CN101860410A - 交叉站大线接口通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种地震数据采集系统中交叉站大线接口的通信系统，交叉站控制板包括一个嵌入式处理机，嵌入式处理机的两个串行通信控制器经过驱动芯片，连接交叉站接口板连接器，大线两侧的RS485收发器，连接大线的高端和低端；由交叉站向大线方向传送，定义每一个命令的内容和编码；交叉站接口板中包括连接大线的高端和低端的两片长距离以太网物理层芯片实现数据的传送；通过FPGA将其转换成标准MII接口协议，与控制板中嵌入式处理机的FCC2口相连，实现命令应答并接受大线数据、整理数据然后上传；管理规范清晰，端口通讯效率高、稳定；满足地震仪器的通信协议要求，重新设计的驱动程序，提高了通信端口的通信效率和CPU的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种地震数据采集系统中交叉站大线接口的通信系统。
背景技术
目前，国内外主要使用的地震数据采集系统为法国Sercel公司的408UL地震数据采集系统及美国I/O公司的系统4地震数据采集系统等。下面以这两套系统为例，介绍现今的地震数据采集系统中交叉站大线接口的通信方法。
408UL为商用地震数据采集系统，其主处理器使用VxWorks操作系统，负责对数据的实时处理与控制。
在Sercel公司所提供的408UL地震采集系统资料中介绍，系统所有设备之间的数传线均为两对绞合线。其中，在两个交叉站之间的数传速率为16.384Mb/s，而在带有交叉站、电源站、采集站的大线中数传速率为8.192Mb/s。408UL采用类TCP/IP通讯协议，并分为异步通讯方式和同步通讯方式两种。
408UL地震采集系统中，交叉站根据其工作状态的不同分别称为主交叉站与从交叉站：主交叉站向采集站传送命令；采集站向从交叉站传输数据和采集状态。大线上采用的通讯方式为：主交叉站采用同步通讯方式加电激活排列，发出指令并开始采集或测试；从交叉站采用异步传输方式收集采集站的地震数据和状态，完成滤波、计算测试结果、压缩打包数据并将数据包发送到主机。无论是采集数据传输还是控制命令传输，二者的数传速率相同，均为8.192Mb/s。其交叉站对大线接口的详细控制通信技术保密。
408UL系统交叉站的硬件采用专门设计的芯片，其芯片的数据手册为保密内容。
美国国I/O公司的系统4仪器也是商用地震数据采集系统，交叉站和采集站之间采用RS485进行通信，数传速率为8Mbps，通信协议为自己定义的专用协议，属于技术保密内容。
交叉站是大型地震采集系统中每条大线的管理节点和数据汇聚节点，也是大线与交叉线的交汇节点。交叉站可以向所连接大线上的下属站单元发出控制信息，接收下属站点的应答和状态信息。系统控制复杂度高，通信频繁，通信量大。尤其在交叉站利用串口对大线控制端口的环节中，传输速率与实时性要求很高。
发明内容
本发明的目的是设计一套交叉站大线接口通信系统，重新设计VxWorks串口的驱动的运行模式，以及处理协议的专用任务，以满足地震仪器大线接口采集数据传输和控制命令传输的要求，提高数据传输和命令处理的效率和稳定性。
交叉站作为大线和交叉线的数据交换节点，具备二级管理功能，管理大线上的所有站点。每个交叉站通过其两侧的大线接口串行连接采集站和电源站，每个采集站连接四个检波器，从而组成设备网络，拾取地震信号，进行模数转换，然后把数据上传到主机系统(仪器车内)进行后期处理和存储。
交叉站大线接口通信系统由两块相互连接的交叉站控制板和交叉站接口板组成；
交叉站控制板中嵌入式处理机的两个串行通信控制器SCC1和SCC2，经过驱动芯片，连接交叉站接口板连接器，然后分别与交叉站接口板中大线两侧的两个RS485收发器相连后，SCC1连接大线的高端，SCC2连接大线的低端；过程中此控制流执行命令帧格式通信协议，由交叉站向大线方向传送，定义每一个命令的内容和编码，保证整个系统能准确可靠的通信；
