CN102393531A - 一种用于地震勘探的数据传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种用于地震勘探的数据传输系统，包括：主机和多列依次连接的排列，主机与其中一个排列相连接；每一排列包括一个交叉站、多个采集站和多个电源站，多个采集站和多个电源站是设置于交叉站的两侧并以交叉站为中心延伸布置，交叉站的每一侧的相邻采集站间以及采集站和电源站之间是串行连接；主机向交叉站发送命令并接收来自交叉站的数据；交叉站向采集站或邻近的其它交叉站转发主机的命令，并接收来自采集站或邻近的其它交叉站的数据，并上传给主机；电源站为采集站供电，完成数据和命令的接收和转发；采集站接收地震数据信号上传给交叉站并执行主机下发的命令。该系统可节约传输介质和减小系统互连的复杂性。

Description

一种用于地震勘探的数据传输系统

技术领域

本发明涉及大型野外地震仪器的数据传输领域，具体地涉及一种用于地震勘探的数据传输系统。

背景技术

地球物理勘探越来越朝着大面积、高密度方向发展，对施工道数要求越来越高，需要实施回传的数据量也大量增加，野外排列数据传输就显得尤为重要，发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术中的用于地球物理勘探的数据传输系统需要大量的传输介质，而且数据传输系统互连的较为复杂。

发明内容

本发明实施例的目的是，提供一种用于地震勘探的数据传输系统，以节约地球物理勘探中数据传输系统的传输介质，并减小系统互连的复杂性。

为达上述目的，本发明实施例提供了一种用于地震勘探的数据传输系统，其特征在于，所述系统包括：

主机和多列依次连接的排列，所述主机与其中一个排列相连接；

其中，每一排列包括一个交叉站、多个采集站和多个电源站，所述多个采集站和所述多个电源站是设置于所述交叉站的两侧并以所述交叉站为中心向远离所述交叉站的方向延伸布置，所述交叉站的每一侧的相邻采集站之间以及采集站和电源站之间是串行连接；

所述主机，用于向交叉站发送命令并接收来自交叉站的数据；

所述交叉站，用于向采集站或邻近的其它交叉站转发主机的命令，同时接收来自采集站或邻近的其它交叉站的数据，并上传给主机；

所述电源站，用于为采集站供电，并完成数据和命令的接收和转发；

所述采集站，用于接收地震数据信号并上传给交叉站，以及执行所述主机下发的命令。

本发明实施例的有益效果在于，本发明实施例提供的一种基于串行总线的高速串行数据传输系统，在节约传输介质的同时，也减小了系统互连的复杂性，并使采用更好的传输介质在成本上成为可能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例的数据传输系统的一种连接结构示意图；

图2为本实施例的数据传输系统的采集站的结构示意图；

图3A为本发明实施例的命令帧格式示意图；

图3B为本发明实施例的命令响应的帧格式示意图；

图3C为本发明实施例的站体地址格式的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种基于串行总线的高速的、稳定的串行数据传输系统，该数据传输系统在节约传输介质的同时，也减小了系统互连的复杂性，并使采用更好的传输介质在成本上成为可能。

图1为本实施例的数据传输系统的一种连接结构示意图。如图1所示，该数据传输系统包括：主机10和多列排列，如图1中示例性绘出的排列20、30、40，还可以有更多的排列，相邻排列彼此之间以交叉线60相连接，上述主机10与其中一个排列20相连接；上述每一列排列包括一个交叉站、多个采集站和多个电源站，上述多个采集站和多个电源站是设置于该交叉站的两侧并以该交叉站为中心向远离该交叉站的方向延伸布置，上述每一列排列中交叉站的每一侧的相邻采集站之间以及采集站和电源站之间是串行连接。以排列20为例，其包括一个交叉站210，其两侧设置有多个采集站和多个电源站，在其上半侧设置有采集站220、电源站230和采集站240，采集站240、电源站230、采集站220和交叉站210之间依次是采用串行连接。如图1所示，以一个交叉站为中心的纵向连接的所有站体为野外的一条排列，该排列负责传输本排列的命令和/或数据，传输速率大于24Mb/s，节点间传输距离小于或等于220m。

其中，主机、交叉站、电源站和采集站统称为地震勘探仪器。主机是整个系统的控制和处理单元，交叉站是命令和数据的转发单元，采集站是命令的执行单元。具体地，

主机10，用于管理整个数据传输系统，向交叉站发送命令并接收来自交叉站的数据。

交叉站(210、310、410)，用于负责向本列排列的采集站或邻近的其它交叉站转发主机的命令，同时接收来自本列排列的采集站或邻近的其它交叉站的数据，并上传给主机。

