潘飛儒 趙圣麟 李 麗 關(guān)作金 葉海峰

1) 珠海市泰德企業(yè)有限公司，廣東珠海 519082

2) 中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081

地震數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)是地震儀器最重要的核心設(shè)備之一。它是集數(shù)據(jù)傳感、采集、傳輸、處理和控制于一體的高精度復(fù)雜系統(tǒng), 其采集精度、數(shù)據(jù)傳輸方式直接影響地震儀的性能和觀測(cè)精度[1]。設(shè)計(jì)好的數(shù)據(jù)傳輸方案既可以降低對(duì)電路系統(tǒng)功耗和器件數(shù)的要求，也可以降低對(duì)電纜的性能要求[2]。同其他設(shè)備一樣，隨著電子和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，地震儀由于不斷采用先進(jìn)、成熟的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)也得到了飛速發(fā)展[1]。

目前地震儀器中常用的有線傳輸技術(shù)主要是低速的串行通訊技術(shù)，如RS-232、RS-485等通訊技術(shù)。不同的傳輸技術(shù)都起源或產(chǎn)生于不同的應(yīng)用背景和解決特定的技術(shù)問(wèn)題。因此，不同的技術(shù)應(yīng)用于同一種場(chǎng)合會(huì)有不同的效果，特別是在適應(yīng)環(huán)境很廣的地震觀測(cè)中，不同的傳輸技術(shù)在各種不同的特定環(huán)境中應(yīng)用會(huì)顯露出不同的優(yōu)勢(shì)和不足[1]。研究高溫高壓高濕環(huán)境下，長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸抗干擾技術(shù)，設(shè)計(jì)有效的數(shù)據(jù)傳輸方式，組建穩(wěn)定高效的傳輸系統(tǒng)是井下甚寬頻帶地震儀研制項(xiàng)目的重要環(huán)節(jié)。長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸抗干擾技術(shù)研究主要包括以下幾個(gè)方面：低功耗、小型化、高分辨率、大動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)據(jù)采集核心模塊，傳輸抗干擾技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議及高精度授時(shí)等。

1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集核心模塊作為地震儀的 “大腦” ，具有數(shù)據(jù)采集、通信、控制、供電及環(huán)境監(jiān)測(cè)等功能。井下甚寬頻帶地震儀總控可細(xì)分為：系統(tǒng)主控、數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測(cè)、通信、控制和供電等（圖1）。

圖1 地震儀系統(tǒng)總控圖Fig. 1 The illustration graph of general control system of seismograph

系統(tǒng)總控采用ARM系統(tǒng)，并內(nèi)置物理看門狗。數(shù)據(jù)采集采用32位ADC器件，具有動(dòng)態(tài)范圍大、諧波總失真小等特點(diǎn)。

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)對(duì)井下甚寬頻帶地震儀三分向零位、供電電壓電流、儀器溫度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，確保儀器在發(fā)生異常時(shí)及時(shí)報(bào)警和控制?？紤]著陸器的通信協(xié)議為1553B，系統(tǒng)總控將在保留原RS-232通信模式的基礎(chǔ)上，增加內(nèi)置1553B協(xié)議模塊，實(shí)現(xiàn)地面通信測(cè)試實(shí)驗(yàn)和著陸器收發(fā)信機(jī)的通信。

儀器控制包括：① 井下甚寬頻帶地震儀DA標(biāo)定控制，用來(lái)檢測(cè)地震儀是否處于正常工作狀態(tài)； ② 開解鎖控制，用于地震儀在一起下放過(guò)程中的保護(hù)； ③ 三分量調(diào)零控制，用于地震儀的零位調(diào)節(jié)，確保地震儀始終處于良好的工作狀態(tài)。

系統(tǒng)總控采用供電電源，并在內(nèi)部將其DC-DC設(shè)定為±12 V、5 V、3.3 V的4種DC供電。正常工作時(shí)，標(biāo)定、調(diào)零、解擺均處于關(guān)閉狀態(tài)。地面輸出IRIG時(shí)間碼，系統(tǒng)總控能直接接收該時(shí)間碼實(shí)現(xiàn)高精度授時(shí)，授時(shí)精度能達(dá)到μs級(jí)精度。