完成后，交叉站接口板中分别连接大线的高端和低端的两片长距离以太网物理层芯片实现传输速率为40Mbps数据的传送；再通过FPGA器件将其转换成100Mbps标准MII接口协议，与控制板中嵌入式处理机的FCC2口相连，实现命令应答并接受大线数据、整理数据然后上传；过程中此数据流执行数据帧格式通信协议，由大线向交叉站方向传送，保证数据传输的效率与可靠性。
交叉站至采集站/电源站的大线控制命令传输通信协议帧格式定义了每一个命令的内容和编码，采用UART帧，物理传输为RS485，提供下行的命令传输，控制帧采用类HDLC包封装，即采用0x7E+命令帧+0x7E的前后起始定界方式；控制帧最小长度6字节，小于6字节为超短错误帧；最大长度受以太网帧长度限制。
采集站/电源站至交叉站应答及采集数据传输通信协议帧格式采用MAC帧，物理传输为LRE。上行数据通道的命令采用和数据包一致的以太网MAC帧封装，数据帧最小长度13字节，小于13字节为超短错误帧；最大长度受以太网帧长度限制。
硬件系统同时设计一些外围电路，如时钟、电源等电路，保证整个系统能够正常工作。硬件设计是整个项目的基础，也是整个系统能够正常工作最基础的平台。
在此硬件基础上，完成了交叉站大线接口控制命令和采集数据交互传输的要求，即命令传输与数据传输分别独立进行，工作时按需要将其传输通道进行交互。
本方案规定了交叉站与采集站、电源站之间进行通信时的通信协议。协议的设计主要目的是为了使整个系统能准确可靠的通信。保证系统中各站点发送命令，接收响应，保证数据传输的可靠性。
本方案首先设计了大线接口的控制命令传输。利用交叉站控制板中嵌入式处理机的两个串行通信控制器(简称SCC)，并采用交叉站接口板中的RS485独立控制线半双工传输方式。传输的数据结构采用串口协议，传输速率为500Kbps，命令传输为单向，即由交叉站向大线方向传送。
本方案然后设计了大线接口的采集数据传输。通过交叉站接口板中的现场可编程门阵列(简称FPGA)器件对LRE PHY器件输出的非标准类MII接口信号进行信号速率变换与协议适配，将其转换为标准MII信号，并与控制板中嵌入式处理机的快速通信控制器(简称FCC)相连，由其负责数据的处理和转发。数据传输部分为自定义接口和自定义协议，传输速率为40Mbps。数据传输也为单向，即由大线向交叉站方向传送。
由于以上技术方案的设定，故交叉站工作时大线接口通信的工作流程如附图2所示。交叉站首先上电自检；无误后开始交叉站初始化，在此初始化的过程中执行SCC和FCC的驱动程序，这些驱动程序是保证整个系统与通信有关的硬件能够正常工作的基础；然后交叉站对命令解析并下传给大线，在此过程中执行命令帧格式通信协议，定义每一个命令的内容和编码，保证整个系统能准确可靠的通信；完成后等待命令应答并接受大线数据、整理数据然后上传，在此过程中执行数据帧格式通信协议，保证数据传输的效率与可靠性。
交叉站控制板完成交叉站所有的控制、命令解析和数据整理工作，所有与命令和数据传输有关的驱动程序也主要在这块板上；交叉站接口板是大线接口通信系统硬件的主要组成部分，传输芯片主要由两片RS485和AN5802芯片组成，分别对应与交叉站大线连接的采集站和电源站。
发明的效果
管理规范清晰，端口通讯效率高、稳定；特别是其收发方式更加适合于以事件驱动的实时处理模型。满足地震仪器的通信协议要求，重新设计的驱动程序，提高了通信端口的通信效率和CPU的工作效率。
附图说明
图1为交叉站整体硬件结构图。
图2为大线接口通信工作时的运行流程图。
图3为大型地震仪系统拓扑架构示意图。
图4为具体实施例中交叉站大线接口通信结构连接示意图。
图5为控制命令帧格式。
图6为采集数据帧格式。
具体实施方案
本实施例的一种结构连接图见附图4，以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
