CN101975966A - 一种用于地球物理勘探的拖缆模拟器板 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于地球物理勘探的拖缆模拟器板，包括：接口模块分别与零槽CPU板及数据模拟模块相连，并在数据模拟模块与零槽CPU板之间进行数据转换交互；光电接口模块分别与室内系统及数据模拟模块相连，并在数据模拟模块与室内系统之间进行数据转换交互；数据模拟模块在接口模块发送来的零槽CPU板设定的工作环境下，按照光电接口模块发送来的室内系统设定的指令进行拖缆数据模拟，并将模拟结果通过光电接口模块发送回室内系统，数据模拟模块为FPGA。本发明中数据模拟模块采用FPGA，来产生模拟拖缆数据，以提供足够的数据率来满足系统测试所需，还方便接口连接，并具有较高实时性，同时可以模拟实际工作时的出错情况。

Description

一种用于地球物理勘探的拖缆模拟器板

技术领域

本发明涉及一种用于地球物理勘探的拖缆模拟器板。

背景技术

目前，数据模拟均采用软件实现，通过软件产生所需要的数据流发送到待测模块进行测试。但是随着拖缆数量、通道、采样率及采集精度的提高，数据率越来越庞大，软件系统越来越无法负担数据模拟任务。另外，当水下拖缆和船载数据接收处理系统之间的数据通信通过光纤实现时，通信协议和通信接口都是自定义的，因此无法找到现有的通用计算机接口来实现水下拖缆模拟数据上传的功能。再有，采用软件进行数据模拟时，模拟数据很难实时产生、实时上传，不能实时响应FCI板发送的命令改变模拟数据，从而影响全面验证系统工作的可靠性。最后，采用软件模拟数据的方式，无法模拟系统实际工作时的出错情况，从而无法验证系统出错处理部分的工作状态。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种实时性高且可模拟出错情况的高精度的用于地球物理勘探的拖缆模拟器板。

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于地球物理勘探的拖缆模拟器板，包括：

接口模块，所述接口模块分别与零槽CPU板及数据模拟模块相连，并在所述数据模拟模块与所述零槽CPU板之间进行数据转换交互；

光电接口模块，所述光电接口模块分别与室内系统及数据模拟模块相连，并在所述数据模拟模块与所述室内系统之间进行数据转换交互；

数据模拟模块，所述数据模拟模块在所述接口模块发送来的所述零槽CPU板设定的工作环境下，按照所述光电接口模块发送来的所述室内系统设定的指令进行拖缆数据模拟，并将模拟结果通过所述光电接口模块发送回所述室内系统，所述数据模拟模块为现场可编程门阵列(FPGA)。

进一步，所述数据模拟模块包括：

配置命令处理单元，所述配置命令处理单元接收所述零槽CPU板通过所述接口模块发送来的工作环境设定参数，并将该参数分别发送到查表单元与数据处理单元；

缓存解析单元，所述缓存解析单元将所述室内系统通过所述光电接口模块发送来的指令进行解析后发送到参数提取单元，所述缓存解析单元还将数据处理单元发送来数据处理结果进行数据缓冲后通过所述光电接口模块发送到所述室内系统；

参数提取单元，所述参数提取单元接收到所述缓存解析单元发送来的解析后的指令，进行参数提取，并将提取的参数发送到所述查表单元与叠加增益单元；

查表单元，所述查表单元接收到所述参数提取单元发送来的参数，并按照该参数进行查表，得到相应数值后分别发送到叠加增益单元与数据处理单元；

叠加增益单元，所述叠加增益单元接收到所述查表单元发送来的相应数值后，进行噪声叠加与幅度增益，并将噪声叠加与幅度增益结果发送到数据处理单元；

数据处理单元，所述数据处理单元接收到所述配置命令处理单元、查表单元及叠加增益单元发送来的数据，进行合成处理，并将合成处理结果发送到所述缓冲解析单元。

进一步，所述数据模拟模块还包括输出单元，所述输出单元将所述缓冲解析单元发送来的解析后的指令进行缓冲后通过所述配置命令处理单元发送到所述零槽CPU板。

进一步，所述数据模拟模块还包括串联的UART(Universal AsynchronousReceiver/Transmitter通用异步接收/发送装置)及RS232接口，所述输出单元将所述缓冲解析单元发送来的解析后的指令进行缓冲后通过所述UART及RS232接口进行输出。

