CN103353609B - 用于地震勘探仪器的电源工作站及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于地震勘探仪器的电源工作站及其工作方法，与现有技术相比解决了电源工作站无法集数据采集、缓存转发和供电功能集中的缺陷。本发明包括FPGA芯片和与FPGA芯片相连的本地电源，还包括主SDRAM、从SDRAM、本地数据采集芯片、电源管理模块和网络变压器，所述的本地数据采集芯片与FPGA芯片的采集驱动模块相连，所述的主SDRAM和从SDRAM分别与FPGA芯片的SDRAM乒乓控制模块相连，所述的网络变压器通过电源管理模块与FPGA芯片的电源控制模块相连。本发明可以集数据采集、缓存、转发和供电功能于一体，采用乒乓缓存工作方式，为大型特别是万道的地震勘探仪器系统的实现提供了途径。

Description

用于地震勘探仪器的电源工作站及其工作方法

技术领域

本发明涉及地震勘探仪器技术领域，具体来说是一种用于地震勘探仪器的电源工作站及其工作方法。

背景技术

针对地下石油、矿物质的位置判断采用对所测区域进行炸药围起来，通过炸药的爆炸后产生声波的反射数据来判断地下物质的材质。此种方法需要地震勘探仪器中的数据采集系统可以准确的采集到地下反射回来的各类数据信息，以供后期进行相关的研究分析，从而进行地下物质的判断。因此，地震勘探仪器中的数据采集装置在实际使用时，拥有多个数据采集设备，并且遍布整个所测区域，范围较广、数量众多。

目前国内外最为先进的地震勘探仪器中的数据采集系统为中海油海上地震数据采集系统海亮系统，中石油ES109万道陆上地震仪系统等。中海油海亮地震数据采集系统为实现大容量数据传输，其数据传输率达到240Mbps以支持硬实时数据传输。即海亮系统中间节点并不进行数据的缓存，而是通过高数据传输率达到所采集数据的实时上传，此种方式系统结构最为简单，但是高数据率对传输稳定性提出了较高的要求，继而对传输介质提出了很高的要求，故“海亮”系统的传输电缆都是特制的，成本很高，不适合陆地上大范围推广应用。另外“海亮”系统的供电方式是单一集中式供电，即单条缆通过一条高压线对所有采集站进行供电，此种供电方式的选择基于海上实际工作条件的限制，即所有的采集站必须封入电缆中，无法在中间节点放置外接电瓶，不适合在地面上使用。

中石ES109是陆上地震采集系统，其设计初衷基于完全无死时间的理念，将整个系统的复杂性大大提升，直接造成系统稳定性差，功耗大等严重问题。基于无死时间的理念，ES109系统采用双路RS485接口进行数据传输，中间不加任何缓存，实现了采集数据的实时传输，结果证明在大道数情况下，这种方式稳定性差，功耗大，系统鲁棒性弱，很难适应野外恶劣的工作条件。

从地震勘探仪器越来越大型化对强带道能力的需要出发，结合野外施工的特点，设计具备缓存功能的中间站点是必需的，同时集中式供电方式大大简化了野外施工，故也是推荐的。因此如何开发出一种集缓存和供电于一身的电源工作站，从而实现大道数特别是万道，稳定性好且野外施工灵活的用于大型地震勘探仪器的电源工作站已经成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中电源工作站无法集数据采集、缓存转发和供电功能集中的缺陷，提供一种用于地震勘探仪器的电源工作站及其工作方法来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于地震勘探仪器的电源工作站，包括FPGA芯片和与FPGA芯片相连的本地电源，还包括主SDRAM、从SDRAM、本地数据采集芯片、电源管理模块和网络变压器，所述的本地数据采集芯片与FPGA芯片的采集驱动模块相连，所述的主SDRAM和从SDRAM分别与FPGA芯片的SDRAM乒乓控制模块相连，所述的网络变压器通过电源管理模块与FPGA芯片的电源控制模块相连。

