用于地球物理勘探的rs485高效長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及方法
【專利說明】用于地球物理勘探的RS485高效長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及地球物理勘探儀器中的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種用于地球物理勘探的RS485高效長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]對(duì)于大型地震勘探系統(tǒng)，高效穩(wěn)定的長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸是一個(gè)關(guān)鍵問題，決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及采集數(shù)據(jù)的完整性。在地震勘探系統(tǒng)中，采集站之間、交叉站之間以及交叉站與主控站(儀器車)之間都存在著不同速率、不同距離的數(shù)據(jù)傳輸。其中，采集站由于數(shù)量多、距離遠(yuǎn)(如單站多道下100米遠(yuǎn)距離傳輸)，亟需一種高效穩(wěn)定、功耗較低的數(shù)據(jù)傳輸方案。
[0005]目前業(yè)界常用的較為成熟的長(zhǎng)距離傳輸方法有如下幾種:1)基于LVDS接口的差分電傳輸方式；2)基于RS485接口的差分電傳輸方式；3)基于光接口的光傳輸方式；4)基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式?；贚VDS接口的差分電傳輸方式，由于其內(nèi)在PLL器件工作頻率的限制，其最低速率通常在10Mbps以上，長(zhǎng)距離情況下要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳輸，這對(duì)傳輸介質(zhì)提出了很高的要求，通常不宜用在數(shù)量較多的場(chǎng)合，比如大型勘探系統(tǒng)中的采集站之間，由于采集站數(shù)量眾多，使用LVDS傳輸方式，功耗大，費(fèi)用高?；诠饨涌诘墓鈧鬏敺绞?，支持的速率大，誤碼率低，對(duì)于長(zhǎng)距離下大容量數(shù)據(jù)傳輸是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。然而，由于野外施工作業(yè)的特殊性(采集站需要滾動(dòng)，接插件需要不斷地拔插)，且野外施工地形復(fù)雜，光纖容易被折斷，光纖連接器容易受損，在采集站之間采用光傳輸方式，維護(hù)成本高，目前業(yè)界已少有使用?；赥CP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定無(wú)差錯(cuò)傳輸，通常需要網(wǎng)絡(luò)棧的支持，這要求傳輸單元內(nèi)嵌處理器，移植網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，或者采用FPGA直接驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)物理層芯片，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜；無(wú)論采用哪種方式都會(huì)造成單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本大，不宜使用在采集單元數(shù)量眾多的場(chǎng)合。基于RS485接口的差分電傳輸方式可以支持較遠(yuǎn)距離的穩(wěn)定傳輸，然而隨著傳輸距離的增加，其可靠傳輸速率也急劇下降。如在100米傳輸距離下，通常的RS485傳輸方案只能支持到1Mbps傳輸速率，這對(duì)于高精度(24-bit)、采樣率較高(Iksps)的地震勘探系統(tǒng)而言，需要在采集站中增加較大的本地緩存RAM，而且在該低速率下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間較長(zhǎng)，系統(tǒng)死時(shí)間較大，是不適宜使用的。
[0006]目前國(guó)內(nèi)外最為先進(jìn)的地震勘探儀器中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是法國(guó)Sercel公司的428XL陸上地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，中海油海上地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)——“海亮系統(tǒng)”，中石油ES109萬(wàn)道陸上地震儀系統(tǒng)等。
[0007]法國(guó)Sercel公司在陸上地震儀器研制方面積累了多年經(jīng)驗(yàn)，其最新推出的428系列，在其408的基礎(chǔ)上改進(jìn)后功能更加強(qiáng)大，428XL采集單元之間采用了 RS485傳輸方案，傳輸速率從408UL的8Mbps提高到了 16Mbps，增加了帶道能力。然而由于技術(shù)封鎖，無(wú)法確知其具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。中海油“海亮”系統(tǒng)中，采用了兩級(jí)傳輸，主傳輸節(jié)點(diǎn)之間采用了高速LVDS傳輸方案，傳輸距離為100米，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)240 Mbps，要求的傳輸電纜品質(zhì)高，電纜成本大。內(nèi)部次傳輸節(jié)點(diǎn)之間采用了 RS485傳輸方法，最大傳輸距離為40米左右，傳輸速率為10 Mbps左右?；趥鬏斝酒阅艿南拗疲瑹o(wú)法使用在更長(zhǎng)距離的傳輸中。中石油ES109系統(tǒng)采集單元之間也是采用了 RS485傳輸方法，基于傳輸速率的限制，其采用了雙通道并行方式進(jìn)行傳輸，造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和協(xié)議復(fù)雜、功耗大，不能滿足野外作業(yè)要求的低功耗和長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作的要求。
[0008]從以上目前常用系統(tǒng)傳輸方案分析中，可以看出，RS485作為工業(yè)界常用的長(zhǎng)距離傳輸方案也被大量使用在地震勘探系統(tǒng)中，但傳輸速率通常較低，428XL系統(tǒng)支持最大傳輸速率為16 Mbps，采用屏蔽雙絞線時(shí)，最大傳輸距離為90米。國(guó)內(nèi)“海亮”系統(tǒng)傳輸速率則更低。解決長(zhǎng)距離下的RS485高速數(shù)據(jù)傳輸問題對(duì)地震勘探系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)完整性具有重要意義。