进一步，所述参数提取单元提取参数包括幅度参数、波形参数及定时参数。

进一步，所述查表单元包括脉冲查找表、预存波形表、正弦波查找表及状态信息表。

进一步，采用类似直接频率合成器(DDS)的方案来实现测试正弦波的生成。

进一步，所述叠加增益单元中使用基于移位寄存器的伪随机数(PRBS)发生器模拟噪声的产生。

本发明具有如下优点：

1、本发明中数据模拟模块采用现场可编程门阵列(FPGA)，来产生模拟拖缆数据，以提供足够的数据率来满足系统测试所需，还方便接口连接，并具有较高实时性，同时可以模拟实际工作时的出错情况。

2、本发明结构简单、动作可靠，模拟精度高，并易于操作，故障率低。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1示出了本发明一种用于地球物理勘探的拖缆模拟器板结构示意图；

图2示出了本发明一种用于地球物理勘探的拖缆模拟器板中查表单元产生示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括接口模块1、光电接口模块2及数据模拟模块3。数据模拟模块3是本发明主体，用于根据室内系统4指令及零槽CPU板5设定的环境参数进行拖缆数据模拟，接口模块1与光电接口模块2分别为数据模拟模块与零槽CPU板5及室内系统4进行数据交互的通讯模块。

接口模块1分别与零槽CPU板5及数据模拟模块3相连，并在数据模拟模块3与零槽CPU板5之间进行数据转换交互。接口模块1中包括现场可编程门阵列(FPGA)与S5935。接口模块1通过CPCI背板总线与零槽CPU5板进行数据通讯。

光电接口模块2分别与室内系统4及数据模拟模块3相连，并在数据模拟模块3与室内系统4之间进行数据转换交互。光电接口模块2包括光通讯接口与电通讯接口，每个接口均为双向通讯，通讯时可根据需要进行选择。光电接口模块2通过FCI板与室内系统4进行数据通讯。

数据模拟模块3在接口模块1发送来的零槽CPU板5设定的工作环境下，按照光电接口模块2发送来的室内系统4设定的指令进行拖缆数据模拟，并将模拟结果通过光电接口模块2发送回室内系统4，数据模拟模块3为现场可编程门阵列(FPGA)。

数据模拟模块3能够模拟水下拖缆的数据与指令行为，可代替真实电缆与室内系统4进行联调，用于测试室内系统4的满负荷工作特性和出错处理能力。具体功能包括：

(1)完成4缆、单缆12Km(1ms采样)水下拖缆数据的模拟；

(2)根据室内系统4发送的命令，模拟电缆状态、传输板ID号、采集板ID；

(3)能够模拟脉冲、正弦波(可变频率和幅度)、噪音三种测试信号和带初至的地震波形；

(4)能够模拟错误出错场景；

(5)具有拖缆命令检测功能。

本发明中数据模拟模块3采用现场可编程门阵列(FPGA)，来产生模拟拖缆数据，以提供足够的数据率来满足系统测试所需，还方便接口连接，并具有较高实时性，同时可以模拟实际工作时的出错情况。

本发明中，数据模拟模块3包括配置命令处理单元31、缓存解析单元32、参数提取单元33、查表单元34、叠加增益单元35及数据处理单元36。其中：

配置命令处理单元31接收零槽CPU板5通过接口模块1发送来的工作环境设定参数，并将该参数分别发送到查表单元34与数据处理单元36。

缓存解析单元32将室内系统4通过光电接口模块2发送来的指令进行解析后发送到参数提取单元33，缓存解析单元32还将数据处理单元36发送来数据处理结果进行数据缓冲后通过光电接口模块2发送到室内系统4。