所述的FPGA芯片为CycloneIII系列。

所述的本地数据采集芯片中的数模变换芯片为ADS1282。

用于地震勘探仪器的电源工作站的工作方法，包括以下步骤：

电源工作站进行本地初始化，初始化主SDRAM和从SDRAM，通过电源管理模块关闭两侧电压输出；

监测模式命令输入，监测上端口和下端口是否有模式命令输入；

数据读取和传送，通过主SDRAM和从SDRAM进行数据读取和传送。

所述的监测模式命令输入包括以下步骤：

FPGA芯片监听两侧端口是否有模式命令输入；

监听上端口是否有模式命令输入，若有，则开启下端口电压输出，锁定方向，准备正常接收命令；若没有，则监听下端口是否有模式命令输入；

监听下端口是否有模式命令输入，若有，则开启上端口电压输出，锁定方向，准备正常接收命令；若没有，则继续监听两侧端口是否有模式命令输入。

所述的数据读取和传送包括以下步骤：

从主控站接收到启动采集命令，开始采集；

通过一号采集站采集数据写入主SDRAM中，读取从SDRAM中的数据至主控站；

判断从SDRAM中数据是否读取完毕，若未读取完毕则继续读取；

若从SDRAM中数据读取完毕，刚将采集数据写入从SDRAM中，读取主SDRAM中的数据；

判断主SDRAM中的数据是否读取完毕，若未读取完毕则继续读取；

若主SDRAM中的数据读取完毕，则判断是否接收到停止采集命令，若是则读取完从SDRAM中数据；若未接收到停止采集命令，刚继续第二步所进行的操作，直至接收到停止采集命令。

有益效果

本发明的用于地震勘探仪器的电源工作站及其工作方法，与现有技术相比可以集数据采集、缓存、转发和供电功能于一体。电源工作站采用了基于PoE技术的供电方式对临近采集站进行供电，减少电缆中信号线数量，降低了电缆重量，方便野外施工。在电源工作站的基础上，提供了灵活的野外集中式供电方式，只需对电源工作站提供蓄电池，由电源工作站负责向临近的多个采集站进行供电，大大减少了蓄电池数量，方便野外施工。同时，电源工作站内包含了双片SDRAM，采用乒乓缓存工作方式，在尽可能减少系统死时间的同时，使得系统带道能力可无限制增加，为大型特别是万道的地震勘探仪器系统的实现提供了途径。

附图说明                      

图1为本发明的结构示意图。

其中，1-FPGA芯片、2-本地数据采集芯片、3-电源管理模块、4-网络变压器、5-本地电源、11-采集驱动模块、12-电源控制模块、13-SDRAM乒乓控制模块、131-主SDRAM、132-从SDRAM。

图2为本发明在实际使用时接入地震数据采集系统的拓朴结构图

其中，6-电源工作站、8-交叉站、9-主控站、61-电源工作站蓄电池、71-一号采集站、72-二号采集站、73-三号采集站、74-四号采集站。

图3为本发明基于POE技术供电原理图

其中，4-网络变压器、62-电源工作站接收器、63-电源工作站发送器、64-本地电压、711-采集站接收器、712-采集站发送器、713-电压变换器、714-采集站网络变压器。

图4为本发明的工作方法流程图

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图1所示，本发明所述的一种用于地震勘探仪器的电源工作站，包括FPGA芯片1和与FPGA芯片1相连的本地电源5，本地电源5给FPGA芯片1提供电源支持。FPGA芯片1优先选用Altera公司的CycloneIII系列，FPGA芯片1内部包括三大模块，即采集驱动模块11、电源控制模块12和SDRAM乒乓控制模块13。本发明还包括主SDRAM131、从SDRAM132、本地数据采集芯片2、电源管理模块3和网络变压器4，本地数据采集芯片2与FPGA芯片1的采集驱动模块11相连，所述的主SDRAM131和从SDRAM132分别与FPGA芯片1的SDRAM乒乓控制模块13相连，所述的网络变压器4通过电源管理模块3与FPGA芯片1的电源控制模块12相连。FPGA芯片1作为电源工作站控制中心，负责驱动采集电路、驱动作为缓存的主SDRAM131和从SDRAM132以及电源控制模块3。整个电源工作站结构紧凑简洁，采用2片SDRAM进行乒乓缓存以保证在接收数据的同时进行不间断的转发，减少系统死时间，从而使得对施工的影响可以忽略不计。SDRAM由FPGA芯片1直接驱动，结构更加简单。

