劉建軍

中海油服物探事業(yè)部 天津 300452

SEAL 408XL 地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)借鑒陸地408UL采集系統(tǒng)的各種優(yōu)越性，集最新的電子計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體，很好地解決了數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)膶?shí)時(shí)同步特性和及時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸誤碼控制[1-2]。以下重點(diǎn)介紹CRC差錯(cuò)控制原理和Seal 數(shù)據(jù)采集傳輸原理，然后對(duì)一些常見(jiàn)的故障進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

1 Seal 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸原理

Seal 系統(tǒng)通過(guò)高頻時(shí)鐘脈沖和不同的數(shù)據(jù)幀（Frame）傳輸協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)同步性，即通過(guò)兩種不同的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步傳輸：在電纜上(line)使用8.192 MHz 頻率傳輸數(shù)據(jù)；在CM408XL 系統(tǒng)內(nèi)部（Transmission）同步傳輸頻率為16.384MHz。在傳輸過(guò)程中，SEAL 系統(tǒng)中央單元在其Left Transverse 和Right Transverse 中以1ms 每次的速度產(chǎn)生數(shù)據(jù)幀；數(shù)據(jù)幀在DCXU 中分別通過(guò)電纜的高端（High line）和低端（Low line）填充到每個(gè)FDU 中，所有的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的形式在FDU/ LAUM 和LAUM/ LAUM 之間進(jìn)行傳輸。每個(gè)數(shù)據(jù)幀由64 個(gè)單元（Cell）組成：第一個(gè)單元為幀頭段（Frame Header），后面的63 個(gè)單元被分配給LAUM/ LAUM 或LAUM/ FDU 之間通訊使用。在FDU中每個(gè)單元分配16 個(gè)字節(jié)（Bytes）的長(zhǎng)度，在中央控制箱體CM408XL 中每個(gè)單元分配32 個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度[3]。圖1 為數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)示意圖

在FDU 中每個(gè)數(shù)據(jù)幀占1M 的容量，在Transverse中每個(gè)數(shù)據(jù)幀占2M 的容量。數(shù)據(jù)幀單元由單元頭段（Cell Header）、單元數(shù)據(jù)（Cell data）和循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（Cell CRC）三部分組成：?jiǎn)卧^段占1 個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度；單元數(shù)據(jù)段在FDU 中占14 個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度，在Transverse 中占30 個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度；單元循環(huán)冗余校驗(yàn)碼占1 個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度。

FDU/ LAUM 之間通過(guò)低層傳輸協(xié)議通訊。FDU 采用尋址方式標(biāo)記的方法將它的數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)幀頭段后面的單元數(shù)據(jù)段，并在單元頭段中將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位設(shè)置為“忙”（Busy）來(lái)表示對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)單元已被占用。在采集期間，F(xiàn)DU 每1ms 向數(shù)據(jù)幀的每個(gè)單元數(shù)據(jù)段中寫(xiě)入4 個(gè)采樣點(diǎn)，尋址方式是連續(xù)的第N 個(gè)FDU 會(huì)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入第N 個(gè)單元數(shù)據(jù)段。LAUM/ LAUM 之間通過(guò)高層傳輸協(xié)議進(jìn)行通訊。LAUM 接到FDU 的采集數(shù)據(jù)后，進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理并壓縮成數(shù)據(jù)包，以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給中央控制單元[4]。

數(shù)據(jù)的傳輸和FDU 的采集是同步的，在傳輸過(guò)程中采用了循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC 的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制。LAUM 向中央記錄單元傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程與FDU 采集沒(méi)有時(shí)間上的關(guān)聯(lián)性，在此過(guò)程中應(yīng)用高層協(xié)議傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤檢測(cè)和錯(cuò)誤恢復(fù)。

2 Seal 系統(tǒng)CRC校驗(yàn)原理及方法

循環(huán)冗余碼（Cyclical Redundancy Check，CRC）是數(shù)據(jù)通信中應(yīng)用最廣的一種檢驗(yàn)差錯(cuò)方法。其由兩部分組成：前部分是信息碼，就是需要校驗(yàn)的信息；后部分是校驗(yàn)碼。在實(shí)際應(yīng)用中，在發(fā)送端用數(shù)學(xué)方法產(chǎn)生一個(gè)循環(huán)碼，叫做循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼，在信息碼位之后隨信息一起發(fā)出；在接收端也用同樣方法產(chǎn)生一個(gè)循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。將這兩個(gè)校驗(yàn)碼進(jìn)行比較，如果一致就證明所傳信息無(wú)誤；如果不一致就表明傳輸中有差錯(cuò)，并要求發(fā)送端再傳輸。CRC校驗(yàn)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、檢錯(cuò)能力強(qiáng)、占用系統(tǒng)資源少、軟硬件均能實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用在各種數(shù)據(jù)校驗(yàn)中[5]。

