時(shí)鐘恢復(fù)及同步技術(shù)在地震勘探儀器中的應(yīng)用

摘要：隨著石油勘探的發(fā)展，在地震勘探儀器中越來(lái)越需要高精度的同步技術(shù)來(lái)支持高效采集?；谶@種目的，采用FPGA技術(shù)設(shè)計(jì)了一種時(shí)鐘恢復(fù)以及系統(tǒng)同步方案，并完成了系統(tǒng)的固件和嵌入式軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)室炔饈?、野宛}匝橐約吧產(chǎn)應(yīng)用，證明結(jié)合FPGA技術(shù)，時(shí)鐘恢復(fù)和系統(tǒng)同步技術(shù)在地震勘探儀器中具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，其精度可達(dá)us級(jí)，而且穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)方便。

地震勘探儀器是一個(gè)高度集成的網(wǎng)絡(luò)采集系統(tǒng)，在這些地震勘探儀器中，要求系統(tǒng)能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)采集，且在這種情況下能達(dá)到各個(gè)采集樣點(diǎn)的嚴(yán)格時(shí)間同步，而且要求在同步精度上要達(dá)到微秒級(jí)，因此涉及到時(shí)鐘同步和系統(tǒng)時(shí)間同步的2個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，即時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)以及系統(tǒng)同步技術(shù)這兩個(gè)核心技術(shù)。因此，圍繞這兩項(xiàng)技術(shù)，以前的地震勘探儀器采用了各種各樣的實(shí)現(xiàn)方法，但是精度不高，甚至有的系統(tǒng)沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)這兩種技術(shù)，對(duì)高精度、高效率石油地震勘探的發(fā)展不利。

本項(xiàng)目結(jié)合FPCA可編程邏輯技術(shù)，對(duì)通信中用到的時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)以及系統(tǒng)同步方法進(jìn)行探討，并設(shè)計(jì)了一種方案，經(jīng)過(guò)了試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用考驗(yàn)，證明其精度高，實(shí)現(xiàn)靈活，并取得了良好的應(yīng)用效果。

1 通信中的時(shí)鐘恢復(fù)設(shè)計(jì)

地震勘探儀器的有線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其包含了主機(jī)系統(tǒng)(中央控制系統(tǒng))，交叉站(通過(guò)光纖把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻x器車的設(shè)備)，電源站(給野外站體提供電源的設(shè)備)，采集站(用于采集地震數(shù)據(jù)的設(shè)備)，交叉線，排列電纜這些野外設(shè)備。一般主機(jī)系統(tǒng)和交叉站之間的數(shù)據(jù)傳輸采用光纖(交叉線)傳輸，電源站和采集站之間的采用銅纜(排列電纜)傳輸。

在這些數(shù)據(jù)傳輸中，涉及到命令的發(fā)送以及數(shù)據(jù)的收發(fā)。其中有2個(gè)基本的技術(shù)需要解決，一個(gè)是時(shí)鐘恢復(fù)，另外一個(gè)就是數(shù)據(jù)恢復(fù)，有的系統(tǒng)不需要時(shí)鐘恢復(fù)，只需要將數(shù)據(jù)恢復(fù)出來(lái)即可，但是有的系統(tǒng)需要兩個(gè)都要恢復(fù)出來(lái)，這需要依據(jù)系統(tǒng)的要求而定，本設(shè)計(jì)需要同時(shí)進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)以及數(shù)據(jù)恢復(fù)。

圖2是地震勘探儀器中采用的通信鏈路結(jié)構(gòu)。

圖中數(shù)據(jù)糾錯(cuò)模塊可以用RS前向糾錯(cuò)碼，也可以用應(yīng)答式的糾錯(cuò)控制。如果系統(tǒng)的誤碼率比較低，糾錯(cuò)模塊也可以不用。本設(shè)計(jì)充分利用系統(tǒng)的特點(diǎn)(即存在下行與上行數(shù)據(jù)通道)，采用重傳控制機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)目的。

在地震勘探儀器中，當(dāng)涉及到高效連續(xù)采集時(shí)候，時(shí)鐘恢復(fù)是必不可少的。其需要全網(wǎng)時(shí)鐘同步，其時(shí)鐘需要同步到主機(jī)系統(tǒng)的GPS時(shí)鐘。如果不需要震源高效采集，只需要同步到主機(jī)時(shí)鐘即可，此時(shí)可以不用CPS時(shí)鐘同步。

設(shè)計(jì)中通信編碼方式采用8B10B，采用此類編碼有利于時(shí)鐘的快速恢復(fù)，可以避免長(zhǎng)1或者0的編碼方式。在通信中，采用的時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)就是利用鎖相環(huán)PLL技術(shù)，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖中的相頻檢測(cè)器為數(shù)字鑒相器，完成VCO時(shí)鐘與輸入串行數(shù)據(jù)的時(shí)鐘的同步，其包括頻率與相位的同步。參考時(shí)鐘為中心頻率與串行數(shù)據(jù)隨路時(shí)鐘一樣，用于對(duì)串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘的快速鎖定。