地震儀數(shù)據(jù)按要求通過(guò)RS-485實(shí)時(shí)傳輸至地面站，三通道微震實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)采樣率一般設(shè)定為100 sps，同時(shí)也包括環(huán)境監(jiān)測(cè)輔助通道數(shù)據(jù)，帶寬均約為950 byte/s，每日數(shù)據(jù)量約82 M；如設(shè)定為200 sps，帶寬約1 850 byte/s，則每日數(shù)據(jù)量約達(dá)160 M。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了高性能、低功耗的RISC處理器/DSP器件；也采用了目前已通過(guò)美國(guó)航空航天管理局（FAA）安全認(rèn)證的可用于飛機(jī)、航天器等高可靠性的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）；而且采用了目前國(guó)際上Analog Devices公司最新推出的高性能ADC器件。同時(shí)采用了高集成度、低功耗設(shè)計(jì)模式，系統(tǒng)集成了三通道地震數(shù)據(jù)采集、大容量電子硬盤（TF卡）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等[3]，可用于實(shí)時(shí)串口數(shù)據(jù)傳輸、臺(tái)站狀態(tài)監(jiān)測(cè)、多路信號(hào)標(biāo)定和系統(tǒng)避雷保護(hù)等功能（圖2）。

圖2 地震數(shù)據(jù)采集器樣機(jī)PCB實(shí)物圖Fig. 2 The printed circuit board （PCB） of a prototype of data acquisition module

2 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

參考日本、美國(guó)及國(guó)內(nèi)多款井下地震儀的成功經(jīng)驗(yàn)，采用一體化傳感器，模擬信號(hào)。AD全部安裝于井下，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、IP傳輸?shù)劝惭b于井上（圖3）。

圖3 井下綜合觀測(cè)儀器示意圖Fig. 3 Illustration graph of downhole integrated seismic observation instrument

考慮到通訊線纜、抗干擾、避雷、多路復(fù)用、系統(tǒng)集成等多方面的原因，不再采用以模擬信號(hào)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為保證線纜復(fù)用，而完全采用數(shù)字信號(hào)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。井下與井上通過(guò)RS-485方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；通訊波特率9 600 bps。

RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端，驅(qū)動(dòng)器將TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)輸出；在接收端，接收器將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平信號(hào)，因此，具有抑制共模干擾的能力。同時(shí)由于接收器具有高的靈敏度，能檢測(cè)低達(dá)200 mV的電壓，使傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。根據(jù)RS-485標(biāo)準(zhǔn)，收發(fā)器的最大傳輸速率為10 Mbps，最大電纜長(zhǎng)度為2 000 m，總線上能連接多個(gè)收發(fā)器（Sipex公司的SP485R允許在一條總線上連接400個(gè)收發(fā)器），廣泛適用于遠(yuǎn)距離、多站式、分時(shí)通訊系統(tǒng)[4]。

3 抗干擾設(shè)計(jì)

在長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸中，數(shù)據(jù)損壞失真及丟失是RS-485通訊系統(tǒng)中常見(jiàn)的問(wèn)題，通常是阻抗不平衡或電纜的屏蔽保護(hù)和接地不夠充分導(dǎo)致的傳輸線效應(yīng)。RS-485光纖通信通常采用帶屏蔽保護(hù)的雙絞線。傳輸線效應(yīng)的發(fā)生通常由于兩個(gè)原因：① 電纜的質(zhì)量； ② 不合適或不匹配的終端。雙絞線的特定阻抗一般為100—120 Ω。大部分最終信號(hào)反射或者信號(hào)輪廓失真的原因伴隨著電纜長(zhǎng)度，電纜線上的特定阻抗不均勻。長(zhǎng)距離的光纖電纜信號(hào)傳輸更容易產(chǎn)生類似的問(wèn)題。

