CN103454673A - 具有多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统与方法，属于地球物理勘探中数据通讯领域。所述系统包括至少两个采集子系统，各个采集子系统依次串联连接；每个所述采集子系统均包括记录监控单元(M201)、微机电数字检波器管理站(M202)和微机电数字检波器(M203)；所述方法包括每个采集子系统中的记录监控单元中的计算机开机后的系统配置子程序、每个采集子系统中的通讯控制模块的主控制器的工作步骤以及每个采集子系统中的计算机与主控制器之间的信号通道逻辑关系。本发明降低了意外事件对整个采集系统的影响，保证了系统的可靠性，同时提高了系统布设的灵活性，适应复杂地形的勘探。

Description

具有多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统与方法

技术领域

本发明属于地球物理勘探中数据通讯领域，具体涉及一种具有多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统与方法，所述方法是用于多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统中各个记录监控单元之间的数据传输。

背景技术

地震仪是地震勘探的关键设备，其技术水平、性能指标和应用效果均直接关系到地震采集数据的效果。从上世纪二十年代以来，世界上地震仪的发展经历了以电子管为基础的模拟光点记录地震仪、以晶体管为基础的模拟磁带记录地震仪、以集成电路为基础的数字磁带记录地震仪即通常称作的常规数字仪、以大规模集成电路为基础的早期遥测地震仪、以采用Δ∑技术的24位A/D为基础的全数字遥测地震仪。

随着微电子技术等多种技术的不断发展，地震仪信号的传输方式发生了很大的变化，由纯模拟信号到模拟、数字分段传输，再到如今的纯数字信号传输；从地震仪诞生开始，接收信号的道数也越来越多，从最初的十几道发展到几千、几万道；其体系结构也由最初的集中式结构发展到现在的分布式结构。然而，现在商业化的地震仪，主要有两种类型，一种是采用一个中央处理记录单元，所有地震道接收的数据都要一起传输给中央处理记录单元记录、处理，另一种就是在放炮过程中只管接收，后来再进行数据的收集。前者受数据传输速度的影响，道数受到了限制，同时也存在数据丢包的问题。后者则因为不能实时传输数据，无法在施工过程中对系统进行监测和接收数据进行质量监控，增加了施工风险。

国内现在使用的地震仪是408UL和428XL与ION公司的采集设备，地震仪的体系结构基本相同，主要由一个中央处理记录系统、多个管理站和数据采集单元组成，大线上传输数字信号，中央处理记录系统与管理站、管理站之间均采用以太网连接。我国现在研制的地震仪主要为第五代地震仪，体系结构也与国外的基本相似。数据通讯是国内研制新一代数据采集系统的一个主要瓶颈，由于野外设备均由电池供电，要求数据采集单元功耗低，但是现有的高速通讯器件的功耗太高，而国外公司均是专门研制的通讯器材，国内是不可能使用的。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种具有多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统与方法，每个记录监控单元与所管理的采集站都组成了一个独立的系统，降低意外事件对整个采集系统的影响，保证系统的可靠性，同时提高系统布设的灵活性，适应复杂地形的勘探。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种具有多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统，其包括至少两个采集子系统；每个采集子系统就是一个现有的微机电数字检波器采集系统，可以单独进行地震数据的采集、记录和显示，同时可以对其所管理的管理站和采集站进行监控和管理；

各个采集子系统依次串联连接；

每个所述采集子系统均包括记录监控单元M201、微机电数字检波器管理站M202和微机电数字检波器M203；

在每个采集子系统内，所述记录监控单元M201管理一组微机电数字检波器管理站M202，每个所述微机电数字检波器管理站M202管理一组微机电数字检波器M203，每个所述微机电数字检波器管理站M202管理的所有微机电数字检波器M203依次连接；

各个微机电数字检波器管理站M202及其所管理的所有微机电数字检波器M203依次连接或者各个微机电数字检波器管理站M202分别与记录监控单元M201连接。

每个所述记录监控单元M201采用的是现有地震仪中的中央记录处理系统，其负责本采集子系统的控制和检测，并且能够接收其它采集子系统的记录监控单元发来的命令或向其它采集子系统的记录监控单元发布命令，能够发送或接收其它采集子系统的数据和状态。

各个采集子系统的记录监控单元M201通过光纤或3G或FSO进行连接。

每个所述采集子系统的所述记录监控单元M201包括通讯控制模块M304、通讯接口、计算机M301、交换设备M302、打印设备M307和记录设备M303；

所述通讯控制模块M304与一组通讯接口进行双向通讯；

所述通讯控制模块M304与计算机M301进行双向通讯；计算机M301与交换设备M302进行双向通讯；所述交换设备M302分别与记录设备M303和打印设备M307进行双向通讯。