本地数据采集芯片2完成电源工作站6所在区域的检波器信号的模数变换，即电源站本身也完成采集站的功能，其采用的A/D变换芯片优选为ADS1282，以增加结构的紧凑性。本地数据采集芯片2作为单独的硬件电路，由FPGA芯片1内部的采集驱动模块11进行驱动。电源管理模块12控制电源站的电压输出，从而控制对临近采集站的供电。电源管理模块12首先将本地电压即标准12V，升压到48V，从而减少传输线上的电压损耗，通过PoE技术，即Power on Ethernet技术对临近的采集站进行供电。

如图2所示，本发明实际使用时接入地震数据采集系统，系统由主控站9、交叉站8、一号采集站71、二号采集站72、三号采集站73、四号采集站74、电源工作站6、电源工作站蓄电池61组成，三号采集站73 四号采集站74直接与交叉站8相连，不需要电源工作站6进行数据传输和供电需要。由于主控站9和交叉站8数据交换较多、使用频繁、用电量大，主控站9、交叉站8利用现有技术中的外接电瓶进行供电。在实际现场使用时，会有多个交叉站以满足所需测试区域的需求。电源工作站蓄电池61为电源工作站6提供电源支持，一号采集站71和二号采集站72供电从电源工作站6直接获取。通常主控站9只有一台，而交叉站8每条测线只有一台，但会有多个交叉站8分别对应不同的测线。数量最多的是采集站，此种集中式供电方式大大减少了外接电瓶的数量，极大的方便了野外施工。电源工作站6将采集站串接起来，为采集站提供电源和数据缓存，实现了大道数仪器，同时简化了野外供电方式。

如图3所示，安装在电源工作站6上的网络变压器4，在将本地电压64变成48V后，通过电源工作站发送器63发送给采集站网络变压器714上的采集站接收器711。同样，采集站网络变压器714上的采集站发送器712与网络变压器4上的电源工作站接收器62相配合，通过采用基于POE技术的供电方式，减少线缆中信号线数量，降低电缆通过信号线耦合电压对临近采集站进行供电，最终经过采集站网络变压器714上的电压变换器713给采集站进行供电。这样便达到了在利用电源工作站6进行数据通信的同时，又可以利用电源工作站6对其相连接的一号采集站71和二号采集站72进行电源供应，省去了现有技术中必须所出现的一号采集站71接一个蓄电池供电，二号采集站72接一个蓄电池供电，直接利用电源工作站6与它们之间的数据传输线进行供电即可。

如图1、图2和图4所示，用于地震勘探仪器的电源工作站的工作方法，其特征在于,包括以下步骤：第一步，电源工作站6进行本地初始化，初始化主SDRAM131和从SDRAM132，通过电源管理模块3关闭两侧电压输出；第二步，监测模式命令输入，监测上端口和下端口是否有模式命令输入；第三步，数据读取和传送，通过主SDRAM131和从SDRAM132进行数据读取和传送。

其中在监测模式命令输入包括以下步骤：首先，FPGA芯片1监听两侧端口是否有模式命令输入；其次，监听上端口是否有模式命令输入，若有，则开启下端口电压输出，锁定方向，准备正常接收命令；若没有，则监听下端口是否有模式命令输入；最后，监听下端口是否有模式命令输入，若有，则开启上端口电压输出，锁定方向，准备正常接收命令；若没有，则继续监听两侧端口是否有模式命令输入。在检测到上端口有模式命令输入时，则表示上端口为上行端口，下端口为下行端口，此时电源站开启对下端口的电压输出。上端口的电压输出关闭，电源工作站为连接到下端口的下行采集站进行供电，连接到上端口的采集站则由上一个电源工作站进行供电，这个过程称为逐级上电，由控制系统发送的模式命令帮助电源工作站完成上电方向的判定。

