楊會偉，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)源多個探測點的同步啟動誤差和同步采樣誤差分析，提出了一種基于51單片機+FPGA的高精度、多通道高速同步采集系統(tǒng)設(shè)計方案.利用GPS秒脈沖上升沿實現(xiàn)各個探測點的同步啟動，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的上升沿校正實際的采樣時鐘信號，實現(xiàn)各探測點的同步采集.實驗表明，該系統(tǒng)校正后的高精度秒脈沖信號pps的誤差最小可達到5～10 ns，平均誤差約30 ns，且pps信號的頻率非常均勻.

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

0 引 言

多通道數(shù)據(jù)采集在工業(yè)測控領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，它在計算機測控系統(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，對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性都有很高的要求.同樣，在地震探測領(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點火和采集電路啟動數(shù)據(jù)采集.由于整個遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，各個分支采集站均采用相互獨立的設(shè)計單元，即其相互之間的信號起始時間是毫無關(guān)聯(lián)的.而對于地震勘探來說，對同一震源產(chǎn)生的地震波，要求多個采集道的數(shù)據(jù)采集起始時間應(yīng)該是嚴(yán)格同步的，主要是因為地震波在彈性介質(zhì)中傳播速度很快，各個采集通道采集時間的不同步，將會導(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，這就要求實際的地震勘探中，在人工震源產(chǎn)生地震波的同時，應(yīng)該向各個分支采集站點發(fā)送一個同步采集信號，以保證各分支采集站點所加載的各地震采集道能夠同步采集.本文針對勘探、測控等行業(yè)的特點，提出了一種51單片機+FPGA的高精度、多通道、高速度的同步采集系統(tǒng)方案.

1 同步啟動方案

1.1 同步啟動誤差分析

地震勘探中，圍繞主控單元，存在多個探測點，主控單元通過接受遙爆點引爆時向各個采集站點發(fā)出同步采集啟動信號，該信號在傳輸過程中因傳輸延時以及各種干擾等因素造成同步控制信號不能夠同時到達各個探測點，無法實現(xiàn)同時啟動采集，造成數(shù)據(jù)分析誤差.

1.2 同步啟動解決方案

方案一、由于引爆點距離各個探測點具有一段距離，通過GPS的秒時鐘配合本地時鐘記錄時間戳,測算距離主控最遠的探測點接受到同步信號的延時時間，以此探測點接收到同步采集信號為基準(zhǔn)記錄各個探測點的采集數(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)時間點難以把握.

方案二、采用GPS秒脈沖實現(xiàn)各個探測點同時采集.首先由主控中心向各個探測點以及引爆點提前發(fā)送一條指令，向引爆點以及各個探測點發(fā)送一個時間點預(yù)置數(shù)，引爆點以及各個探測點通過檢測GPS的UTC時間信號，與時間點預(yù)置數(shù)進行比較，如果UTC給出的時間信息是預(yù)置時間前一秒，則開始捕獲下一個GPS秒脈沖信號，該信號上升沿一到來，各個探測點以及爆破點同時啟動.但此方案需要各個探測點以及引爆點都需要有GPS接受模塊以及MCU控制單元，正確識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

秒脈沖輸出是一個高電平，持續(xù)時間約為200 ms，低電平的持續(xù)時間約為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)采集時間誤差分析

同步采樣是實現(xiàn)異地同步測量的關(guān)鍵技術(shù)，只有確保各測量點的采樣時間是同步進行的，同一時刻計算出的相量具有同一的參考時間基準(zhǔn)，其相位關(guān)系才可以直接進行比較.為了實現(xiàn)各個探測點同步采集數(shù)據(jù)，各個探測點采用相同的采樣頻率，采用相同的時鐘邊沿觸發(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，容易出現(xiàn)累計誤差，導(dǎo)致各個探測點采集時鐘的邊沿不一致，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不同步.如圖所示：

圖2 多探測器同步采樣時間誤差

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)合校正本地采樣時鐘實現(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 方波信號晶振秒時鐘pps.并在每次GPS發(fā)出的1PPS上升沿到來時，對晶振秒時鐘分頻計數(shù)器清零一次，以減小pps信號的累計誤差，提高晶振秒時鐘的精度.如果想使pps累計誤差更小，精度更高，也可以采用如下方法：根據(jù)數(shù)字鎖相原理，通過測量GPS秒時鐘1PPS與pps的相位差來控制pps計數(shù)器的分頻系數(shù)，從而產(chǎn)生與1PPS高度同步的pps信號.當(dāng)GPS短期內(nèi)工作不正常時，就用pps信號代替1PPS信號來工作，短時間內(nèi)誤差較小.最后利用高穩(wěn)晶振分頻得到需要的各種時鐘，并利用高精度秒時鐘pps進行鐘同步.

