摘  要： 隨著地球物理勘探采集技術(shù)的全面發(fā)展,，先進(jìn)的采集技術(shù)要求地震儀器實(shí)時(shí)道能力更強(qiáng)、采集效率更高,、穩(wěn)定性及可靠性更高,。為了解決地震儀器實(shí)時(shí)道能力和系統(tǒng)同步等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種PCI-E接口的光纖卡,。介紹了光纖卡的功能以及它在整個(gè)系統(tǒng)中的位置,，分析了光纖卡與主機(jī)接口、數(shù)據(jù)處理和GPS同步功能的設(shè)計(jì),。野外勘探生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明,，該光纖卡實(shí)時(shí)道能力強(qiáng),，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。

　　關(guān)鍵詞： 光纖卡,；實(shí)時(shí)道能力,；PCI-E；GPS同步

0 引言

　　近年來(lái),，石油天然氣的需求日益增加以及油氣開(kāi)采日益困難給地球物理勘探帶來(lái)的壓力越來(lái)越大,，因此促進(jìn)了地球物理勘探采集技術(shù)的全面發(fā)展，如全波形,、高分辨率,、高密度、寬方位角采集等先進(jìn)的地球物理勘探技術(shù)得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,；這些先進(jìn)的采集技術(shù)要求地震儀器具有實(shí)時(shí)道能力更強(qiáng),、采集精度更高、穩(wěn)定性及可靠性更高等特點(diǎn),，傳統(tǒng)的銅纜交叉線傳輸已經(jīng)不能滿足勘探需求,。

　　為了解決地震儀器的實(shí)時(shí)道能力和系統(tǒng)同步等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于PCI-E總線的光纖接口卡,。光纖卡安裝在地震儀器主機(jī)中的PCI-E總線上,，主機(jī)軟件通過(guò)光纖卡與野外站單元通信。光纖卡主要功能是對(duì)上層應(yīng)用模塊發(fā)送出去的命令數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),，對(duì)野外站單元返回的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理和存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩沖區(qū),；此外，光纖卡的時(shí)鐘通過(guò)外部GPS校準(zhǔn),，進(jìn)而校準(zhǔn)整個(gè)地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，因此光纖卡在整個(gè)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要作用。

1 光纖卡設(shè)計(jì)

　　光纖卡是“連接”主機(jī)軟件上層應(yīng)用模塊和野外站單元的中間模塊,，它起著承上啟下的作用,，因此光纖卡的穩(wěn)定性、性能和功能對(duì)整個(gè)地震儀器系統(tǒng)的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用,。光纖卡的關(guān)鍵設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)方面,。

　　1.1 接口設(shè)計(jì)

　　PCI-Express 1.0a發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)速率可達(dá)2.5 Gb/s[1]。由于技術(shù)的延續(xù)性和開(kāi)發(fā)的可靠性,，考慮兼容性和主機(jī)的處理能力,，光纖卡設(shè)計(jì)為PCI-E接口的單端口卡，一張接口卡可以接一根光纖,。

　　在PCI-E系統(tǒng)中,，CPU有兩種事務(wù)來(lái)訪問(wèn)其架構(gòu)中的存儲(chǔ)器映射輸入輸出和配置映射輸入輸出位置。一種是程控輸入輸出（Programmed Input Output，PIO）方式,，另一種是直接內(nèi)存訪問(wèn)（Direct Memory Access,，DMA）方式，后者在實(shí)現(xiàn)高速外設(shè)和主存儲(chǔ)器之間成批交換數(shù)據(jù)時(shí),，不需要CPU的直接參與,，而在RAM與設(shè)備之間完成傳輸時(shí)，該方式可減少CPU的占用率,，大大提高了數(shù)據(jù)的吞吐率,，使系統(tǒng)的性能大幅度提升[2]。