电源站完成上电方向的判定后，即锁定供电方向，之后进入到正常命令接收阶段，接收控制系统下发的参数配置，启动采集等正常命令。双片SDRAM也已正常初始化等待数据写入读出。所述的数据读取和传送包括以下步骤：第一步，从主控站9接收到启动采集命令，开始采集，启动采集电路采集外接检波器信号输入，完成模数变换；第二步，通过一号采集站71采集数据写入主SDRAM131中，读取从SDRAM132中的数据至主控站9；第三步，判断从SDRAM132中数据是否读取完毕，若未读取完毕则继续读取；第四步，若从SDRAM132中数据读取完毕，刚将采集数据写入从SDRAM132中，读取主SDRAM131中的数据；第五步，判断主SDRAM131中的数据是否读取完毕，若未读取完毕则继续读取；第六步，若主SDRAM131中的数据读取完毕，则判断是否接收到停止采集命令，若是则读取完从SDRAM132中数据；若未接收到停止采集命令，刚继续第二步所进行的操作，以此循环，直到本地采集完成。采用乒乓缓存方式，可以在接收数据的同时进行不间断的数据发送，尽可能减少数据上传的总时间，从而降低整个系统的死时间，最大限度减少对施工进度的影响。根据野外施工的实际场景，此种乒乓缓存方式下的系统死时间基本不会对施工进度造成影响。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.一种用于地震勘探仪器的电源工作站的工作方法，包括FPGA芯片（1）和与FPGA芯片（1）相连的本地电源（5），还包括主SDRAM（131）、从SDRAM（132）、本地数据采集芯片（2）、电源管理模块（3）和网络变压器（4），所述的本地数据采集芯片（2）与FPGA芯片（1）的采集驱动模块（11）相连，所述的主SDRAM（131）和从SDRAM（132）分别与FPGA芯片（1）的SDRAM乒乓控制模块（13）相连，所述的网络变压器（4）通过电源管理模块（3）与FPGA芯片（1）的电源控制模块（12）相连；其特征在于，包括以下步骤：

1）电源工作站（6）进行本地初始化，初始化主SDRAM（131）和从SDRAM（132），通过电源管理模块（3）关闭两侧电压输出；

2）监测模式命令输入，监测上端口和下端口是否有模式命令输入；所述的监测模式命令输入包括以下步骤：

21）FPGA芯片（1）监听两侧端口是否有模式命令输入；

22）监听上端口是否有模式命令输入，若有，则开启下端口电压输出，锁定方向，准备正常接收命令；若没有，则监听下端口是否有模式命令输入；

23）监听下端口是否有模式命令输入，若有，则开启上端口电压输出，锁定方向，准备正常接收命令；若没有，则继续监听两侧端口是否有模式命令输入；

3）数据读取和传送，通过主SDRAM（131）和从SDRAM（132）进行数据读取和传送。

2.根据权利要求1所述的用于地震勘探仪器的电源工作站的工作方法，其特征在于，所述的数据读取和传送包括以下步骤：

21）从主控站（9）接收到启动采集命令，开始采集；

22）通过一号采集站（71）采集数据写入主SDRAM（131）中，读取从SDRAM(132)中的数据至主控站（9）；

23）判断从SDRAM(132)中数据是否读取完毕，若未读取完毕则继续读取；

24）若从SDRAM(132)中数据读取完毕，则将采集数据写入从SDRAM(132)中，读取主SDRAM（131）中的数据；

25）判断主SDRAM（131）中的数据是否读取完毕，若未读取完毕则继续读取；

26）若主SDRAM（131）中的数据读取完毕，则判断是否接收到停止采集命令，若是则读取完从SDRAM(132)中数据；若未接收到停止采集命令，则继续第二步所进行的操作，直至接收到停止采集命令。

3.根据权利要求1所述的用于地震勘探仪器的电源工作站的工作方法，其特征在于：所述的FPGA芯片（1）为CycloneIII系列。

4.根据权利要求1所述的用于地震勘探仪器的电源工作站的工作方法，其特征在于：所述的本地数据采集芯片（2）中的数模变换芯片为ADS1282。