方案二、第一種方案沒有考慮GPS產(chǎn)生的1pps信號漂移誤差問題，如果要實現(xiàn)對1PPS信號漂移誤差的校正，可以按照以下方法：利用高穩(wěn)晶振(例如100 MHz)對兩個1PPS秒時鐘之間的間隔進行計數(shù)(每來一個1PPS上升沿，就記錄其和上一次上升沿之間的計數(shù)值，并將計數(shù)器重新清零開始下一次計數(shù))，將最近的N個計數(shù)值進行動態(tài)平均，得到N秒內(nèi)的平均計數(shù)值，對該計數(shù)值進行動態(tài)平均和誤差估計，將動態(tài)平均值n-以及誤差ε-用于對分頻計數(shù)值進行修正，并將這兩個修正參數(shù)保存到RAM中；然后再計算出下一個1PPS到來時的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鐘pps；在GPS工作不正常時，就依次反復(fù)從RAM中取出保留的修正參數(shù)對當(dāng)前的晶振秒時鐘pps進行校正，也可以使pps在GPS失常的長時間內(nèi)保持較高的精度.(這種算法比較復(fù)雜,GPS發(fā)出的1PPS信號的漂移誤差是很小的，通常是ns級，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失步較短時間內(nèi)可以利用晶振秒時鐘實現(xiàn)高精度同步；但是如果GPS失步時間較長，晶振秒時鐘累計誤差較大.第二種方案在GPS正常工作時可以實現(xiàn)高精度秒時鐘輸出，并能在GPS工作失常時長時間內(nèi)提供高精度晶振秒時鐘，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)合以上兩種方案實現(xiàn)高精度秒時鐘輸出.

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：整個方案從結(jié)構(gòu)上分為兩個模塊，單片機控制模塊和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 單片機控制模塊

單片機控制模塊主要實現(xiàn)功能：(1)接受主控中心發(fā)來數(shù)據(jù)采集啟動時間t，接受GPS發(fā)出的UTC時間，通過比較判斷UTC時間是否到達啟動時間t的前一秒，如果達到，向FPGA發(fā)出指令，F(xiàn)PGA開始啟動捕獲GPS在t-1后發(fā)出的1PPS秒時鐘的上升沿，如果到來，啟動采集.這樣能夠保證各個探測點以及引爆點都能夠在t時刻同時啟動.達到同步啟動的目的.(2)單片機控制模塊的另一個功能是判斷GPS是否正常工作，根據(jù)正常與否向FPGA發(fā)送狀態(tài)信號，F(xiàn)PGA根據(jù)狀態(tài)信號對二選一數(shù)據(jù)選擇器進行選擇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，這樣既能確保各個采集模塊在GPS信號有效時保持高精度同步，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)進行PPS矯正，達到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秒時鐘1PPS中的干擾信號(主要是瞬間毛刺信號)；(2)結(jié)合單片機控制單元實現(xiàn)同步采集啟動；(3)高精度秒脈沖的矯正.通過1PPS信號與PPS信號進行相位比較，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的秒時鐘PPS，分頻系數(shù)δ=1*108，但由于晶振存在累計誤差，需要利用1PPS的上升沿對PPS進行校正，減少累計誤差.當(dāng)PPS的相位提前于1PPS時，將分頻系數(shù)δ-1進行調(diào)整；當(dāng)PPS的相位滯后于1PPS時，將分頻系數(shù)δ+1進行調(diào)整；當(dāng)PPS的相位與1PPS相位一致時，分頻系數(shù)δ不變；通過這種處理方法既可以減少本地時鐘的累計誤差，又減少了1PPS漂移引起的誤差，因為PPS最多只能漂移一個時鐘周期(100 MHz時鐘)，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高精度秒時鐘PPS.

3.3 探測器高精度采樣時鐘的產(chǎn)生

利用高穩(wěn)晶振(100 MHz)CLK分頻得到采樣時鐘SCLK，并且在每次高精度晶振秒時鐘PPS上升沿到來時對SCLK同步一次，以保證SCLK的前沿與PPS時間同步，如圖4所示.這樣各個探測點都以PPS來同步，可以達到可精度同步的效果.

圖4 同步采樣時鐘獲取

4 實驗分析

為對本文提出的高速多通道同步采集系統(tǒng)方案進行可行性研究，進行了如下測試實驗.實驗中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，且其秒時鐘隨機誤差服從正態(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.通過實驗測試，校正后的高精度秒脈沖信號pps的誤差最小可達到5～10 ns，平均誤差約30 ns，且pps信號的頻率非常均勻.采用兩套同樣設(shè)備，將一套實驗設(shè)備的GPS關(guān)閉，對比關(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現(xiàn)各探測點的高精度同步數(shù)據(jù)采集.

5 結(jié)束語

采用FPGA+單片機相結(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誤差影響，實現(xiàn)了GPS秒脈沖的隨機誤差和高精度晶振累計誤差互補，誤差精度可達5～10 ns.通過RAM記錄GPS正常工作下的修正參數(shù)，保證在GPS失效情況下長時間的高精度輸出.該方案正用于地震勘探工程項目中解決多個不同探測點的同步數(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)研究重點項目(KJ2016A764);安徽省校企合作實踐教育基地(2012sjjd047);安徽省信息技術(shù)專業(yè)群教學(xué)團隊(2013jxtd051)

楊會偉(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，主要從事測試計量技術(shù)及儀器和數(shù)字信號的研究.

TP391

A

1672-3600(2016)12-0053-04