2.1 循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC 算法分析

CRC 利用除法及余數(shù)的原理實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤偵測(cè)（Error Detecting）。如果CRC 碼共長(zhǎng)n 個(gè)bit，信息碼長(zhǎng)k 個(gè)bit，就稱(chēng)為(n,k)碼。它的編碼規(guī)則是：首先將原信息碼(kbit)左移r 位(k+r=n)；其次運(yùn)用一個(gè)生成多項(xiàng)式g(x)（也可看成二進(jìn)制數(shù)）用模2 除上面的式子，得到的余數(shù)就是校驗(yàn)碼。

需要說(shuō)明的是，模2 除就是在除的過(guò)程中用模2 加，模2 加實(shí)際上就是我們熟悉的異或運(yùn)算，即加法不考慮進(jìn)位，公式可以表達(dá)為0+0=1+1=0,1+0=0+1=1，即‘異’則真，‘非異’則假，也就是‘模2 減’和‘模2 加’直值表完全相同。有了加減法就可以用來(lái)定義模2 除法，于是可以用生成多項(xiàng)式g(x)，進(jìn)而生成CRC 校驗(yàn)碼。

例如，對(duì)于g(x)=x4+x3+x2+1 的解釋?zhuān)海ǘ际菑挠彝髷?shù)）x4 就是第五位是1，因?yàn)闆](méi)有x1 所以第2 位就是0。11101|110,0000（設(shè)a=11101，b=1100000），取b 的前5位11000 跟a 異或得到101，101 加上b 沒(méi)有取到的00 得到10100，然后跟a 異或得到01001，也就是余數(shù)1001，所以CRC 碼是110,1001。

根據(jù)應(yīng)用環(huán)境與習(xí)慣的不同，CRC 又可分為以下幾種 標(biāo) 準(zhǔn)：CRC- 12 碼；CRC- 16 碼；CRC- CCITT 碼；CRC- 32 碼。其中CRC- 12 碼通常用來(lái)傳送6- bit 字符串。CRC- 16 及CRC- CCITT 碼則用是來(lái)傳送8- bit 字符。CRC- 16 為美國(guó)采用，而CRC- CCITT 為歐洲國(guó)家所采用。 CRC- 32 碼大都被采用在一種稱(chēng)為Point- to- Point 的同步傳輸中。

2.2 CRC實(shí)現(xiàn)辦法

2.2.1 軟件實(shí)現(xiàn)方法

以最常用的CRC- 16 為例來(lái)說(shuō)明其生成過(guò)程。CRC- 16 碼由兩個(gè)字節(jié)構(gòu)成，在開(kāi)始時(shí)CRC 寄存器的每一位都預(yù)置為1，然后把CRC 寄存器與8- bit 的數(shù)據(jù)進(jìn)行異或；之后對(duì)CRC 寄存器從高到低進(jìn)行移位，在最高位（MSB）的位置補(bǔ)零，而最低位（LSB，移位后已經(jīng)被移出CRC 寄存器）如果為1，則把寄存器與預(yù)定義的多項(xiàng)式碼進(jìn)行異或，如果LSB 為零，則無(wú)需進(jìn)行異或。重復(fù)上述由高至低的移位8 次，第一個(gè)8- bit 數(shù)據(jù)處理完畢，用此時(shí)CRC 寄存器的值與下一個(gè)8- bit 數(shù)據(jù)異或并進(jìn)行如前一個(gè)數(shù)據(jù)似的8 次移位。所有的字符處理完成后，CRC 寄存器內(nèi)的值即為最終的CRC 值。

CRC 的計(jì)算過(guò)程：

（1）設(shè)置CRC 寄存器，并給其賦值FFFF(hex)；

（2）將數(shù)據(jù)的第一個(gè)8- bit 字符與16 位CRC 寄存器的低8 位進(jìn)行異或，并把結(jié)果存入CRC 寄存器；

（3）CRC 寄存器向右移一位，MSB 補(bǔ)零，移出并檢查L(zhǎng)SB；

（4）如果LSB 為0，重復(fù)第三步；若LSB 為1，CRC寄存器與多項(xiàng)式碼相異或；

（5）重復(fù)第3 與第4 步直到8 次移位全部完成，此時(shí)一個(gè)8- bit 數(shù)據(jù)處理完畢；

(6) 重復(fù)第2 至第5 步直到所有數(shù)據(jù)全部處理完成；

(7) 最終CRC 寄存器的內(nèi)容即為CRC 值。

常用的CRC 循環(huán)冗余校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式見(jiàn)式（1）—式（3）。