电源站230，用于负责为本列排列的部分采集站供电，并完成数据和命令的接收和转发。一个电源站可以为左右两边最多各5个采集站供电。通过多个电源站可实现为本排列的所有采集站供电。

各采集站，用于接收地震数据信号并上传给自身所属排列的交叉站，以及执行主机10下发的命令。采集站的数量是根据野外使用的需求来确定。

作为优选的实施例，主机10与排列20是通过以太网相连接，具体而言，该排列20中的交叉站210和主机10之间是采用光缆50连接。

作为优选的实施例，在每一排列中，上述多个采集站和多个电源站是按照预设的间距布置于所述交叉站的两则。该间距较佳为小于或等于220m。

作为优选的实施例，在每一排列中，交叉站的每一侧的相邻采集站之间以及采集站和电源站之间是基于485总线的串行连接。

作为优选的实施例，交叉站、采集站和电源站上都配置有高速串行接口。

图1中的数据传输网络包括：交叉站210和主机10之间的以太网络，以及采集站、电源站、交叉站的数据传输网络。采集站、电源站串行连接，构成排列，交叉站负责汇集该排列的数据，通过交叉线向上一级交叉站传输，直至传输到主机。在数据传输的过程中，数据从距离交叉站最远的采集站发给交叉站，距离主机远的交叉站通过距离主机近的交叉站转发数据给主机。例如，交叉站410汇集了排列40的数据后依次通过交叉站310、交叉站210逐级向主机10上报。

进一步地，在采集站、交叉站及电源站的站体内部均设计数据双向通道和命令通道功能电路，并利用命令通道和数据通道传输信息数据。

高速串行接口的物理层是由发送通道和接收通道组成：编码器、串行器、发送器以及时钟产生电路组成发送通道；解码器、解串器、接收器以及时钟恢复电路组成接收通道。发送器和接收器组成电路的模拟前端部分，完成差分信号的发送和接收。物理层中的编码器、解码器、串行器和解串器都将完成协议(指系统定义的所有命令的集合，其中命令例如包括排列的加电、卸电命令，数据采集命令，排列测试命令等)规定中的一定逻辑功能，这些单元可利用RTL级硬件描述语言进行描述，而后进行逻辑综合得到电路实现。上述解码器利用串行信号波特率10倍的高速时钟对串行信号进行位同步操作，而后对串并转换后的数据进行检测，在检测到帧头后将10位并行字节流输出到异步FIFO，再检测到帧尾后结束该过程。

本实施例在交叉站、采集站和电源站中都配置有高速串行接口。高速串行接口由命令通道和数据通道组成。以采集站为例，请参阅图2，图2为本实施例的数据传输系统的采集站的结构示意图，每个采集站具有一个命令通道，命令通道具有对主机发下来的命令进行解码、时钟恢复、CRC检测、命令处理、整形、编码、发送等功能。每个采集站还具有两个数据通道，每个数据通道的数据传输速率为12Mbps。两个数据传输通道的数据接收电路和数据发送电路是独立的，但控制电路是公用的。数据通道完成两部分的功能：第一、完成下一个站体发送数据的接收、时钟恢复、CRC检测、整形、编码和发送；第二、完成本站数据的编码和发送。高速串行接口通过采用数据编码等技术，可获得更高的传输速率和更远的传输距离。

以下结合图2对上述命令通道和数据通道进行详细说明：

1、命令通道：

IMU_dat485_fifo_recv(命令接收缓存模块)：接收命令信号，进行时钟恢复(完成位同步和帧同步的操作)，并进行数据解码，将接收到的10位并行字节流发送到lpm_fifo_cmd_recv_8b，同时还可以将10位并行字节流发送到cmd_txmt_top，该模块还完成CRC检测。

lpm_fifo_cmd_recv_8b(命令接收格式转换模块)：8位异步FIFO，将10位数据转换为8位数据，发送给nois软核进行处理。同时隔离了上位NIOS和IMU_dat485_fifo_recv模块的时钟，实现异步数据交互。其中，NOIS软核处理，指的是与该采集站有关的命令的执行和控制。对一个采集站而言，只处理与自己有关的命令，而与自己无关的命令，只是转发，不处理。