3.1 傳輸電纜的選擇和接地處理

3.1.1 RS-485傳輸線的選擇及匹配

井下電纜采用專門設(shè)計(jì)定制的耐壓耐腐蝕多芯屏蔽水下抗拉電纜，其中數(shù)字信號(hào)傳輸采用雙絞線對(duì)，并且每組雙絞線對(duì)有單獨(dú)的屏蔽層，防止相互之間的電磁干擾，其外部為聚氨酯防水材料，內(nèi)芯為聚四氟乙烯材料，以保證良好防水。其中信號(hào)芯線為0.3 mm2，電源芯線為0.5 mm2（圖4）。設(shè)計(jì)特性阻抗120±15 Ω，直流電阻≤39.9 Ω/km，絕緣電阻≥500 MΩ·km，工作溫度-20℃—+85℃。

圖4 定制鎧裝電纜結(jié)構(gòu)截面圖Fig. 4 Cross-section graph of tailor-made armored cable

為了保障信號(hào)可以更好的傳輸，電纜本身應(yīng)盡可能保證雙絞電纜的均勻性和一致性，保障傳輸電纜中的阻抗一致，可以提高RS-485的抗干擾能力。為此，選擇設(shè)計(jì)和定制了適合井下長(zhǎng)距離傳輸?shù)逆z裝井下電纜。鎧裝井下電纜內(nèi)置RS-485通信電纜，采用屏蔽雙絞線，考慮電纜較長(zhǎng)，線上的壓降可能對(duì)井下設(shè)備供電產(chǎn)生影響。井下設(shè)備的供電采用-48 V直流系統(tǒng)，井下設(shè)備的供電輸入采用4:1隔離輸入電源，保證供電的穩(wěn)定可靠，且有很好的抗雷擊和EMC功能，而且作為負(fù)電源系統(tǒng)，機(jī)殼接地的條件下，可以減少電化腐蝕。

3.1.2 RS-485接地處理

RS-485通訊不能簡(jiǎn)單地用一對(duì)雙絞線將兩端連接起來(lái)，而忽略了信號(hào)地的連接。在一些場(chǎng)合通訊沒(méi)連接地線也可以使用，但通訊會(huì)有很大的隱患，特別是在環(huán)境差的地方，比如井下設(shè)備如果地線不接，通訊的可靠性就沒(méi)法保證。不接地線主要會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題：① 共模干擾問(wèn)題：RS-485是采用差分方式傳遞信號(hào)，系統(tǒng)只檢測(cè)兩線之間的電位差就可以了，RS-485收發(fā)器共模電壓范圍是-7—+12 V，只有在正常范圍內(nèi)才能正常工作； ② 電磁干擾問(wèn)題：發(fā)送驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)中的共模部分需要一個(gè)返回通路，如果沒(méi)有，就會(huì)以輻射的形式返回電源端，使總線形成一個(gè)電磁發(fā)射源。因此，在設(shè)計(jì)中不但要考慮接地，還要注意信號(hào)和電路布局的隔離[5]。

3.2 RS-485 收發(fā)器件的選擇

RS-485通訊系統(tǒng)的硬件電路需要合理設(shè)計(jì)，并選擇合適的RS-485收發(fā)器件，以保證RS-485通訊的可靠性。在目前市場(chǎng)上眾多的RS-485芯片中選擇時(shí)，應(yīng)首先考慮滿足RS-485通訊基本要求的芯片，如單/雙工、最大傳輸速率、隔離、可驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)等，自帶故障保護(hù)技術(shù)、抗靜電、防雷擊功能等特性參數(shù)，同時(shí)還需要考慮芯片的傳輸可靠性。

基于多種因素的考慮，項(xiàng)目最終選擇ADM2687作為井下甚寬頻帶地震儀的接口芯片。

3.3 收發(fā)端與信號(hào)端的隔離保護(hù)

信號(hào)隔離器的原理是將變送器或儀表的信號(hào)，通過(guò)半導(dǎo)體器件調(diào)制轉(zhuǎn)化，然后通過(guò)光感或是磁感器件實(shí)現(xiàn)隔離轉(zhuǎn)換，進(jìn)而再實(shí)行解調(diào)轉(zhuǎn)換回隔離前原信號(hào)，同時(shí)對(duì)隔離后信號(hào)的供電電源實(shí)行隔離處理，保證轉(zhuǎn)換后的信號(hào)、電源、大地之間絕對(duì)獨(dú)立。同時(shí)對(duì)疊加在測(cè)量值上的干擾信號(hào)進(jìn)行濾波，以及根據(jù)控制系統(tǒng)輸入、輸出要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行匹配。因此，隔離、放大、濾波和匹配是信號(hào)隔離器所起的作用[6]。