以CRC(16 位)多項(xiàng)式為例，其對(duì)應(yīng)校驗(yàn)二進(jìn)制位為1 1000 0000 0000 0101。其中上述列出的標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)多項(xiàng)式都含有(X+1)的多項(xiàng)式因子；各多項(xiàng)式的系數(shù)均為二進(jìn)制數(shù)，所涉及的四則運(yùn)算仍遵循對(duì)二取模的運(yùn)算規(guī)則。

2.2.2 硬件實(shí)現(xiàn)

最普通的CRC 硬件實(shí)現(xiàn)方法是串行計(jì)算方法，即使用一位數(shù)據(jù)輸入，n 位長(zhǎng)度的原始數(shù)據(jù)連續(xù)計(jì)算n 次后得出校驗(yàn)碼。串行計(jì)算的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，可以工作在較高的時(shí)鐘頻率下。隨著通信速度的不斷提高，高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求CRC 的計(jì)算速度越來(lái)越快，串行計(jì)算的方法已經(jīng)不適應(yīng)要求，并行計(jì)算方法越來(lái)越受到人們的重視。

（1）串行實(shí)現(xiàn)。每次輸入一位數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)和上一次異或運(yùn)算的結(jié)果組成新數(shù)據(jù)，循環(huán)進(jìn)行異或運(yùn)算，直到所有數(shù)據(jù)都已經(jīng)輸入，整個(gè)電路可以用移位寄存器加異或門(mén)實(shí)現(xiàn)。CRC 串行實(shí)現(xiàn)的電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 串行實(shí)現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)圖

gi 的取值范圍是0 或1。取0 時(shí)，表示斷路,不需要異或運(yùn)算；取1 時(shí),表示通路，需要異或運(yùn)算，其中g(shù)0和gk都為1。對(duì)于k 位的CRC 校驗(yàn),需要k 個(gè)寄存器。當(dāng)有新的數(shù)據(jù)輸入后，異或運(yùn)算立刻得出新的CRC，寄存器在時(shí)鐘沿移位，等待新的輸入數(shù)據(jù),反復(fù)循環(huán)，就可以計(jì)算出CRC 的值。串行的方法雖然可以計(jì)算各種CRC，但是一個(gè)時(shí)鐘周期只能計(jì)算一位數(shù)據(jù)，效率比較低，只適用于低速的串行輸入輸出系統(tǒng)。而當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群芨撸蛘呤嵌辔粩?shù)據(jù)并行傳輸時(shí)，需要引入并行計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方法。并行的實(shí)現(xiàn)方法可以在一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)對(duì)多位數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，從而提高了CRC 的計(jì)算速度。

（2）并行實(shí)現(xiàn)。并行CRC 計(jì)算可以在串行計(jì)算的基礎(chǔ)上改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在串行實(shí)現(xiàn)中，一個(gè)時(shí)鐘周期處理一位數(shù)據(jù)。而并行實(shí)現(xiàn)是把串行實(shí)現(xiàn)中多個(gè)時(shí)鐘周期處理的數(shù)據(jù)集中到一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)處理，即使用多級(jí)組合邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化前的組合反饋電路結(jié)構(gòu)

并行計(jì)算的缺點(diǎn)是使用了多級(jí)組合邏輯的反饋，將產(chǎn)生較大的門(mén)延遲，特別是在計(jì)算時(shí)鐘的頻率很高時(shí)，時(shí)鐘周期非常小，對(duì)時(shí)延的要求比較高。比如實(shí)現(xiàn)32 位并行輸入的CRC- 32，會(huì)產(chǎn)生31 次異或操作，電路的門(mén)延時(shí)可能會(huì)很大，而超出系統(tǒng)的時(shí)延限度，這取決于組合電路的具體結(jié)構(gòu)。

圖3 所示的組合邏輯的延時(shí)是各個(gè)異或門(mén)的累加，異或次數(shù)多了以后，延時(shí)很大，所以可以對(duì)上面的組合邏輯結(jié)果Z=A＾B＾C＾D(zhuǎn)＾E＾F 進(jìn)行優(yōu)化。將邏輯組合改成Z=(A＾B)＾(C＾D(zhuǎn))＾(E＾F)，電路的功能不變，綜合出的電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)利用了電路的并行性，將在串行電路中累加的延時(shí)分散到多個(gè)并行的分支上，將門(mén)延時(shí)從5 級(jí)降低到3 級(jí)，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)延時(shí)以指數(shù)級(jí)減少。

圖4 優(yōu)化后的組合反饋電路結(jié)構(gòu)