参数提取单元33接收到缓存解析单元32发送来的解析后的指令，进行参数提取，并将提取的参数发送到查表单元34与叠加增益单元35。

查表单元34接收到参数提取单元33发送来的参数，并按照该参数进行查表，得到相应数值后分别发送到叠加增益单元35与数据处理单元36。

叠加增益单元35接收到查表单元34发送来的相应数值后，进行噪声叠加与幅度增益，并将噪声叠加与幅度增益结果发送到数据处理单元36。

数据处理单元36接收到配置命令处理单元31、查表单元34及叠加增益单元35发送来的数据，进行合成处理，并将合成处理结果发送到缓冲解析单元32。

本发明中，数据模拟模块3还包括输出单元37，输出单元37将缓冲解析单元32发送来的解析后的指令进行缓冲后通过配置命令处理单元31发送到零槽CPU板5。零槽CPU板5可对该指令进行显示，以方便操作者观察及操作。

本发明中，数据模拟模块3还包括串联的UART38(UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter通用异步接收/发送装置)及RS232接口39，输出单元37将缓冲解析单元32发送来的解析后的指令进行缓冲后通过UART38及RS232接口39进行输出。

本发明中，参数提取单元33提取参数包括幅度参数、波形参数及定时参数。查表单元34包括脉冲查找表、预存波形表、正弦波查找表及状态信息表。数据处理单元36包括数据帧合成与数据帧后处理。

本发明中，采用类似直接频率合成器(DDS)的方案来实现测试正弦波的生成。还使用了查找表(LUT)方法实现脉冲和地震波形生成。

本发明中，叠加增益单元35中使用基于移位寄存器的伪随机数(PRBS)发生器模拟噪声的产生。

本发明中共可以产生四种类型的波形：正弦波、脉冲、带初至波的实际采集波形和噪声波形。其中脉冲波形和带初至波的实际采集波形可以采用同样的方式进行处理。

对于基础波形的产生，在设计中使用类似DDS(直接频率合成器)的原理，通过在FPGA内部集成正弦波查找表、脉冲波形查找表及实际采集波形的预存波形表等三张查找表，按照不同的地址间隔依次输出查找表中储存的数据，即可以产生不同频率的正弦波或不同脉宽的脉冲波形和实际采集波形。通过改变各个采集数据通道的初始相位，即可以模拟出带有初至波的效果。查表的过程如图2所示。

相位累加后的输出即为在正弦波查找表(脉冲波形表\实际采集波形表)中的地址。在FPGA中储存三种表：3200个24bit的正弦波查找表中储存将一个完整的正弦波周期上进行3200次均匀采样的采样点幅度值；128个24bit的脉冲波形表将储存一个128个点的脉冲响应波形，其中脉冲宽度为8个点，其余为脉冲两边的纹波；1024个24bit的实际采集波形表将储存一个1024个点的实际采集波形。对于正弦波查找表和脉冲波形表(实际采集波形表)，其查表方式也有所不同：对于正弦波查找表，当相位累加超过其地址范围时，有效地址为计算地址对查找表长度的余数；对于脉冲波形表(实际采集波形表)，当相位累加超过其地址范围时，所有查表结果输出为0。

在本发明中需要对设置采样率、正弦波频率、脉冲宽度等命令加以响应，以改变进行查找表查找时的相关参数，具体参数设置如下表所示：

表1初始相位寄存器设置规则

表2模拟正弦波时相位偏移量设置规则(表中内容为相位偏移量)

表3模拟脉冲时相位偏移量设置规则(表中内容为相位偏移量)

脉冲波形表(实际采集波形表)的长度相对比较短，其具体长度的确定有如下要求：当采用某种脉冲响应波形时(如Ricker子波，带通子波或俞氏子波)，如果其最大值为设定的满幅度值，其到达尾部的衰减应小于24bit的最小量化台阶。

查表得到的数据被乘以固定的增益，以得到测试需要的信号幅度。同时，在逻辑中使用带有反馈的移位寄存器构成一个标准的PRBS伪随机数产生器用于产生测试数据中的噪声数据。信号幅度叠加噪声数据后，其计算结果被放入到FCI板的数据帧的相应位置。同时，结合其他状态信息、拖缆ID信息、采集板ID信息等，共同合并成标准的数据帧，再进行数据帧后处理。然后根据出错模式设置改变相应的数据帧以模拟对应的出错状态，并将最终输出数据经过缓冲后通过光电接口模块上传到FCI板。

同时，在本发明中，还需要分析水上数据记录系统向下发送的各个命令，根据其中的配置命令改变发送模拟数据的相关参数，如正弦波频率、幅度，脉冲宽度、幅度等，同时根据室内系统4控制命令控制模拟数据传输的开始时刻，时间间隔等信息，以做到和水下拖缆的命令响应行为完全相同。

