李君輝，陳祖斌，申茂冬，朱亞東洋，龐廣華

(吉林大學儀器科學與電氣工程學院，吉林長春 130061)

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，人類對金屬礦產(chǎn)資源的需求與日俱增，磁法勘探、電法勘探、地震勘探、放射性勘探、物探新方法等一系列物探技術(shù)應運而生。如今地表和淺層的資源越來越少，難以滿足社會發(fā)展的需要，據(jù)預測未來若干年，國內(nèi)主要金屬礦產(chǎn)資源需求仍將有大幅度增加[1]。深部資源探測是解決金屬礦供需的根本途徑，地震勘探以其探測深度大、精度高的特點，是進行地球深部探測的有效的技術(shù)手段之一。

地震勘探儀器是地震勘探的關(guān)鍵設備，用于完成對野外地震數(shù)據(jù)的采集和記錄[2]。法國Sercel公司生產(chǎn)的地震采集系統(tǒng)是目前國內(nèi)外比較認可的，尤其是近年來推出的Unite與428XL是目前國際市場上應用較好的主流產(chǎn)品。但是這兩款產(chǎn)品都是依靠GPS工作，在野外GPS失鎖時內(nèi)部時鐘只能維持15～25 min．

為了滿足國家經(jīng)濟快速發(fā)展對資源的需求，以及提升在深部探測方面的核心競爭力，國內(nèi)加強了對地震勘探技術(shù)及儀器的研究。在這種背景下，國內(nèi)開展了深部探測技術(shù)與實驗研究專項(SinoProbe，2008—2012)，這也是國內(nèi)歷史上實施的規(guī)模最大的地球深部探測計劃[3]。其中，針對地球深部目標探測需求，吉林大學自主研制了無纜自定位地震儀及其相應的配套儀器。無纜自定位地震儀采用無通訊鏈路連接方式，各地震采集站獨立工作，以GPS接收機輸出的1 PPS脈沖信號為基準，采用整秒觸發(fā)的方法同震源同步工作[1]，實現(xiàn)幾百道甚至成千上萬道同步采集。目前無纜自定位地震儀已經(jīng)研制成型并于2012年12月應用在遼寧興城野外實驗中。

如上所述，目前主流的地震儀主要依靠GPS輸出的1PPS脈沖進行同步采集，當無GPS信號時才會使用系統(tǒng)內(nèi)置的時鐘模塊作為同步時標，GPS接收機的長時間運行無疑會造成較大的能耗。為了更好地適應野外長時間工作的需要，盡可能的降低功耗，該系統(tǒng)在原有地震儀的基礎上提出了定時校鐘的方法，在地震儀工作過程中大部分時間關(guān)閉GPS，將采集站內(nèi)置時鐘作為采集站第一同步時標，在滿足采集站同步精度的同時降低了儀器的功耗。

1 校鐘系統(tǒng)原理

石英晶體因切割工藝水平限制而存在中心頻率誤差，通常為 2～50 ppm(1 ppm=10-6)，長時間運行后會產(chǎn)生較大的累積偏差。石英晶體振蕩器走時精度可以通過補償晶體的中心頻率誤差和溫度漂移來提高，目前常用的兩種補償方法為電容補償和數(shù)字補償。電容補償通過調(diào)整晶體振蕩電路的諧振電容值來調(diào)整震蕩頻率向溫度漂移的相反方向變化，數(shù)字補償則是通過增加或者減少分頻器中每s對振蕩器周期的計數(shù)個數(shù)來修正頻率漂移帶來的偏差。由于晶體測溫的不精確和補償方法精度水平的限制，補償所能達到的精度仍然很有限。因此該設計在數(shù)字補償?shù)幕A上，結(jié)合無纜地震儀的使用要求，提出了一種利用GPS的高精度授時定時校鐘的方法。

GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))是利用美國的24顆GPS衛(wèi)星所發(fā)射的信號而建立的覆蓋全球的導航、定位、授時系統(tǒng)，可提供高精度、全天時、全天候的導航、定位和授時服務。用戶僅需要一個GPS 接收模塊就可以得到與UTC國際標準時間同步的高精度1PPS脈沖(pulse per second)，以及通過串口輸出的含有與其相對應的絕對時刻。其優(yōu)異的授時性能，使其在同步系統(tǒng)中得到了廣泛應用。

該校鐘系統(tǒng)便是結(jié)合GPS的1PPS脈沖無累計誤差和高精度石英晶體振蕩器無隨機誤差的特性，利用GPS輸出的1PPS脈沖及與其對應的UTC信息，采用定時的方法校準、同步各采集站內(nèi)置的時鐘模塊。具體實施方案為：當?shù)竭_預設校鐘時刻時，開啟GPS，利用GPS接收機輸出的1 PPS脈沖信號，采用直接計數(shù)的方法，實現(xiàn)對采集站內(nèi)置32.768 MHz恒溫晶振的頻率校正；同時利用1 PPS脈沖進行各采集站的秒分頻信號邊沿校準；最后，利用ARM解析出的GPS時間信息校正各采集站內(nèi)部時鐘。校正成功后，關(guān)閉GPS。此后以校正后輸出的秒分頻信號作為無纜地震儀采集站的同步時標，同時采集站內(nèi)部時鐘依靠該秒分頻信號實現(xiàn)計時功能，給地震儀內(nèi)的數(shù)據(jù)采集電路提供精確時鐘，以便每臺采集站在同一時刻下工作。

2 校鐘系統(tǒng)設計

2．1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

設計采用Cyclone II系列EP2C8Q208C8 FPGA芯片作為校鐘系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理核心，基于Quartus II開發(fā)平臺，設計了如圖1所示的校鐘系統(tǒng)。由圖可知，系統(tǒng)主要由GPS接收機、ARM、串口通信、校鐘控制模塊、分頻模塊、時鐘模塊和定時模塊組成。文中將對主要模塊進行介紹。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2．2各分模塊介紹

2．2．1 GPS接收機

GPS接收機主要為校鐘系統(tǒng)提供UTC時刻信息以及與UTC國際標準時間同步的1PPS脈沖。校鐘開啟時，系統(tǒng)將以此為依據(jù)進行校頻、校沿及校準當前時刻。

設計所采用的GPS接收機為Crescent系列HC12A單頻接收機，該GPS接收模塊是一款單頻12通道接收機，支持12通道全視野操作，可進行C/A碼與L1全波載波相位測量，通過單站多星測時方法能提供50 ns精度1 PPS(Pulse Per Second)脈沖信號輸出。其數(shù)據(jù)輸出格式采用 NMEA-0183消息協(xié)議和SLX二進制數(shù)據(jù)。

2．2．2 ARM

ARM作為系統(tǒng)的主控制模塊，主要負責在系統(tǒng)啟動時初始化系統(tǒng)(主要為校鐘控制、計時、定時模塊賦初值)，并在系統(tǒng)工作過程中根據(jù)串口模塊的反饋信息進行開啟GPS、解析并輸出UTC、輸出預設定時信息等操作。

2．2．3 串口通信

作為ARM與FPGA溝通的“橋梁”，該模塊的主要功能是實現(xiàn)FPGA與ARM的信息交互，即將FPGA的相關(guān)模塊的狀態(tài)信息反饋給ARM，或根據(jù)ARM的初始化、校時、更改定時時間等指令對FPGA相應模塊進行設置。

2．2．4 時鐘模塊

時鐘模塊由校鐘控制、分頻、計時等模塊組成。該模塊具有年、月、日、時、分、秒計時功能，作為采集站的內(nèi)部時鐘，為定時模塊提供精確的當前時刻信息。此外，該模塊可根據(jù)定時模塊的相關(guān)命令，利用GPS進行校頻、校沿以及校準當前時刻。

2．2．5 定時模塊

定時模塊的主要目的是監(jiān)控當前時刻，將其與系統(tǒng)預設的校鐘時刻、采集開始時刻與停止時刻進行比較，并根據(jù)判斷值，輸出校鐘控制信號或采集控制信號。

