采用FPGA可编程器件和USB技术实现地震模拟数据采集系统的设计

随着石油天然气勘探开发工作的不断发展，我们所面临的勘探对象和开发环境也越来越复杂、越来越困难。地震方法面临着复杂构造油气藏、岩性油气藏和裂缝油气藏勘探及寻找“剩余油”的艰巨而复杂的任务。因此需要不断地开展适应于上述复杂介质情况下的地震波理论研究和地震物理模型实验研究，并将地震波理论研究与实验研究两者紧密结合起来。

地震物理模拟技术正是在这种背景下发展起来。所谓地震勘探物理模拟技术，就是根据地震勘探现场采集数据，用一定的材料，按一定的比例，制造出与实际地质构造在形态、结构和物性等方面的主要特征相当的物理模型，并对此物理模型模拟野外地震勘探工作，进行各种方式的数据采集，再对采集资料进行处理，用以研究地震波在地质体内的波场特征、地震勘探的野外工作方法、处理方法和资料解释等理论和实际问题。

1 系统结构和工作原理

整个系统主要由模型、激发源和接收器，驱动定位系统，数据采集系统构成。其中定位系统的硬件设备，包括运动控制驱动控制电路板，伺服电机驱动系统，光栅反馈系统。实现位置脉冲的发送，系统精确定位。采集硬件设备----采用HP公司高精度高速AD器件，通过USB2.0接口实现对硬件设备的初始化以及采集数据的传输和存储。

首先，根据地震物理模型，在上位PC机上建立模拟采集观测系统，然后，根据观测系统事先设计好的步骤，驱动定位系统移动，达到要求的位置后，触发同步信号，一路使能激发源发送模拟野外震源的地震波，同时，另一路触发接收器接收地震信号，经过AD芯片采集转换，转变为数字信号，通过USB2.0接口芯片，控制传输到上位计算机。

2 地震物理模拟系统设计技术特色

2．1定位系统采用全闭环控制模式

上位机发送驱动脉冲，通过伺服电机驱动器和伺服电机驱动整个机械系统移动，由于伺服电机驱动器和伺服电机本身采用编码器反馈结构，可以保证整个伺服系统发送驱动脉冲的绝对准确，从而保证电机本身运行转数的准确。但由于机械系统本身机械误差的存在，例如齿轮间隙，丝杠、导轨表面不平等系统误差，因此，采用光栅线位移传感器构成全闭环系统，光栅实时反馈机械系统的实际位置，保证机械系统定位精度的绝对准确。同步信号的触发就是通过读取光栅反馈的脉冲数产生的。（系统结构如图1所示）

2．2 应用FPGA（可编程器件）实现与光栅接口电路

光栅线位移传感器能够将机械系统移动的长度以脉冲串的形式反馈输出，输出信号为两路TTL电平的脉冲，相互位相差为90度。反馈差分脉冲包含着定位系统移动长度的精确信息，但同时，由于系统有伺服电机及电源驱动器和大功率变压器等强电设备，电磁噪声干扰存在，有必要对光栅返回的脉冲进行技术处理，处理部分电路在FPGA（可编程芯片）内部实现。

FPGA芯片选用Altera公司的FLEX10K系列EPF10K20芯片，该芯片集成可用逻辑门数为两万门，外部结构为240脚表帖芯片。设计中可采用VHDL语言描述和原理图描述两种模式。在可编程器件中实现的电路功能模块有：噪声处理电路、四倍频电路、同步信号触发电路和计数、锁存电路。

其中，噪声处理电路原理是：一般干扰信号为窄脉冲随机信号，而对光栅返回的脉冲信号，由定位系统移动的最高速度可以计算出反馈脉冲的最小宽度大于等于10us。因此，噪声处理部分，是根据返回长度脉冲串和随机干扰脉冲的脉宽差异，进行的去噪处理。

原理图如图2所示。由计数器1，2和比较器组成。其中计数器1为脉冲宽度计数器，CLK-EN接输入脉冲信号，脉冲信号的上升沿触发计数器计数，下降沿停止计数器，计数器的时钟信号由片外晶振片提供，频率为20MHZ，脉冲宽度为0.05us。对于驱动脉冲，脉宽大于10us，计数器值大于200，而一般干扰脉冲的脉宽远小于10us，计数器记录的数值小于200。比较器设置为dataa［］大于等于datab［］数值时，输出脉冲信号，datab［］比较初值为200，比较端dataa同计数器1的计数输出端相连，脉宽大于设置初值的脉冲触发比较器输出脉冲，被确认为驱动脉冲，送入下一级计数器计数，小于设置初值的脉冲，不能触发比较器，不参与返回脉冲计数，从而，避免随机干扰信号，保证返回脉冲的准确。

光栅反馈采用相差90度的差分脉冲，有利于提高反馈系统的抗干扰能力，但在接口电路中，为达到光栅实际检测的精度，需要将返回的差分脉冲四倍频处理，即将脉冲量化为原来的四分之一。同时，根据两个脉冲的相位差，判别机械系统移动方向。