本发明结构简单、动作可靠，模拟精度高，并易于操作，故障率低。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于地球物理勘探的拖缆模拟器板，其特征在于，包括：

接口模块(1)，所述接口模块(1)分别与零槽CPU板(5)及数据模拟模块(3)相连，并在所述数据模拟模块(3)与所述零槽CPU板(5)之间进行数据转换交互；

光电接口模块(2)，所述光电接口模块(2)分别与室内系统(4)及数据模拟模块(3)相连，并在所述数据模拟模块(3)与所述室内系统(4)之间进行数据转换交互；

数据模拟模块(3)，所述数据模拟模块(3)在所述接口模块(1)发送来的所述零槽CPU板(5)设定的工作环境下，按照所述光电接口模块(2)发送来的所述室内系统(4)设定的指令进行拖缆数据模拟，并将模拟结果通过所述光电接口模块(2)发送回所述室内系统(4)，所述数据模拟模块(3)为现场可编程门阵列(FPGA)。

2.如权利要求1所述的用于地球物理勘探的拖缆模拟器板，其特征在于：所述数据模拟模块(3)包括：

配置命令处理单元(31)，所述配置命令处理单元(31)接收所述零槽CPU板(5)通过所述接口模块(1)发送来的工作环境设定参数，并将该参数分别发送到查表单元(34)与数据处理单元(36)；

缓存解析单元(32)，所述缓存解析单元(32)将所述室内系统(4)通过所述光电接口模块(2)发送来的指令进行解析后发送到参数提取单元(33)，所述缓存解析单元(32)还将数据处理单元(36)发送来数据处理结果进行数据缓冲后通过所述光电接口模块(2)发送到所述室内系统(4)；

参数提取单元(33)，所述参数提取单元(33)接收到所述缓存解析单元(32)发送来的解析后的指令，进行参数提取，并将提取的参数发送到所述查表单元(34)与叠加增益单元(35)；

查表单元(34)，所述查表单元(34)接收到所述参数提取单元(33)发送来的参数，并按照该参数进行查表，得到相应数值后分别发送到叠加增益单元(35)与数据处理单元(36)；

叠加增益单元(35)，所述叠加增益单元(35)接收到所述查表单元(34)发送来的相应数值后，进行噪声叠加与幅度增益，并将噪声叠加与幅度增益结果发送到数据处理单元(36)；

数据处理单元(36)，所述数据处理单元(36)接收到所述配置命令处理单元(31)、查表单元(34)及叠加增益单元(35)发送来的数据，进行合成处理，并将合成处理结果发送到所述缓冲解析单元(32)。

3.如权利要求2所述的用于地球物理勘探的拖缆模拟器板，其特征在于：所述数据模拟模块(3)还包括输出单元(37)，所述输出单元(37)将所述缓冲解析单元(32)发送来的解析后的指令进行缓冲后通过所述配置命令处理单元(31)发送到所述零槽CPU板(5)。

4.如权利要求3所述的用于地球物理勘探的拖缆模拟器板，其特征在于：所述数据模拟模块(3)还包括串联的UART(38)(Universal AsynchronousReceiver/Transmitter通用异步接收/发送装置)及RS232接口(39)，所述输出单元(37)将所述缓冲解析单元(32)发送来的解析后的指令进行缓冲后通过所述UART(38)及RS232接口(39)进行输出。

5.如权利要求2所述的用于地球物理勘探的拖缆模拟器板，其特征在于：所述参数提取单元(33)提取参数包括幅度参数、波形参数及定时参数。

6.如权利要求2所述的用于地球物理勘探的拖缆模拟器板，其特征在于：所述查表单元(34)包括脉冲查找表、预存波形表、正弦波查找表及状态信息表。

7.如权利要求6所述的用于地球物理勘探的拖缆模拟器板，其特征在于：采用类似直接频率合成器(DDS)的方案来实现测试正弦波的生成。

8.如权利要求2所述的用于地球物理勘探的拖缆模拟器板，其特征在于：所述叠加增益单元中使用基于移位寄存器的伪随机数(PRBS)发生器模拟噪声的产生。

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