所述通讯控制模块M304包括控制模块M40、数据管理控制模块M41和数据通讯接口电路；

其中，所述控制模块M40实现通讯控制模块M304与计算机M301之间的通讯，并对数据管理控制模块M41进行控制；接收本采集子系统中的微机电数字检波器管理站的数据，并管理本采集子系统的微机电数字检波器管理站；

所述数据管理控制模块M41执行控制模块M40的命令，设置数据通道的传输方向；

所述数据通讯接口电路是与外部通讯线路连接的部件，分别与所述通讯接口连接，所述数据通讯接口电路对输入输出的信号进行转换，包括信号类型和电平的转换，即将接收的差分信号转换为单端信号送到数据管理控制模块M41和将单端信号转换为差分信号进行输出。

所述控制模块M40包括主控制器M51和数据转换与驱动模块M52；所述主控制器M51用于设置控制信号；所述数据转换与驱动模块M52实现信号方式的转换和驱动，完成通讯控制模块M304与计算机M301之间的通讯。

所述数据管理控制模块M41和所述数据转换与驱动模块M52的功能都是采用FPGA来实现的；所述数据转换与驱动模块M52的接口采用网口RJ45或USB接口或者其它高速通讯接口。其它高速通讯接口指网口RJ45或USB接口以外的高速通讯接口方式。

所述具有多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统内各个记录监控单元之间的通讯方法，所述方法将所述具有多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统中的一个采集子系统作为主系统，其它所有采集子系统作为从系统，所述主系统既管理其自身的微机电数字检波器管理站和微机电数字检波器，又能够记录、监控所有从系统中希望监控的接收道的数据和状态；与主系统相邻的从系统直接与主系统进行通讯，与主系统不相邻的从系统通过其它从系统与主系统进行通讯，此时其它从系统只提供数据通道；对于一个从系统，如果其与主系统直接相连，则主系统被称为该从系统的上一级，而与之相连的另一个从系统则被称为该从系统的下一级；如果该从系统的两端分别连接一个从系统，则靠近主系统的那个从系统被称为该从系统的上一级，远离主系统的那个从系统被称为该从系统的下一级；

所述方法包括每个采集子系统中的记录监控单元M201中的计算机M301开机后的系统配置步骤、每个采集子系统中的通讯控制模块M304的主控制器M51的工作步骤以及每个采集子系统中的计算机M301与主控制器M51之间的信号通道逻辑关系。

所述每个采集子系统中的记录监控单元M201中的计算机M301开机后的系统配置步骤包括：

(1)开始；

(2)初始化，将本采集子系统配置为从系统工作方式；

(3)判断设置的延迟时间是否到了，如果是，则转入步骤(8)，如果否，则转入步骤(4)；

(4)判断是否收到其它系统命令，如果是，则转入步骤(6)，如果否，则转入步骤(5)；所述其它系统命令是指除了人工设置为主系统的命令以外的所有命令，包括来自本采集子系统的计算机的命令和其它采集子系统的命令；

(5)判断是否是人工设置为主系统的命令，如果是，则判断密码是否正确，如果密码正确，则将本采集子系统设为主系统，然后转入步骤(8)；如果否，则转入步骤(3)；

(6)判断是否为系统设置命令，如果是，则设置本采集子系统为从系统，然后转入步骤(8)；如果否，则转入步骤(7)；

(7)，判断是否为设置结束命令，如果是，则转入步骤(8)；如果否，则执行命令，然后转入步骤(3)；

(8)返回调用该子程序的主程序中。

所述每个采集子系统中的通讯控制模块M304的主控制器M51的工作步骤包括：

(1)开始；

(2)初始化，将本采集子系统设置为可以接收来自于上一级和下一级两个方向的数据；

(3)判断是否收到计算机的命令，如果收到计算机命令，则转入步骤(4)；否则，转入步骤(7)；

(4)判断命令是否为设置主系统命令，如果是，则执行设置主系统程序，然后本采集子系统可以接收所有接口的数据，同时，向其它采集子系统发送设置为从系统的命令，然后转入步骤(3)；否则，转入步骤(5)；

(5)判断命令是否为设置从系统命令，如果是，则执行设置从系统程序，然后本采集子系统可以接收所有接口的数据，然后，转入步骤(3)；否则，转入步骤(6)；

(6)根据命令类型，设置相应标志，执行相应的子程序(这里命令类型主要包括参数设置或修改命令、采集站逻辑号设置或修改命令、采集站作中继命令、系统测试命令等命令；相应标志主要包括参数设置或修改标志、采集站逻辑号设置或修改标志、采集站作中继标志、系统测试标志等标志；相应子程序主要包括设置或修改参数的子程序、设置或修改采集站逻辑号的子程序、采集站作中继的子程序、系统测试的子程序等子程序)；执行结束后，转入步骤(3)；

