杨会伟，马书香，周先飞

(芜湖职业技术学院 信息工程学院，安徽 芜湖 241002)



地质勘探多通道高速数据同步采集技术研究

杨会伟，马书香，周先飞

(芜湖职业技术学院 信息工程学院，安徽 芜湖 241002)

通过分析地震勘探中同一数据源多个探测点的同步启动误差和同步采样误差分析，提出了一种基于51单片机+FPGA的高精度、多通道高速同步采集系统设计方案.利用GPS秒脉冲上升沿实现各个探测点的同步启动，并将高精度晶振和GPS秒脉冲相结合，产生高精度高稳秒脉冲pps.最后利用pps的上升沿校正实际的采样时钟信号，实现各探测点的同步采集.实验表明，该系统校正后的高精度秒脉冲信号pps的误差最小可达到5～10 ns，平均误差约30 ns，且pps信号的频率非常均匀.

全球定位系统;现场可编程逻辑门阵列；同步；地震勘探；高精度时钟

0 引 言

多通道数据采集在工业测控领域应用非常广泛，它在计算机测控系统中已成为重要环节.目前大多数数据的采集都是在非常严苛的环境下开展的，对数据的准确性和实时性都有很高的要求.同样，在地震探测领域也需要大量高速数据的采集处理.在当今的地震探测中，数据采集方式通常分为：单炮断续采集和多炮连续采集2种.不管是采用哪种方式，采集控制均由用户在主控单元设定采集参数，然后由主控单元发出采集命令控制遥爆机点火和采集电路启动数据采集.由于整个遥测数据采集系统采用分布式结构，各个分支采集站均采用相互独立的设计单元，即其相互之间的信号起始时间是毫无关联的.而对于地震勘探来说，对同一震源产生的地震波，要求多个采集道的数据采集起始时间应该是严格同步的，主要是因为地震波在弹性介质中传播速度很快，各个采集通道采集时间的不同步，将会导致各采集通道采集的地震波数据所反应的地质结构并非来自同一地层结构，由此给地震勘探带来极大的误差，这就要求实际的地震勘探中，在人工震源产生地震波的同时，应该向各个分支采集站点发送一个同步采集信号，以保证各分支采集站点所加载的各地震采集道能够同步采集.本文针对勘探、测控等行业的特点，提出了一种51单片机+FPGA的高精度、多通道、高速度的同步采集系统方案.

1 同步启动方案

1.1 同步启动误差分析

地震勘探中，围绕主控单元，存在多个探测点，主控单元通过接受遥爆点引爆时向各个采集站点发出同步采集启动信号，该信号在传输过程中因传输延时以及各种干扰等因素造成同步控制信号不能够同时到达各个探测点，无法实现同时启动采集，造成数据分析误差.

1.2 同步启动解决方案

方案一、由于引爆点距离各个探测点具有一段距离，通过GPS的秒时钟配合本地时钟记录时间戳,测算距离主控最远的探测点接受到同步信号的延时时间，以此探测点接收到同步采集信号为基准记录各个探测点的采集数据，前端采集数据舍去.但是此方法容易丢失有用数据信息，增加软件处理难度，且基准时间点难以把握.

方案二、采用GPS秒脉冲实现各个探测点同时采集.首先由主控中心向各个探测点以及引爆点提前发送一条指令，向引爆点以及各个探测点发送一个时间点预置数，引爆点以及各个探测点通过检测GPS的UTC时间信号，与时间点预置数进行比较，如果UTC给出的时间信息是预置时间前一秒，则开始捕获下一个GPS秒脉冲信号，该信号上升沿一到来，各个探测点以及爆破点同时启动.但此方案需要各个探测点以及引爆点都需要有GPS接受模块以及MCU控制单元，正确识别秒脉冲是确保同步的关键.此方案不需要考虑GPS秒脉冲的漂移.但需要考虑GPS失步问题，GPS信号接受异常问题，以及秒脉冲之间的干扰问题,如图1所示：

图1 秒脉冲间干扰

秒脉冲输出是一个高电平，持续时间约为200 ms，低电平的持续时间约为800 ms.由于秒脉冲的上升沿与UTC秒严格同步，并且电路干扰信号可以通过软件滤波或者硬件滤波来解决，通过比较以上方案，采用第二种方案.