在本大型地震采集系统中，交叉站中央处理机选择FreeScalePowerQUICC II系列嵌入式通信处理机家族中的MPC8270处理机，负责测线的二级管理任务、测线和交叉线间的数据转发和重新排列任务，可能的数据解压缩任务以及本地管理任务。
如附图4所示，本发明设计的交叉站大线接口控制命令传输和采集数据为交互传输的。工作时，交叉站上电自检并初始化，执行SCC1、SCC2和FCC2的驱动程序；
之后交叉站对命令解析并下传给大线，利用交叉站控制板中嵌入式MPC8270处理机的两个串行通信控制器：SCC1和SCC2(SCC1用于连接大线的高端，SCC2用于连接大线的低端)，经过驱动芯片后，连接交叉站接口板连接器，然后分别与交叉站接口板中大线两侧的两个RS485收发器相连。过程中此控制流执行命令帧格式通信协议，由交叉站向大线方向传送，定义每一个命令的内容和编码，保证整个系统能准确可靠的通信；
完成后，利用交叉站接口板中两片长距离以太网物理层AN5802芯片(二者分别用于连接大线的高、低端)实现传输速率为40Mbps数据的传送，再通过FPGA器件将其转换成100Mbps标准MII接口协议，与MPC8270的FCC2口相连，实现命令应答并接受大线数据、整理数据然后上传。过程中此数据流执行数据帧格式通信协议，由大线向交叉站方向传送，保证数据传输的效率与可靠性。
其中所述下行(交叉站至采集站/电源站)大线控制命令传输通信协议帧格式(见附图5所示)定义了每一个命令的内容和编码，采用UART帧(物理传输为RS485)，提供下行的命令传输。控制帧采用类HDLC包封装，即采用0x7E+命令帧+0x7E的前后起始定界方式。控制帧最小长度6字节，小于6字节为超短错误帧；最大长度受以太网帧长度限制。
其中所述上行(采集站/电源站至交叉站)应答及采集数据传输通信协议帧格式(见附图6所示)采用MAC帧(物理传输为LRE)。上行数据通道的命令采用和数据包一致的以太网MAC帧封装。数据帧最小长度13字节，小于13字节为超短错误帧；最大长度受以太网帧长度限制。
Claims (3)
1.一种交叉站大线接口通信系统，其串行连接交叉站和采集站/电源站，其特正在于：交叉站大线接口通信系统由两块相互连接的交叉站控制板和交叉站接口板组成；
交叉站控制板包括一个嵌入式处理机，嵌入式处理机的两个串行通信控制器SCC1和SCC2，经过驱动芯片，连接交叉站接口板连接器，然后分别与交叉站接口板中大线两侧的两个RS485收发器相连后，SCC1连接大线的高端，SCC2连接大线的低端；过程中此控制流执行命令帧格式通信协议，由交叉站向大线方向传送，定义每一个命令的内容和编码，保证整个系统能准确可靠的通信；
完成后，交叉站接口板中包括分别连接大线的高端和低端的两片长距离以太网物理层芯片实现传输速率为40Mbps数据的传送；再通过FPGA器件将其转换成100Mbps标准MII接口协议，与控制板中嵌入式处理机的FCC2口相连，实现命令应答并接受大线数据、整理数据然后上传；过程中此数据流执行数据帧格式通信协议，由大线向交叉站方向传送，保证数据传输的效率与可靠性。
2.根据权利要求1所述的交叉站大线接口通信系统，其特正在于：
交叉站至采集站/电源站的大线控制命令传输通信协议帧格式定义了每一个命令的内容和编码，采用UART帧，物理传输为RS485，提供下行的命令传输，控制帧采用类HDLC包封装，即采用0x7E+命令帧+0x7E的前后起始定界方式；控制帧最小长度6字节，小于6字节为超短错误帧；最大长度受以太网帧长度限制。
3.根据权利要求1所述的交叉站大线接口通信系统，其特正在于：采集站/电源站至交叉站应答及采集数据传输通信协议帧格式采用MAC帧，物理传输为LRE，上行数据通道的命令采用和数据包一致的以太网MAC帧封装，数据帧最小长度13字节，小于13字节为超短错误帧；最大长度受以太网帧长度限制。
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