同步触发信号用来使能激发源发送模拟地震波的超声信号，同时，启动A/D转换器开始数据采集，在机械系统高速移动中产生准确、稳定的同步触发信号是技术的关键。同步信号的触发是根据比较计数光栅反馈的脉冲数完成。由计数器、比较器和数据锁存器组成的电路产生。其中，数据锁存器用来设置比较器比较初值，由上位机根据道间距长度来设置。计数器实时记录经过处理后的光栅反馈脉冲数，计数器输出端与比较器比较端相连，计数器由输出的同步信号清零。当比较器两输入端口数据相等时，比较器输出端口发送同步触发信号Trigger，同时，同步触发信号对计数器清零，重新计数，比较，触发。

2.3 基于USB2.0接口的数据采集系统设计技术

2.3.1硬件设计

设计开发中选用Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片Cy7C68013实现USB2.0通讯技术，完成对采集数据的高速度传输。这种芯片是带智能USB接口的单片机，它将USB2.0通讯接口协议、可编程外设接口整合到单片机集成电路中。集成的USB收发模块与USB总线的D+和D-引脚相连。功能强大的串行接口引擎（SIE）以硬件的方式实现USB通讯接口协议、进行串行数据译码和错误更正，以及其它USB所要求的信号级操作等，最后发送数据字节到USB端口或从USB端口接收数据。它实现的数据传输速度有两种：全速---12Mbps，高速----480Mbps。

本文采用从机模式，FX2的CPU仅仅用来初始化参与USB传输的各功能寄存器。由FPGA芯片作为控制主体，通过判断FX2片内FIFO数据的存储状态，控制产生读写控制时序信号，完成外部数据存储芯片SRAM与USB芯片内部FIFO之间的数据传输。硬件原理框图如图3所示。

FPGA控制FX2数据传输的内部逻辑框图如下：

Slave FIFO通道设定，在FPGA内部选择实现数据传输的FX2内部FIFO通道。FPGA通过读取由FX2送出的FIFO状态字，判别FX2内部FIFO数据是否为空，当确定FIFO数据为空时，开放IFCLK传输通道（IFCLK由FX2芯片内部送出），在WR-EN外部写信号有效时，触发读写控制时序和产生SRAM的地址信号。其中，在IFCLK上升沿，触发SRAM地址产生计数器，选通数据的存储地址。在IFCLK的下降沿，触发SRAM-RD读信号有效，同时，触发FX2的FIFO写控制信号SLWR、SLOE有效，通过16位数据总线，将SRAM中数据送入USB芯片内的FIFO存储器中。用于时序控制的数据传输时钟IFCLK最高工作频率为48MHZ，可以通过对寄存器IFCONFIG的第七位配置，从FX2片内送出。

2.3.2 USB芯片固件程序的配置

程序框架用于加速开发基于EZ-USB FX2系列芯片的外设，框架为FX2的初始化、处理标准USB设备请求及USB挂起时的电源处理，提供交互函数。程序框架提供的任务调度函数：

TD-Init（void）：该函数在框架初始化时被调用，用来初始化用户的全局变量。

TD-Poll（void）：在设备工作期间被重复调用，实现USB传送数据控制。它包括一个执行外设功能的状态机。

通过编写固件程序，将Slave FIFO设置成AUTO_IN/AUTO_OUT模式，在这种模式下，CPU不介入数据传输过程的控制，整个数据交换由外设FPGA提供时序控制逻辑，从外部看，USB芯片仅仅是一个数据传输的通道，从而真正实现了USB的高速传输。

AUTO_IN/AUTO_OUT模式软件配置在固件程序的TD-INIT（）内，编写流程：

1. 配置IFCONFIF［7：4］，定义接口时钟是否为外设提供。

2. 置位IFCFG1：0=11，使得USB相应端口配置为从FIFO模式。

3. 复位FIFO个端口。

4. 置位EP*FIFOCFG-4=1，将对应的Slave FIFO设置成AUTO IN模式。

固件程序的TD-Poll（）函数，为数据传输的控制代码段，由于采AUTO_IN/AUTO_OUT模式，外部 的FPGA提供控制逻辑，CPU不参与USB数据包传输的控制，该函数内部不用编写代码。

3 结束语

本文系统设计是在原地震物理模拟系统基础之上的改造升级项目，在系统控制上，主要通过采用FPGA技术和USB2.0技术实现。通过将近一年的运行证明，性能较原来系统有了大大改进。采集速度大幅度提高：以大港地震物理模拟采集为例。大港油田地震物理模型为三维模型，根据观测系统设计，采集道数为一千万道，每一道采样点数为4096，每一个采样数据为4个字节，整个采集数据量142G，按照原来定点采集模式计算，大约需要接近半年才能采集完成。在实验室实际工作中，采用新设计的系统采集，机械系统移动速率10KHZ，道间距同样为1.5mm，每隔1500脉冲触发一次采集，每天采集10万道，只用了30天就完成了模型的采集工作，采集速度大大提高。定位精度大大改进：通过在FPGA芯片内部的硬件编程逻辑控制，实现对伺服电机驱动器的精确控制，实现发送脉冲的反馈控制，实现实际移动位置的实时反馈校正，使得定位系统定位的准确度得到提高，整个机械系统最小移动脉冲当量为1um，定位精度可以达到0.02mm，从而使得采集数据的质量大大提高。2004年4月，系统顺利通过了中国计量科学研究院长度处验收。

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