2 多通道数据同步采集

2.1 多通道数据采集时间误差分析

同步采样是实现异地同步测量的关键技术，只有确保各测量点的采样时间是同步进行的，同一时刻计算出的相量具有同一的参考时间基准，其相位关系才可以直接进行比较.为了实现各个探测点同步采集数据，各个探测点采用相同的采样频率，采用相同的时钟边沿触发.但由于受到环境温度、电路干扰等影响晶振自身存在延时，容易出现累计误差，导致各个探测点采集时钟的边沿不一致，导致数据采集不同步.如图所示：

图2 多探测器同步采样时间误差

2.2 多通道数据同步采集方案

方案一、利用GPS的1PPS与高速稳定晶振相结合校正本地采样时钟实现同步.

在FPGA内部已知高稳晶振(100 MHz) 采用PLL分频得到 1 Hz 方波信号晶振秒时钟pps.并在每次GPS发出的1PPS上升沿到来时，对晶振秒时钟分频计数器清零一次，以减小pps信号的累计误差，提高晶振秒时钟的精度.如果想使pps累计误差更小，精度更高，也可以采用如下方法：根据数字锁相原理，通过测量GPS秒时钟1PPS与pps的相位差来控制pps计数器的分频系数，从而产生与1PPS高度同步的pps信号.当GPS短期内工作不正常时，就用pps信号代替1PPS信号来工作，短时间内误差较小.最后利用高稳晶振分频得到需要的各种时钟，并利用高精度秒时钟pps进行钟同步.

方案二、第一种方案没有考虑GPS产生的1pps信号漂移误差问题，如果要实现对1PPS信号漂移误差的校正，可以按照以下方法：利用高稳晶振(例如100 MHz)对两个1PPS秒时钟之间的间隔进行计数(每来一个1PPS上升沿，就记录其和上一次上升沿之间的计数值，并将计数器重新清零开始下一次计数)，将最近的N个计数值进行动态平均，得到N秒内的平均计数值，对该计数值进行动态平均和误差估计，将动态平均值n-以及误差ε-用于对分频计数值进行修正，并将这两个修正参数保存到RAM中；然后再计算出下一个1PPS到来时的n-以及误差ε-.采用这种方法，在GPS正常工作情况下，可以得到高精度晶振秒时钟pps；在GPS工作不正常时，就依次反复从RAM中取出保留的修正参数对当前的晶振秒时钟pps进行校正，也可以使pps在GPS失常的长时间内保持较高的精度.(这种算法比较复杂,GPS发出的1PPS信号的漂移误差是很小的，通常是ns级，并且GPS稳定性挺高的，工作失常的情况是很少的，如果同步精度要求不是特别高的话，应该可以不考虑1pps的漂移误差,在GPS接受模块的硬件电路设计中要考虑抗干扰问题).

通过比较以上两种方案，第一种方案比较简单，没有考虑GPS输出1PPS的漂移误差，在GPS失步较短时间内可以利用晶振秒时钟实现高精度同步；但是如果GPS失步时间较长，晶振秒时钟累计误差较大.第二种方案在GPS正常工作时可以实现高精度秒时钟输出，并能在GPS工作失常时长时间内提供高精度晶振秒时钟，但算法比较复杂，处理麻烦.所以综合以上两种方案，拟结合以上两种方案实现高精度秒时钟输出.

3 多通道数据同步采集系统方案

通过以上分析，最终确定多通道高速数据同步采集系统方案：整个方案从结构上分为两个模块，单片机控制模块和FPGA控制模块.

