塊主要實(shí)現(xiàn)功能：(1)接受主控中心發(fā)來數(shù)據(jù)采集啟動(dòng)時(shí)間t，接受GPS發(fā)出的UTC時(shí)間，通過比較判斷UTC時(shí)間是否到達(dá)啟動(dòng)時(shí)間t的前一秒，如果達(dá)到，向FPGA發(fā)出指令，F(xiàn)PGA開始啟動(dòng)捕獲GPS在t-1后發(fā)出的1PPS秒時(shí)鐘的上升沿，如果到來，啟動(dòng)采集.這樣能夠保證各個(gè)探測(cè)點(diǎn)以及引爆點(diǎn)都能夠在t時(shí)刻同時(shí)啟動(dòng).達(dá)到同步啟動(dòng)的目的.(2)單片機(jī)控制模塊的另一個(gè)功能是判斷GPS是否正常工作，根據(jù)正常與否向FPGA發(fā)送狀態(tài)信號(hào)，F(xiàn)PGA根據(jù)狀態(tài)信號(hào)對(duì)二選一數(shù)據(jù)選擇器進(jìn)行選擇PPS的產(chǎn)生方法.如果工作正常，借助于1PPS產(chǎn)生PPS；如果工作不正常，利用RAM保存的分頻系數(shù)產(chǎn)生PPS，這樣既能確保各個(gè)采集模塊在GPS信號(hào)有效時(shí)保持高精度同步，又能在GPS接受失常的情況下采用記錄在RAM中的矯正參數(shù)進(jìn)行PPS矯正，達(dá)到GPS接受失常情況下同步.

3.2 FPGA控制模塊

FPGA控制模塊功能：(1)通過Verilogy硬件語言編程濾除GPS秒時(shí)鐘1PPS中的干擾信號(hào)(主要是瞬間毛刺信號(hào))；(2)結(jié)合單片機(jī)控制單元實(shí)現(xiàn)同步采集啟動(dòng)；(3)高精度秒脈沖的矯正.通過1PPS信號(hào)與PPS信號(hào)進(jìn)行相位比較，根據(jù)比較結(jié)果來修正分頻系數(shù)(δ或δ-1或δ+1)；理想情況下，如果已知高穩(wěn)晶振為100 MHz，那么要分頻得到1 Hz的秒時(shí)鐘PPS，分頻系數(shù)δ=1*108，但由于晶振存在累計(jì)誤差，需要利用1PPS的上升沿對(duì)PPS進(jìn)行校正，減少累計(jì)誤差.當(dāng)PPS的相位提前于1PPS時(shí)，將分頻系數(shù)δ-1進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)PPS的相位滯后于1PPS時(shí)，將分頻系數(shù)δ+1進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)PPS的相位與1PPS相位一致時(shí)，分頻系數(shù)δ不變；通過這種處理方法既可以減少本地時(shí)鐘的累計(jì)誤差，又減少了1PPS漂移引起的誤差，因?yàn)镻PS最多只能漂移一個(gè)時(shí)鐘周期(100 MHz時(shí)鐘)，如果高穩(wěn)晶振頻率更高的話，誤差更小.然后將每次修正的分頻系數(shù)存儲(chǔ)到RAM中備用；(4)二選一數(shù)據(jù)選擇器根據(jù)GPS工作狀態(tài)選擇相應(yīng)的矯正通道；(5)根據(jù)修正后的分頻系數(shù)參數(shù)得到PPS高精度秒時(shí)鐘PPS.

3.3 探測(cè)器高精度采樣時(shí)鐘的產(chǎn)生

利用高穩(wěn)晶振(100 MHz)CLK分頻得到采樣時(shí)鐘SCLK，并且在每次高精度晶振秒時(shí)鐘PPS上升沿到來時(shí)對(duì)SCLK同步一次，以保證SCLK的前沿與PPS時(shí)間同步，如圖4所示.這樣各個(gè)探測(cè)點(diǎn)都以PPS來同步，可以達(dá)到可精度同步的效果.

圖4 同步采樣時(shí)鐘獲取

4 實(shí)驗(yàn)分析

為對(duì)本文提出的高速多通道同步采集系統(tǒng)方案進(jìn)行可行性研究，進(jìn)行了如下測(cè)試實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)中GPS接受模塊采用UBX-G6010-ST，該GPS模塊可以具備良好的靈敏度，復(fù)雜的射頻結(jié)構(gòu)和干擾抑制，保證在惡劣環(huán)境下的GPS性能，且其秒時(shí)鐘隨機(jī)誤差服從正態(tài)分布.高穩(wěn)晶振頻率100 MHz采用恒溫晶振OCXO,頻率精度10-9，頻率穩(wěn)定度10-10.通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，校正后的高精度秒脈沖信號(hào)pps的誤差最小可達(dá)到5～10 ns，平均誤差約30 ns，且pps信號(hào)的頻率非常均勻.采用兩套同樣設(shè)備，將一套實(shí)驗(yàn)設(shè)備的GPS關(guān)閉，對(duì)比關(guān)閉GPS和不關(guān)閉GPS的兩套相同設(shè)備產(chǎn)生的pps，在較長時(shí)間里依然能夠非常接近，表明利用該系統(tǒng)在GPS不正常工作的情況下依然可以實(shí)現(xiàn)各探測(cè)點(diǎn)的高精度同步數(shù)據(jù)采集.

5 結(jié)束語

采用FPGA+單片機(jī)相結(jié)合的方法，提出多通道高速數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)方案.該方案既能夠大大減小GPS的漂移誤差影響，又能減小高精度晶振累計(jì)誤差影響，實(shí)現(xiàn)了GPS秒脈沖的隨機(jī)誤差和高精度晶振累計(jì)誤差互補(bǔ)，誤差精度可達(dá)5～10 ns.通過RAM記錄GPS正常工作下的修正參數(shù)，保證在GPS失效情況下長時(shí)間的高精度輸出.該方案正用于地震勘探工程項(xiàng)目中解決多個(gè)不同探測(cè)點(diǎn)的同步數(shù)據(jù)采集中，也可用在其他相關(guān)的同步系統(tǒng)中，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值.

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[責(zé)任編輯：王軍]

Research of multi-channel high-speed synchronous data acquisition technology in geological exploration

YANG Huiwei，MA Shuxiang，ZHOU Xianfei

(School of Information Engineering,Wuhu Institute of Technology,Wuhu 241002,China)

By analyzing the error started simultaneously in the same data source seismic multiple detection points and error analysis of synchronous sampling,proposed one of multi-channel high-speed synchronous acquisition system design based on the GPS unit+51 MCU+FPGA high-precision.Using GPS second pulse rising edge achieve simultaneous start of each probe point,,and combining with the high-precision crystal oscillator and a GPS second pulse,produce high precision and high stability seconds pulse pps,Finally,Using the rising edge correction pps actual the sampling clock signal,Achieved the synchronization acquisition of each probe point.Experimental results show that the smallest error of the pps can reach 5 ～ 10 ns,about 30 ns of the average error,and the frequency of pps is very uniform.

GPS(global positioning system)；FPGA; synchronous；seismic exploration；high precision clock

2016-04-25

安徽省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2016A764);安徽省校企合作實(shí)踐教育基地(2012sjjd047);安徽省信息技術(shù)專業(yè)群教學(xué)團(tuán)隊(duì)(2013jxtd051)

楊會(huì)偉(1982—)，男，河南南陽人，蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，工學(xué)碩士，主要從事測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器和數(shù)字信號(hào)的研究.

TP391

A

1672-3600(2016)12-0053-04