[0009]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于提供一種用于地球物理勘探的RS485高效長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及方法，采用FPGA直接驅(qū)動(dòng)RS485芯片，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在FPGA中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)8B/10B編碼算法，合理選取RS485芯片，在100米傳輸距離下，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)40Mbps，200米傳輸距離下，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)24Mbps，誤碼率在10_12以下，單道功耗約為200mW@24Mbps，為大型地震勘探數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供一種有效途徑。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種用于地球物理勘探的RS485高效長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，包括設(shè)置在各個(gè)采集站內(nèi)的下行輸入RS485接口、下行輸出RS485接口、上行輸入RS485接口、上行輸出RS485接口、FPGA和A/D變換芯片，所述下行輸入RS485接口、下行輸出RS485接口和FPGA構(gòu)成下行命令傳輸通道，所述上行輸入RS485接口、上行輸出RS485接口和FPGA構(gòu)成上行數(shù)據(jù)傳輸通道;
所述FPGA內(nèi)設(shè)有下行輸入RS驅(qū)動(dòng)模塊、下行輸出RS驅(qū)動(dòng)模塊、上行輸入RS驅(qū)動(dòng)模塊、上行輸出RS驅(qū)動(dòng)模塊、下行多路開關(guān)、上行多路開關(guān)、下行轉(zhuǎn)發(fā)緩存模塊、上行轉(zhuǎn)發(fā)緩存模塊、8B/10B解碼模塊、8B/10B編碼模塊、本地命令緩存模塊、命令解析模塊、時(shí)鐘模塊、ADC輸出驅(qū)動(dòng)模塊和本地?cái)?shù)據(jù)緩存模塊；
所述下行輸入RS485接口的輸出端通過下行輸入RS驅(qū)動(dòng)模塊分別與下行轉(zhuǎn)發(fā)緩存模塊和8B/10B解碼模塊的輸入端連接，所述下行轉(zhuǎn)發(fā)緩存模塊的輸出端通過下行輸出RS驅(qū)動(dòng)模塊與下行輸出RS485接口的輸入端連接，所述下行輸出RS485接口的輸出端與下級(jí)采集站連接，所述8B/10B解碼模塊的輸出端通過本地命令緩存模塊和命令解析模塊與時(shí)鐘模塊的輸入端連接，所述時(shí)鐘模塊的輸出端通過下行多路開關(guān)分別與下行輸入RS驅(qū)動(dòng)模塊和下行輸出RS驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端連接，所述時(shí)鐘模塊的輸出端通過上行多路開關(guān)分別與上行輸入RS驅(qū)動(dòng)模塊和上行輸出RS驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端連接；
所述上行輸入RS485接口的輸出端通過上行輸入RS驅(qū)動(dòng)模塊與上行轉(zhuǎn)發(fā)緩存模塊的輸入端連接，所述上行轉(zhuǎn)發(fā)緩存模塊的輸出端通過上行輸出RS驅(qū)動(dòng)模塊與上行輸出RS485接口的輸入端連接，所述A/D變換芯片的輸出端通過ADC輸出驅(qū)動(dòng)模塊與本地?cái)?shù)據(jù)緩存模塊的輸入端連接，所述本地?cái)?shù)據(jù)緩存模塊的輸出端通過8B/10B編碼模塊和上行輸出RS驅(qū)動(dòng)模塊與上行輸出RS485接口的輸入端連接，所述上行輸出RS485接口的輸出端與上級(jí)采集站連接。
[0012]所述的用于地球物理勘探的RS485高效長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，所述下行輸入RS485接口、下行輸出RS485接口、上行輸入RS485接口和上行輸出RS485接口均選用SN65HVD78 型芯片。
[0013]所述的用于地球物理勘探的RS485高效長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，所述FPGA選用Altera公司的Cyclone系列。
[0014]所述的一種用于地球物理勘探的RS485高效長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的傳輸方法，包括以下步驟:
(1)系統(tǒng)上電時(shí)，下行命令傳輸通道和上行數(shù)據(jù)傳輸通道均處于低速率模式，等待系統(tǒng)發(fā)送通道判定命令；通道判定后，下行命令傳輸通道仍為低速率模式，負(fù)責(zé)用戶配置命令的下發(fā)，上行數(shù)據(jù)傳輸通道進(jìn)入高速率模式，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的上傳；
(2)用戶配置命令通過下行命令傳輸通道的下行輸入RS485接口到達(dá)下行輸入RS驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行解碼；下行輸入RS驅(qū)動(dòng)模塊將解出的10-bit命令發(fā)送給8B/10B解碼模塊，8B/10B解碼模塊將10-bit命令轉(zhuǎn)換成8-bit命令，并發(fā)送給本地命令緩存模塊進(jìn)行緩存；
(3)命令解析模塊對(duì)本地命令緩存模塊緩存的命令進(jìn)行解析，當(dāng)解析到低功耗命令時(shí)，通知時(shí)鐘模塊將上行輸入RS驅(qū)動(dòng)模塊和上行輸出RS驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘由高速更改為低速，使上行數(shù)據(jù)傳輸通道進(jìn)入低速率模式；當(dāng)解析到脫離低功耗命令時(shí)，通知時(shí)鐘模塊將上行輸入RS驅(qū)動(dòng)模塊和上行輸出RS驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘由低速更改為高速，使上行數(shù)據(jù)傳輸通道再次進(jìn)入高速率模式；
(4)下行輸入RS驅(qū)動(dòng)模塊將解出的10-bit命令發(fā)送給8B/10B解碼模塊的同時(shí)，也發(fā)送給下行轉(zhuǎn)發(fā)緩存模塊，經(jīng)由下行輸出RS驅(qū)動(dòng)模塊和下行輸出RS48