3 校鐘系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3．1校鐘

如上所述，該模塊主要依據(jù)GPS接收機輸出的高精度的1 PPS脈沖信號以及經(jīng)ARM解析的精確到秒的UTC信息進行校準時鐘模塊的當前時刻與秒分頻信號的周期及上升沿，為各采集站輸出精確的同步信號及當前時刻。該設計所采用的校鐘方法分為校頻、校沿與校正時刻3個步驟，文中將分別對3個步驟加以介紹。

3．1．1 校頻

如圖2所示：通過對2個1 PPS脈沖之間的clk脈沖計數(shù)來校準恒溫晶振的頻率，當計數(shù)完成后，使其輸出高精度的秒分頻信號。在計數(shù)過程中，如果計數(shù)值超過3 N/2，則表示GPS失鎖，計量的不是兩個相鄰1 PPS脈沖之間的clk脈沖個數(shù)，F(xiàn)PGA將對計數(shù)器清零，重新計數(shù)，直到測得兩個相鄰1 PPS脈沖之間的clk脈沖，停止計數(shù)，并將計數(shù)值T1傳遞給分頻模塊。

圖2 校鐘控制流程圖

3．1．2 校沿

校頻操作完成后，分頻模塊輸出高精度的秒分頻信號。由于多個采集站輸出的秒分頻信號的上升沿產(chǎn)生時刻各不相同，因此，有必要對秒分頻脈沖進行校沿。該系統(tǒng)所采用的方法如圖3所示，當1 PPS上升沿來臨時，對計數(shù)器counter1清零，重新計數(shù)，由于事先已進行校頻，因此，下一個1 PPS上升沿到來時，分頻計數(shù)器剛好計算完一個周期并輸出上升沿，從而實現(xiàn)各采集站秒分頻信號的上升沿同步。

圖3 校沿與秒分頻信號輸出流程圖

3．1．3 校準當前時刻

由于累積誤差的存在，系統(tǒng)經(jīng)過一段時間的運行后，各采集站內(nèi)部時鐘的當前時刻值可能會有差異，因此，校沿操作完成后，有必要對系統(tǒng)時鐘的當前時刻進行校正。其過程如下：在校頻過程中，串口通訊模塊向ARM請求并接收ARM解析出的當前時刻信息，然后在下一個秒分頻信號上升沿到來前，將時刻信息傳遞給系統(tǒng)時鐘模塊。

3．2定時

為了降低無纜地震儀的功耗，延長系統(tǒng)的工作時間，地震儀采用定時校鐘設計，使GPS長時間的處于關(guān)閉狀態(tài)，只有在特定時刻開啟一段時間。因此需要在系統(tǒng)中加入一個定時模塊，將當前時刻與系統(tǒng)預設的希望需要校時的時刻進行比較，當前時刻到達預設時刻時，通知相關(guān)模塊，進行校鐘。ARM可以存儲多個校鐘時刻，當一次校正完成后，定時模塊通過串口接收下次校鐘時刻信息，從而達到多次校鐘的目的。詳細過程請參考圖4。

此外，此模塊通過比較當前時間與系統(tǒng)預設采集時間，判斷采集系統(tǒng)是否采集。同樣，可以在ARM模塊中預設多組采集的開始時刻與停止時刻，當采集完成一次后，定時模塊可以通過串口模塊接收下組時間窗信息，達到分段采集的目的。詳細流程如圖4所示。

圖4 定時模塊設計流程圖

4 誤差分析與仿真測試

4．1誤差分析

秒分頻信號的誤差主要來源于校準時所產(chǎn)生的絕對時間偏差和走時所產(chǎn)生的累積偏差，分別記為ΔT1和ΔT2。

絕對時間偏差包括GPS 秒脈沖自身誤差以及分頻得到的秒分頻信號邊沿誤差。由于GPS 衛(wèi)星信號既不會老化，也不會漂移，因此，GPS接收機的1 PPS脈沖同步誤差恒為±50 ns．同樣由于設計的原因(詳情見圖4)，秒分頻信號邊沿誤差最大為一個時鐘脈沖周期±30 ns．綜上所述，絕對時間偏差為：