數(shù)字鑒相器為鎖相環(huán)的核心部分。只有完成了頻率和相位的準(zhǔn)確定位和比較，才能輸出控制VCO的信號(hào)，從而達(dá)到頻率和相位一致。數(shù)字鑒相器本質(zhì)上是對(duì)輸入串行數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，采樣的時(shí)間窗口為一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)鐘周期，然后根據(jù)采樣的信息進(jìn)行時(shí)鐘相位超前或者滯后判斷，從而調(diào)節(jié)VCO的相位和頻率。

數(shù)字鑒相器的實(shí)現(xiàn)方案如圖4所示。

此鑒相器為在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)對(duì)輸入的數(shù)據(jù)流進(jìn)行相位變化檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果(超前或者滯后)由o1和o2進(jìn)行編碼表示。

在本方案設(shè)計(jì)中，無(wú)論是光纖傳輸還是銅纜傳輸，其命令通道都實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘恢復(fù)功能，因此能達(dá)到全網(wǎng)與主機(jī)時(shí)鐘同步，因此能支持長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)采集。系統(tǒng)時(shí)鐘恢復(fù)由自定義模塊實(shí)現(xiàn)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

通過(guò)此種方案，能讓主機(jī)系統(tǒng)，交叉站，電源站以及采集站等野外設(shè)備都同步到同一個(gè)時(shí)鐘源。

光纖通道的時(shí)鐘恢復(fù)由FPGA的IP硬核實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)同步

地震勘探儀器的同步需要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)技術(shù)：

1)全網(wǎng)時(shí)鐘同步;

2)延遲測(cè)試;

3)全網(wǎng)時(shí)間同步，即TOD同步;

4)采集開始時(shí)刻同步;

對(duì)本方案來(lái)說(shuō)，其全網(wǎng)時(shí)鐘同步已經(jīng)在時(shí)鐘恢復(fù)中實(shí)現(xiàn)，下面對(duì)其他3個(gè)技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 延遲測(cè)試

此延遲測(cè)試為測(cè)試相鄰站體間的命令傳輸延遲，為命令下行通道的延遲時(shí)間，此值在TOD設(shè)置時(shí)候需要，延遲測(cè)試過(guò)程如流程圖6所示。

2個(gè)站體之間的延遲測(cè)試涉及的參數(shù)包括：

1)大線或光纜延遲;

2)上一站體pps發(fā)送處理延遲時(shí)間;

3)站體內(nèi)部延遲;

2.2 TOD同步設(shè)置

TOD設(shè)置用于設(shè)置全網(wǎng)的時(shí)間一致，其設(shè)置流程如圖7所示。

圖中的TOD值由主機(jī)通過(guò)命令下傳。

2.3 采集開始時(shí)刻同步

在上述的TOD設(shè)置正確以及時(shí)鐘步調(diào)ticks一致后，就可以進(jìn)行采集開始時(shí)刻的設(shè)置，此步驟根據(jù)施工需要進(jìn)行設(shè)置，由主機(jī)命令啟動(dòng)。其設(shè)置流程圖如下：

圖中分為主機(jī)系統(tǒng)、主機(jī)接口卡以及野外站體3大部分，其中放炮采集和測(cè)試采集都需要進(jìn)行采集開始同步設(shè)置。

3 實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用效果

本方案設(shè)計(jì)成功后，經(jīng)過(guò)了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試平臺(tái)包括：

1)力科SDA13000串行數(shù)據(jù)分析儀;

2)安捷倫MS06104A示波器;

系統(tǒng)從以下2個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估。

①傳輸性能測(cè)試

測(cè)試平臺(tái)采用力科SDA13000串行數(shù)據(jù)分析儀，2節(jié)點(diǎn)之間傳輸距離為220米，速率為10.24 Mbps，分析參數(shù)包括眼圖，抖動(dòng)等。測(cè)試得到的眼圖參數(shù)如表1。

從表1可以看出，系統(tǒng)傳輸性能良好，在時(shí)鐘恢復(fù)良好情況下，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，并且經(jīng)過(guò)了實(shí)際應(yīng)用的證明。

②系統(tǒng)同步精度測(cè)試

系統(tǒng)同步精度我們通過(guò)測(cè)試采集開始時(shí)刻TO來(lái)驗(yàn)證，我們采用測(cè)試任意2個(gè)站體之間的TO同步脈沖相位差的方式，此脈沖由主機(jī)系統(tǒng)的放炮命令啟動(dòng)，表示采集開始時(shí)刻TO的同步。測(cè)試儀器為高精度數(shù)字示波器，上升沿觸發(fā)，測(cè)試多次結(jié)果，統(tǒng)計(jì)如表2。

從表2可以看出，系統(tǒng)同步精度很高，遠(yuǎn)小于1μs，完全能滿足地震系統(tǒng)采集的要求。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用，可以看出：

1)全網(wǎng)時(shí)鐘以及時(shí)間同步能有效地解決長(zhǎng)時(shí)間采集導(dǎo)致的時(shí)鐘漂移(此會(huì)導(dǎo)致采集樣點(diǎn)在時(shí)間上的不同步)，因此是地震勘探儀器高效采集的核心基礎(chǔ);

2)采用FPGA邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步控制，在精度控制以及資源利用方面具有優(yōu)勢(shì);

3)采用FPGA邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，不但能最大發(fā)揮數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)高效的硬實(shí)時(shí)性能，時(shí)鐘恢復(fù)實(shí)現(xiàn)手段靈活簡(jiǎn)單。