　　數(shù)據(jù)從光線口進(jìn)入到緩沖區(qū),，經(jīng)過(guò)FPGA進(jìn)行處理,，再經(jīng)過(guò)PCI總線主控接口將其數(shù)據(jù)包地址映射至緩沖區(qū)，同時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)PCI總線DMA到數(shù)據(jù)緩沖區(qū),，上層應(yīng)用模塊通過(guò)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包地址取得數(shù)據(jù),，接口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

　　光纖卡FPGA選用Xilinx公司Virtex-5系列,，它提供了PCI-E的IP核[3-4],，支持以上兩種事務(wù)訪問(wèn)方式，在核中固化了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的相關(guān)設(shè)計(jì),，向用戶開(kāi)放事務(wù)層接口,，在進(jìn)行PCI-E相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)計(jì)只需要配置相關(guān)參數(shù)即可完成,，而將研發(fā)重點(diǎn)放在事務(wù)層設(shè)計(jì)，降低了開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn),，縮短了研發(fā)周期,。

1.2 數(shù)據(jù)包處理

　　采集和控制模塊、光纖卡管理和數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)（Buffer）之間通過(guò)TCP/IP Sockets進(jìn)行通信,。采集和控制首先會(huì)與光纖卡管理模塊連接,，完成連接后與野外站單元的通信通過(guò)光纖卡管理建立起來(lái)，此時(shí)上層應(yīng)用模塊可以對(duì)野外站單元進(jìn)行控制,，各部分關(guān)系之間結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

　　DMA方式有兩種類型：第三方DMA（third-party DMA），通過(guò)系統(tǒng)主板上的DMA控制器的仲裁來(lái)獲得總線和傳輸數(shù)據(jù),；第一方DMA,，完全由接口卡上的邏輯電路來(lái)完成，與快取內(nèi)存結(jié)合在一起,，提高了數(shù)據(jù)的存取及傳輸性能,。因此，設(shè)計(jì)中選擇后者來(lái)完成數(shù)據(jù)DMA。

　　光纖口進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)包DMA到Packet Buffers,，光纖卡將Packet Buffers的指針地址發(fā)送到采集和控制的處理隊(duì)列,，采集和控制根據(jù)指針地址處理對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包或者拷貝數(shù)據(jù)包到采集和控制處理隊(duì)列。

　　光纖卡的存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)用于DMA處理的scatter-gathers,，一個(gè)scatter-gathers（32 B）用于DMA一個(gè)數(shù)據(jù)包,，存儲(chǔ)芯片容量為32 MB，一次每個(gè)光纖卡最多能DMA 1 MB個(gè)數(shù)據(jù)包,；第一個(gè)scatter-gathers與最后一個(gè)鏈接,，形成一個(gè)“環(huán)形”。采集和控制處理數(shù)據(jù)包的速度不能比DMA的速度慢,，否則緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)包會(huì)溢出,，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

　　1.3 GPS同步

　　GPS能全天候向用戶提供高質(zhì)量的位置,、速度及精確的時(shí)鐘信息,，其時(shí)鐘同步信號(hào)覆蓋全球，具有實(shí)用性強(qiáng),、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)[5],。光纖卡利用GPS提供的精確每秒脈沖（PPS）作為同步對(duì)時(shí)的信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)地震儀整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確對(duì)時(shí)和采集同步,，其時(shí)間最大誤差在μs級(jí),。

　　編碼器上的GPS卡向光纖卡輸出PPS信號(hào)，通過(guò)串口向主機(jī)輸出時(shí)間信息碼,，光纖卡上的時(shí)鐘每經(jīng)過(guò)一秒被PPS信號(hào)同步一次,，能保證其脈沖前沿與UTC（世界協(xié)調(diào)時(shí)）具有1 μs的同步精度。