图3 多通道高速数据同步采样系统框图

3.1 单片机控制模块

单片机控制模块主要实现功能：(1)接受主控中心发来数据采集启动时间t，接受GPS发出的UTC时间，通过比较判断UTC时间是否到达启动时间t的前一秒，如果达到，向FPGA发出指令，FPGA开始启动捕获GPS在t-1后发出的1PPS秒时钟的上升沿，如果到来，启动采集.这样能够保证各个探测点以及引爆点都能够在t时刻同时启动.达到同步启动的目的.(2)单片机控制模块的另一个功能是判断GPS是否正常工作，根据正常与否向FPGA发送状态信号，FPGA根据状态信号对二选一数据选择器进行选择PPS的产生方法.如果工作正常，借助于1PPS产生PPS；如果工作不正常，利用RAM保存的分频系数产生PPS，这样既能确保各个采集模块在GPS信号有效时保持高精度同步，又能在GPS接受失常的情况下采用记录在RAM中的矫正参数进行PPS矫正，达到GPS接受失常情况下同步.

3.2 FPGA控制模块

FPGA控制模块功能：(1)通过Verilogy硬件语言编程滤除GPS秒时钟1PPS中的干扰信号(主要是瞬间毛刺信号)；(2)结合单片机控制单元实现同步采集启动；(3)高精度秒脉冲的矫正.通过1PPS信号与PPS信号进行相位比较，根据比较结果来修正分频系数(δ或δ-1或δ+1)；理想情况下，如果已知高稳晶振为100 MHz，那么要分频得到1 Hz的秒时钟PPS，分频系数δ=1*108，但由于晶振存在累计误差，需要利用1PPS的上升沿对PPS进行校正，减少累计误差.当PPS的相位提前于1PPS时，将分频系数δ-1进行调整；当PPS的相位滞后于1PPS时，将分频系数δ+1进行调整；当PPS的相位与1PPS相位一致时，分频系数δ不变；通过这种处理方法既可以减少本地时钟的累计误差，又减少了1PPS漂移引起的误差，因为PPS最多只能漂移一个时钟周期(100 MHz时钟)，如果高稳晶振频率更高的话，误差更小.然后将每次修正的分频系数存储到RAM中备用；(4)二选一数据选择器根据GPS工作状态选择相应的矫正通道；(5)根据修正后的分频系数参数得到PPS高精度秒时钟PPS.

3.3 探测器高精度采样时钟的产生

利用高稳晶振(100 MHz)CLK分频得到采样时钟SCLK，并且在每次高精度晶振秒时钟PPS上升沿到来时对SCLK同步一次，以保证SCLK的前沿与PPS时间同步，如图4所示.这样各个探测点都以PPS来同步，可以达到可精度同步的效果.

图4 同步采样时钟获取

4 实验分析

为对本文提出的高速多通道同步采集系统方案进行可行性研究，进行了如下测试实验.实验中GPS接受模块采用UBX-G6010-ST，该GPS模块可以具备良好的灵敏度，复杂的射频结构和干扰抑制，保证在恶劣环境下的GPS性能，且其秒时钟随机误差服从正态分布.高稳晶振频率100 MHz采用恒温晶振OCXO,频率精度10-9，频率稳定度10-10.通过实验测试，校正后的高精度秒脉冲信号pps的误差最小可达到5～10 ns，平均误差约30 ns，且pps信号的频率非常均匀.采用两套同样设备，将一套实验设备的GPS关闭，对比关闭GPS和不关闭GPS的两套相同设备产生的pps，在较长时间里依然能够非常接近，表明利用该系统在GPS不正常工作的情况下依然可以实现各探测点的高精度同步数据采集.

5 结束语

采用FPGA+单片机相结合的方法，提出多通道高速数据同步采集系统方案.该方案既能够大大减小GPS的漂移误差影响，又能减小高精度晶振累计误差影响，实现了GPS秒脉冲的随机误差和高精度晶振累计误差互补，误差精度可达5～10 ns.通过RAM记录GPS正常工作下的修正参数，保证在GPS失效情况下长时间的高精度输出.该方案正用于地震勘探工程项目中解决多个不同探测点的同步数据采集中，也可用在其他相关的同步系统中，具有一定的工程应用价值.

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[责任编辑：王军]

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

安徽省教育厅自然科学研究重点项目(KJ2016A764);安徽省校企合作实践教育基地(2012sjjd047);安徽省信息技术专业群教学团队(2013jxtd051)

杨会伟(1982—)，男，河南南阳人，芜湖职业技术学院讲师，工学硕士，主要从事测试计量技术及仪器和数字信号的研究.

TP391

A

1672-3600(2016)12-0053-04