lpm_fifo_cmd_txmt_8b(命令发送缓存模块)：8位FIFO，接收nios处理后的命令，发送给lpm_fifo_cmd_txmt_10b。

lpm_fifo_cmd_txmt_10b(命令发送格式转换模块)：对8位并行数据进行打包，编码，并将10位的并行字节流发送到cmd_txmt_top。

cmd_txmt_top(命令发送控制模块)：接收dat485_fifo_recv和IMU_dat485_fifo_recv传送过来的10位并行字节流，根据先到先发送的原则对命令发送逻辑进行控制。

dat485_fifo_send(命令发送模块)：将cmd_txmt_top发送过来的10位并行字节流加上帧尾后，以5MHZ的时钟驱动并串转换，将串行信号发送出去。

2、数据双通道：

dat485_fifo_recv(数据接收缓存模块)：接收数据通道串行信号，完成时钟恢复(位同步和帧同步的操作)、CRC检测，然后将接收到的10位并行字节流发送到dat_txmt_top。

lpm_fifo_dat_txmt_8b(本站数据发送缓存模块)：8位FIFO，接收本站NOIS处理的数据信号，发送给dat485_fifo_txmt_10b。

dat485_fifo_txmt_10b(本站数据发送格式转换模块)：对8位并行数据转换为10位并行数据，然后进行链路帧打包、编码，并发送到dat_txmt_top。

dat_txmt_top(数据发送控制模块)：接收dat485_fifo_recv和/或dat485_fifo_txmt_10b传送过来的10位并行字节流，同时控制数据发送的通道选择，先发送dat485_fifo_recv的数据，然后发送dat485_fifo_txmt_10b的数据。

dat485_fifo_send(数据发送模块)：将dat_txmt_top发送过来的10位并行字节流加上帧尾后，以20MHZ的时钟驱动并串转换，将串行信号发送出去。

本发明实施例的有益效果在于，本发明实施例提供的一种基于485总线的高速串行数据传输系统，在节约传输介质的同时，也减小了系统互连的复杂性，并使采用更好的传输介质在成本上成为可能。同时，高速串行接口通过采用了数据编码等技术，可获得更高的传输速率和更远的传输距离。本发明实施例的数据传输系统由于采用了时钟恢复、编码和CRC检测等技术，所以提高了系统的稳定性，克服了野外环境、电缆性能变化等因素的影响。实现了以下技术指标：

(1)传输节点间距离小于或等于220m，即每一列排列中任意相邻的两个野外采集站之间的距离不大于为220m；

(2)每个交叉站单边的节点数可达250个，即每条排列双边的台站数目可达500个；

(3)有效数据传输速率不小于24Mb/s(双信道)；

(4)命令传输速率不小于3Mb/s(单信道)；

(5)应用环境为野外环境。

本发明实施例还提供了一种适用于地震勘探仪器(图1示出的所有野外地震采集设备统称为地震勘探仪器)的高速数据传输方法，利用双向485串行技术实现双向数据通道的链路帧接收，解码，校验数据正确性。

本地采集站接收本地采集数据，并将收到的下一级采集站的数据编码、打包后连同本地采集数据，向上一级采集站发送。如图1所示，相对于离交叉站远的采集站而言，距离交叉站近的采集站称为上一级采集站；举例而言，如图1所示，在每一排列中最远端采集站将数据向上发送，直至发送到交叉站，称为上行数据通道。

主机通过交叉站向采集站发送命令，称为下行命令通道，采集站对命令通道的下行命令进行链路帧接收，解码，并反馈给采集站的上层主控(即图1中的交叉站和主机)；以及将命令数据直接传输或经处理后重新打包传输给下一级采集站。

在本实施例的方法中，具有两大传输通路：1、命令通道，2、双向数据通道。命令通道和双向数据通道传输都为点对点传输，每经过一个传输点都要对接收到的数据帧进行整形，包括时钟数据恢复，RS编码纠错和CRC检错。

传输协议的设计分为命令传输协议(下行协议)和数据传输协议(上行协议)。传输技术物理层实现方法决定了数据传输的速率和稳定性；本发明实施例采用自定义传输协议，由帧头、数据体、帧尾三部分组成。图3A为本发明实施例的命令帧格式示意图；图3B为本发明实施例的命令响应的帧格式示意图；图3C为本发明实施例的站体地址格式的示意图。如图3A所示，参数字段是可选的，是对命令的一些补充说明，其中，FCU：field control unit，野外设备管理单元；Atype：标识地址类型；Ftype标识帧的类型，Ctype标识数据是否压缩。图3A中，帧头包括帧属性和帧长度，数据体指的是：剩下的部分，帧尾是CRC部分(图中没有绘出)。图3C示出了源地址或目的地址的具体格式，站体地址具体包括交叉线上位置CID、站体类型、边标识和大线上位置LID等字段。