CRC 的硬件實(shí)現(xiàn)可以有串行、并行兩種方式。其中并行實(shí)現(xiàn)方式適用于各種數(shù)據(jù)寬度CRC 校驗(yàn)，并行輸入的數(shù)據(jù)寬度越寬，速度越快。由于并行計(jì)算是通過(guò)多級(jí)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以復(fù)雜的反饋組合電路會(huì)帶來(lái)較大的門(mén)延遲。通過(guò)優(yōu)化組合電路的結(jié)構(gòu)，可以很大程度上降低延遲，使電路適用于比較高的時(shí)鐘頻率。

循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC 算法可以用軟件實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件實(shí)現(xiàn)。但軟件計(jì)算的速度受限于系統(tǒng)CPU 的速度，而使用硬件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)可以提高計(jì)算速度，從而提升系統(tǒng)的通信效率。

2.3 Seal 系統(tǒng)中CRC 差錯(cuò)控制方法

差錯(cuò)控制最常用的方法是自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)方式（ARQ）、向前糾錯(cuò)方式（FEC）和混合糾錯(cuò)（HEC）。在傳輸過(guò)程誤碼率比較低時(shí)，用FEC 方式比較理想。在傳輸過(guò)程誤碼率較高時(shí)，采用FEC 容易出現(xiàn)“亂糾”現(xiàn)象。HEC方式則是ARQ 和FEC 的結(jié)合。在許多數(shù)字通信中，廣泛采用ARQ 方式，此時(shí)的差錯(cuò)控制只需要檢錯(cuò)功能。實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)功能的差錯(cuò)控制方法很多，傳統(tǒng)的有奇偶校驗(yàn)、校驗(yàn)和檢測(cè)、重復(fù)碼校驗(yàn)、恒比碼校驗(yàn)和行列冗余碼校驗(yàn)等。這些方法都是增加數(shù)據(jù)的冗余量，將校驗(yàn)碼和數(shù)據(jù)一起發(fā)送到接受端。接受端對(duì)接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相同校驗(yàn)，再將得到的校驗(yàn)碼和接受到的校驗(yàn)碼比較，如果二者一致則認(rèn)為傳輸正確。但這些方法都有各自的缺點(diǎn)，誤判的概率比較高。CRC 是由分組線性碼的分支而來(lái)，其主要應(yīng)用是二元碼組，編碼簡(jiǎn)單且誤判概率很低，在通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

3 Seal 系統(tǒng)CRC報(bào)錯(cuò)原因及解決方法

Seal 系統(tǒng)中常見(jiàn)的CRC 錯(cuò)誤主要有兩種，即數(shù)字包LAUM CRC 錯(cuò)誤和中央控制箱體CM408XL CRC 錯(cuò)誤。

3.1 數(shù)字包LAUM CRC 錯(cuò)誤

如：Warning! CRC on LAUM # 2486。在報(bào)錯(cuò)不多的情況下，電纜可以正常的采集作業(yè)，但是對(duì)數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量可能會(huì)有影響。因?yàn)長(zhǎng)AUM CRC 報(bào)錯(cuò)的情況下，在Seal 系統(tǒng)中是采用的向前糾錯(cuò)方式，所以這樣一來(lái)該包的數(shù)據(jù)可能就由一個(gè)近視值來(lái)替代。出現(xiàn)這種情況時(shí)，可以在Streamer 窗口下右鍵單擊后在彈出的對(duì)話(huà)框中將報(bào)錯(cuò)次數(shù)清零。

如果報(bào)錯(cuò)的次數(shù)過(guò)多，可能會(huì)導(dǎo)致電纜的掉電。這時(shí)如果在測(cè)線上，可以重新加電來(lái)試，如果能加過(guò)去可以提高作業(yè)效率。如果加不過(guò)去，或者是掉電頻繁發(fā)生，可以試著更換報(bào)錯(cuò)的數(shù)字包的前一個(gè)或者后一個(gè)數(shù)字包來(lái)解決問(wèn)題。

3.2 中央控制箱體CM408XL CRC錯(cuò)誤報(bào)警

例如：Waring! CRC on LCI # 3。這種情況可能是LCI 板接觸不良，首先可以通過(guò)對(duì)換DCXU 和LCI 板的連接線來(lái)檢查是否為408XL 箱體以外部分的問(wèn)題。如果408XL 箱體接口以外部分沒(méi)有問(wèn)題，可以通過(guò)對(duì)調(diào)兩塊LCI 板來(lái)檢查報(bào)錯(cuò)的LCI 板是否真的有問(wèn)題，若有問(wèn)題換掉LCI 板即可。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)Seal 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸原理的深入分析，有助于更好地理解網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)傳輸對(duì)地震采集系統(tǒng)的影響，對(duì)故障的排除，以及地震儀器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用有很大的現(xiàn)實(shí)意義。