ΔT1=±(50+30)ns

(1)

同理，GPS 1 PPS脈沖與恒溫晶振時鐘之間的相位差是隨機的，2個IPPS脈沖之間的計數(shù)值會有一個±1的誤差，因此，1 s內(nèi)恒溫晶振所產(chǎn)生的積累偏差為：1/32.768 MHz(±30 ns)。即時鐘校正后運行時間為nmin，則其走時累積偏差為：

ΔT2=±30×60 n=±1 800n(ns)

(2)

綜上所述，可得采集站內(nèi)部時鐘同步誤差為：

ΔT=ΔT1+ΔT2=±(80+1 800n)ns

(3)

因此，若采集前5 min完成一次校鐘操作，則同步誤差為：

ΔT=ΔT1+ΔT2=±(80+1 800×5)=9 080 ns

(4)

同理，若采集前1 s完成一次校鐘操作，則同步誤差為：

ΔT=ΔT1+ΔT2=±(80+1 800/60)=110 ns

(5)

無纜地震儀采集站所要求時鐘同步精度為0.01 ms．通過計算可以看出，只要采集前5 min內(nèi)如果能成功完成一次校鐘操作，即能滿足采集站所要求的時鐘同步精度，如果，采集前一秒能完成一次校鐘操作，則采集站內(nèi)部時鐘同步誤差僅為0.11 μs，比系統(tǒng)要求的誤差提高了2個數(shù)量級。

4．2仿真測試

系統(tǒng)仿真基于Quartus Ⅱ開發(fā)平臺，采用VHDL硬件描述語言編寫校正程序，并進行時序仿真，仿真結(jié)果如下。

圖5為系統(tǒng)校鐘部分仿真圖，從圖中可以看出，剛開始時，分頻得到的秒分頻信號脈沖s_sig周期小于1 s，上升沿也與1 PPS脈沖邊沿存在偏差，而且當前時刻pr_time也與UTC時間不同。當pr_time等于系統(tǒng)預設的校鐘時刻adjust_time時，校鐘控制信號adjust變?yōu)楦唠娖剑到y(tǒng)開始完成較頻、校沿以及校正當前時刻等操作，同時修改下次校正時刻。很明顯，通過校鐘操作，秒分頻信號s_sig的周期變?yōu)? s，上升沿基本上與1 PPS脈沖上升沿吻合，當前時刻也與UTC時刻一致。

圖5 系統(tǒng)校正仿真波形圖

圖6為分段采集仿真波形圖，仿真圖中預先設置時間窗，圖中pr_time到達預設的start_sample時，采集信號sample輸出高電平，系統(tǒng)開始采集。維持到預設的stop_sample時，采集信號sample又變回低電平，采集結(jié)束。同時，系統(tǒng)更改采集的開始時刻與結(jié)束時刻，設置下次采集的時間窗。

5 結(jié)束語

根據(jù)野外地質(zhì)勘探的實際需求，設計了基于FPGA的定時校鐘系統(tǒng)。首次提出了低功耗無纜地震儀定時校鐘設計，即通過定時開啟GPS，降低了系統(tǒng)的功耗，延長了系統(tǒng)在野外穩(wěn)定工作的時間。通過在線修改校鐘時刻，實現(xiàn)多次校鐘，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；同時提出了無纜地震儀在線可更改采集開始時刻與結(jié)束時刻的方法，實現(xiàn)了分段采集的功能，可以一次布置，多次采集，提高了野外工作的效率。最后，通過時序仿真和分析驗證，表明該設計完全能夠滿足無纜地震采集系統(tǒng)對于較高的同步精度的要求，使無纜自定位地震儀在野外復雜環(huán)境中更具優(yōu)勢。

圖6 分段采集仿真波形圖

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作者簡介：李君輝(1989—)，碩士研究生，主要研究方向為地震探測技術(shù)及儀器。E-mail：bhdxljh@126．com