本发明方法实施例的优点在于节约传输介质，减小了系统互连的复杂性。高速串行接口通过采用数据编码等技术，可获得更高的传输速率和更远的传输距离。本发明实施例的数据传输系统稳定性提高是由于采用了时钟恢复、编码和CRC检测等技术，克服了野外环境、电缆性能变化等因素的影响。

以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种用于地震勘探的数据传输系统，其特征在于，所述系统包括：

主机和多列依次连接的排列，所述主机与其中一个排列相连接；

其中，每一排列包括一个交叉站、多个采集站和多个电源站，所述多个采集站和所述多个电源站是设置于所述交叉站的两侧并以所述交叉站为中心向远离所述交叉站的方向延伸布置，所述交叉站的每一侧的相邻采集站之间以及采集站和电源站之间是串行连接；

所述主机，用于向交叉站发送命令并接收来自交叉站的数据；

所述交叉站，用于向采集站或邻近的其它交叉站转发主机的命令，同时接收来自采集站或邻近的其它交叉站的数据，并上传给主机；

所述电源站，用于为采集站供电，并完成数据和命令的接收和转发；

所述采集站，用于接收地震数据信号并上传给交叉站，以及执行所述主机下发的命令。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在每一排列中，所述多个采集站和多个电源站是按照预设的间距布置于所述交叉站的两则。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主机与其中一个排列是通过光缆相连接。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述交叉站的每一侧的相邻采集站之间以及采集站和电源站之间是采用基于485总线的串行连接。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多列依次连接的排列之间是通过交叉线依次相连接。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主机发送的命令具有帧属性字段、帧长度字段、命令字段和目标地址字段；所述采集站或交叉站返回的数据具有帧属性字段、帧长度字段、命令字段、源地址字段、帧序号字段和数据内容字段。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述交叉站、所述采集站和所述电源站均配置有高速串行接口。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述高速串行接口包括：

命令通道，用于对主机下发的命令执行解码、时钟恢复、CRC检测、命令处理、整形、编码及发送；

数据通道，用于对接收到的待上报数据执行时钟恢复、CRC检测、整形、编码及发送。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述命令通道包括：

命令接收缓存模块，用于接收命令信号，对所述命令信号执行时钟恢复、数据解码和CRC检测，生成10位并行字节流，以及将所述10位并行字节流发送到命令接收格式转换模块；

命令接收格式转换模块，用于将10位并行字节流的命令转换为8位并行字节流的命令；

命令发送缓存模块，用于将所述8位并行字节流的命令转发给命令发送格式转换模块；

命令发送格式转换模块，用于对所述8位并行字节流的命令进行打包、编码，并转换为10并行位字节流后发送给命令发送控制模块；

命令发送控制模块，用于接收命令发送格式转换模块传送的10位并行字节流的命令，并根据先到先发送的原则进行发送；

命令发送模块，用于将命令发送控制模块发送过来的10位并行字节流加上帧尾后，进行并串转换，将转换后的串行信号发送出去。

10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，所述数据通道包括：

数据接收缓存模块，用于接收数据串行信号，完成时钟恢复和CRC检测，然后将接收到的10位并行字节流发送到数据转发控制模块；

本站数据发送缓存模块，用于接收所述数据通道所属设备的处理模块发送的数据信号，并发送给数据编码模块；

本站数据发送格式转换模块，用于将数据转发模块发送的8位并行数据转换为10位并行数据，然后进行链路帧打包、编码，并发送至数据发送控制模块；

数据发送控制模块，用于接收数据接收缓存模块和/或本站数据发送格式转换模块传送过来的10位并行字节流，并发送于数据发送模块；

数据发送模块，用于将数据发送控制模块发送的10位并行字节流加上帧尾后，执行并串转换，将转换成的串行信号发送出去。

11.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述采集站还包括：处理模块、存储模块、温度传感器接口和采集板接口，所述存储模块、温度传感器接口和采集板接口分别与所述处理模块相连接。

12.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述目标地址字段或源地址字段具体包括：交叉线上位置字段、站体类型字段、边标识字段和大线上位置字段。

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