　　光纖卡選用恒溫晶振OCXO提供工作時(shí)鐘,，該晶振采用精密控溫,，使晶體工作在晶體的零溫度系數(shù)點(diǎn)的溫度上，具有很高的頻率精度和穩(wěn)定度,，是目前石英晶振器件中頻率穩(wěn)定度最高的一種,。GPS的PPS秒脈沖信號(hào)輸入到鑒相鑒定器，鑒相鑒定器在1 s內(nèi)對(duì)時(shí)鐘芯片輸出的12.8 MHz時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù),，過(guò)濾掉干擾數(shù)據(jù),，計(jì)算出相位偏差，將此相位偏差轉(zhuǎn)換為OCXO控制寄存器的變化,，以此變化值來(lái)調(diào)節(jié)OCXO,，使它達(dá)到穩(wěn)定的精度。將輸出的時(shí)鐘通過(guò)光纜和大線傳輸?shù)礁髂K從而來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的同步,，同步流程如圖3所示,。

2 結(jié)構(gòu)分析

　　2.1 光纖卡主機(jī)

　　光纖卡主機(jī)采用“一體化”的結(jié)構(gòu),，光纖卡插在主機(jī)PCI插槽上，野外設(shè)備通過(guò)光纖與主機(jī)光纖卡接口連接,，主機(jī)與野外設(shè)備的通信通過(guò)光纖卡來(lái)完成,，所有的外設(shè)（編碼器、磁帶機(jī),、繪圖儀,、磁盤(pán)陣列）都連接在主機(jī)上。

　　光纖卡插在主機(jī)PCI插槽中,，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)集成度高,，模塊之間通信高效；系統(tǒng)的連接更簡(jiǎn)潔,，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性,。采用此結(jié)構(gòu)也有缺陷，光纖卡及輔助設(shè)備控制都由主機(jī)完成,，消耗了主機(jī)的硬件資源,，影響主機(jī)的處理速度和系統(tǒng)道能力；此外,，系統(tǒng)的擴(kuò)展性受主機(jī)PCI插槽數(shù)量的限制,。

　　2.2 其他類型

　　其他類型地震勘探儀器結(jié)構(gòu)，比如采用客戶機(jī)（Client）和服務(wù)器（Server）結(jié)構(gòu),，客戶端與服務(wù)端通過(guò)交換機(jī)連接,。客戶端軟件用來(lái)顯示參數(shù)并作為操作的接口,，操作員通過(guò)客戶端完成對(duì)整套系統(tǒng)的控制,。主機(jī)對(duì)野外排列的控制通過(guò)中繼箱體來(lái)實(shí)現(xiàn)，中繼箱體通過(guò)交換機(jī)將野外采集數(shù)據(jù)返回服務(wù)器,，服務(wù)端的軟件執(zhí)行計(jì)算,、存儲(chǔ)和處理本地或者遠(yuǎn)程客戶端的任務(wù)。

　　中繼箱體對(duì)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理,，減輕了主機(jī)系統(tǒng)的壓力；系統(tǒng)采用的C/S的架構(gòu),，將任務(wù)分配在客戶端和服務(wù)端執(zhí)行,，使得系統(tǒng)的負(fù)載更加均勻，能充分發(fā)揮系統(tǒng)各個(gè)部分的處理能力,；系統(tǒng)道能力擴(kuò)展方便,，增加中繼箱體即可擴(kuò)展；服務(wù)器的外設(shè)接口沒(méi)有特殊要求,，選型更加便捷,。不足之處是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,，客戶端和服務(wù)端需要針對(duì)不同的操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)不同版本的軟件，增加了開(kāi)發(fā)難度和成本,。

3 結(jié)論

　　經(jīng)過(guò)野外勘探的多次應(yīng)用,，光纖卡主機(jī)取得了良好的應(yīng)用效果，在地震儀器實(shí)時(shí)道能力,、系統(tǒng)穩(wěn)定性方面達(dá)到了同類先進(jìn)水平,。光纖卡儀器與其他儀器所實(shí)現(xiàn)的功能沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，只是在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式上有所區(qū)別,。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,，現(xiàn)在已經(jīng)有了速度更快的PCI-E 3.0版本的接口，通過(guò)提高存儲(chǔ)容量和使用傳輸速度更快的PCI-E接口,，光纖卡的性能還有很大提高空間,。

參考文獻(xiàn)

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