ADM2687采用isoPower技術(shù)實(shí)現(xiàn)電源的DC-DC隔離，采用iCoupler技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)與傳輸信號(hào)，信號(hào)邏輯地與RS-485傳輸?shù)刂g數(shù)字信號(hào)隔離，從而確保RS-485的通訊端浮地，將傳輸信號(hào)端與儀器端的機(jī)殼浮置隔離，可以完全隔斷接地環(huán)路，從而減弱環(huán)路電流的形成，抑制共模干擾的影響。

3.4 RS-485的防靜電及防雷擊保護(hù)

在信息傳輸中，減少信息所受干擾尤為重要。由于復(fù)雜的工作環(huán)境中難免會(huì)存在各種形式的干擾源，RS-485總線的傳輸端更需要增加保護(hù)措施。

對(duì)于野外工作的井下地震儀系統(tǒng)，抗靜電或防雷擊能力是關(guān)鍵參數(shù)?？轨o電能力可以保護(hù)系統(tǒng)避免模塊在焊接、設(shè)備運(yùn)輸、使用時(shí)遭遇靜電而損壞。而系統(tǒng)抗雷擊能力可以降低系統(tǒng)在野外工作環(huán)境下遭雷擊損壞可能性。

通訊線路合理防護(hù)的基礎(chǔ)是正確選用器件。傳統(tǒng)的氣體或陶瓷放電管雖然耐電流能力強(qiáng)，但其反應(yīng)速度慢，箝位電壓高（約為800 V左右）。而壓敏電阻的吸收性能較差，寄生電容大，且低電壓的壓敏電阻漏電流大，也不適合用于RS-485接口保護(hù)。半導(dǎo)體類的防雷過(guò)壓器件（Sidactor和TVS）雖然反應(yīng)速度極快，但如前所述其耐高壓能力不足，難以獨(dú)立承擔(dān)整個(gè)線路的保護(hù)。目前TED-485半導(dǎo)體類氣體防雷管具有反應(yīng)速度快，寄生電容小（小于1 pF），耐浪涌能力強(qiáng)（＜300A@10/700us）等特性，特別適合用于RS-485接口的初級(jí)防護(hù)。

圖5為以TED-485防雷管為基礎(chǔ)構(gòu)建的初級(jí)和次級(jí)兩級(jí)防雷電路，該電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)RS-485接口的整體防雷擊和過(guò)壓保護(hù)。圖中Q1、Q2、Q3為TED-485防雷管，分別提供線線間和線地間的防雷擊過(guò)壓保護(hù)，TED-485防雷管的快速反應(yīng)特性使雷擊過(guò)電壓被迅速泄放，而浪涌吸收能量大的特性可以保證泄放過(guò)程中防雷管自身不被損壞。泄放過(guò)程中產(chǎn)生的瞬態(tài)大電流會(huì)在電路中感應(yīng)出一個(gè)尖峰電壓，此電壓幅值隨電路和器件選擇而有所不同，在數(shù)十伏到數(shù)百伏之間，脈寬在數(shù)十納秒到數(shù)百納秒之間。由于脈寬窄，該尖峰電壓的能量并不大。次級(jí)保護(hù)使用TVS管，其作用是吸收上述的尖峰電壓，將電壓可靠地箝位在安全范圍內(nèi)。圖中的R1、R2實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的隔離，可以選用能承受很大瞬態(tài)功率的小型線繞電阻或小型有機(jī)實(shí)心電阻。以上電路同時(shí)具有了8 kV空氣靜電放電和4 kV接觸靜電放電防護(hù)。在快速脈沖群（EFT）防護(hù)方面，信號(hào)線端已通過(guò)1 kV的測(cè)試。另外，在沒(méi)有加電源保護(hù)的情況下，已通過(guò)2 kV的電源端測(cè)試。如果將電路中的R1、R2換成耐壓和阻值合適的PTC，則具有過(guò)流保護(hù)功能。至此，該電路在防雷擊過(guò)壓的基礎(chǔ)上形成了對(duì)RS-485的整體防護(hù)[7]。

圖5 TED-485防雷管示意圖Fig. 5 Illustration graph of TED-485 lightning protection pipe

3.5 降低傳輸速率，提升RS-485的傳輸能力和可靠性

理論上，RS-485傳輸速率越高，信號(hào)的衰減就越高。因此，在滿足實(shí)際傳輸帶寬需求的前提下，適當(dāng)降低傳輸速率，可以進(jìn)一步提升RS-485的傳輸能力并增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。井下地震儀，對(duì)于6通道數(shù)采，采用19.2 kbps可以滿足24位100 Hz采樣率的傳輸和控制要求。

4 高精度授時(shí)模塊

地震監(jiān)測(cè)的時(shí)間服務(wù)非常關(guān)鍵，要求數(shù)據(jù)與時(shí)間必須一一對(duì)應(yīng)，通常采用GPS授時(shí)技術(shù)，通過(guò)包含有時(shí)間信息的GPS數(shù)據(jù)和秒脈沖模擬信號(hào)，保證GPS授時(shí)/守時(shí)精度優(yōu)于1 ms。

常規(guī)的GPS授時(shí)由于GPS天與GPS模塊距離很近（通常位于一塊電路板上），GPS數(shù)據(jù)、秒脈沖信號(hào)以通用數(shù)字電平信號(hào)方式輸入微處理器MCU處理。這種方式下，由于傳輸距離短，GPS天線到模塊之間傳輸?shù)氖歉哳l的射頻信號(hào)或常規(guī)電平信號(hào)，信號(hào)隨距離對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憥缀蹩梢圆挥杩紤]。

而井下設(shè)備，特別是深井設(shè)備，由于GPS天線在地表，授時(shí)儀器位于井底，GPS信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸條件下受到了嚴(yán)重衰減，導(dǎo)致無(wú)法正常授時(shí)。因此，長(zhǎng)距離授時(shí)需選用其他的授時(shí)方式，以保證2 000 m深井下的儀器授時(shí)。

數(shù)字RS-485授時(shí)方式可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸距離大于2 000 m，誤差范圍為μs級(jí)授時(shí)。圖6為授時(shí)原理框圖。與常規(guī)的授時(shí)方式相比，該方式讓秒脈沖鎖相后精確定時(shí)的誤差小于1 ms，其延時(shí)不到1 μs。圖7為用數(shù)字示波器實(shí)測(cè)的兩個(gè)脈沖的延時(shí)，完全能夠滿足地震監(jiān)測(cè)的需要，而傳統(tǒng)的授時(shí)方式無(wú)法做到這一點(diǎn)[8]。

圖6 井下授時(shí)原理框圖Fig. 6 Block graph of the principle of downhole timing

圖7 井下授時(shí)信號(hào)測(cè)試Fig. 7 Test of downhole timing signal

5 結(jié)語(yǔ)

井下甚寬頻帶地震儀傳輸設(shè)計(jì)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）由于各模塊采用各自的傳輸線纜，各綜合設(shè)備模塊之間無(wú)電信號(hào)連接，數(shù)字傳輸減少了模塊之間的耦合，減少了信號(hào)之間的互擾，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)可靠性。

（2）提高了傳輸線纜的傳輸容量，由于4芯（2根電源線，1對(duì)信號(hào)線）即可實(shí)現(xiàn)一套設(shè)備的傳輸，16路信號(hào)線即可傳輸4套完全不相關(guān)的綜合設(shè)備的數(shù)據(jù)，從而提高線纜的傳輸容量，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)完全雙備份提供了基礎(chǔ)條件。

（3）數(shù)字信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，經(jīng)測(cè)試高速數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá)到2 000 m以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于模擬傳輸?shù)男阅?；?shù)字信號(hào)的防雷擊能力優(yōu)于模擬信號(hào)。進(jìn)而提高了系統(tǒng)的可靠性[9]。