(7)判断是否收到与其它采集子系统连接的接口的数据，如果没有收到，则转入步骤(3)；如果收到，则设置数据方向标志(方向标志就是向下一级或向上一级)，并向计算机M301发送信息，告诉计算机收到哪一个接口的命令，并设置数据传输方向控制标志(数据方向标志是软件中设置的标志，在运行程序时进行判断，以决定程序如何执行；数据传输方向控制标志是通过软件设置的硬件信号，用于控制数据和数据的传输路径)，然后转入步骤(3)。

所述每个采集子系统中的计算机M301与主控制器M51之间的信号通道逻辑关系包括当采集子系统作为主系统时的计算机M301与主控制器M51之间的信号通道逻辑关系和当采集子系统作为从系统时的计算机M301与主控制器M51之间的信号通道逻辑关系；例如，所述一组通讯接口包括通讯接口1、通讯接口2和通讯接口3；

无论是作为主系统还是从系统，计算机M301与主控制器M51都是通过数据转换与驱动模块M52进行双向通讯的，计算机M301与主控制器M51之间的通讯信号为TXD5和RXD5，TXD5为计算机M301接收主控制器M51的信号，RXD5为计算机M301向主控制器M51发送的信号；

所述当采集子系统作为主系统时的计算机M301与主控制器M51之间的信号通道逻辑关系具体如下：

TXD4＝MC*RXD0+/MC*(CON0*CON5*RXD 1+/CON0*CON6*RXD2)      (1)

TXD1＝SC1*RXD4                                           (2)

TXD2＝SC2*RXD4                                           (3)

当采集子系统作为从系统时的计算机M301与主控制器M51之间的信号通道逻辑关系具体如下：

TXD4＝MC*RXD0+/MC*(CON0*CON5*RXD1+/CON0*CON6*RXD2)       (4)

TXD1＝CON1*RXD4+/CON1*RXD2                    (5)

TXD2＝CON2*RXD0+CON3*RXD4+CON4*RXD1           (6)

其中，

RXD0为接收本采集子系统的数据，例如来自通讯接口3的数据；

RXD1为来自于下一级的数据，例如来自通讯接口1的数据；

RXD2为来自于上一级的数据，例如来自通讯接口2的数据；

TXD1为向下一级发送的数据，例如向通讯接口1发送的数据；

TXD2为向上一级发送的数据，例如向通讯接口2发送的数据；

RXD4为计算机M301向通讯控制模块M304(在图5中对应数据管理控制模块M41”)发送的数据信号；

TXD4为计算机M301接收通讯控制模块M304的数据信号；

MC为主接收控制信号；

CON0为数据传输控制信号，当作为主系统时，其控制计算机接收哪一个方向的从系统的数据；当作为从系统时，其控制计算机接收上一级或者下一级的数；由计算机M301通过数据转换与驱动模块M52的RXD5给主控制器M51发送命令，决定是接收本采集子系统的数据还是接收其它采集子系统的数据，主控制器M51对CON0进行设置，控制数据管理控制模块M41；

CON5、CON6为数据传输控制信号，分别控制接收来自其它采集子系统的通讯接口的数据；例如，CON5、CON6分别为控制接收通讯接口1、通讯接口2的数据，CON0的作用就是防止同时接收通讯接口1和通讯接口2的数据；

SC1为向上一级发送数据的控制信号；

SC2为向下一级发送数据的控制信号；

CON1、CON2、CON3、CON4为数据传输控制信号，用来控制数据传输方向，决定向哪一个方向发送数据；

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用多个记录监控单元组成分布式记录监控单元的地震采集系统。每个记录监控单元与所管理的采集站都组成了一个独立的系统，降低了意外事件对整个采集系统的影响，保证了系统的可靠性，同时提高了系统布设的灵活性，适应复杂地形的勘探。

(2)本发明的主系统与从系统只进行状态信息的交换和少量的数据传输，降低了整个系统对数据传输的要求，可以根据需求，扩大采集道数。每个从系统都可以向主系统传输数据，使得主系统可以实时监控重点地震道的状态和查看相应的采集数据。

(3)本发明的系统解决了河流、森林、悬崖等复杂地形下数据的传输问题和同步问题，突破了传统采集系统地震道数的限制，减少了施工强度，提高了工作效率。

(4)本发明的记录监控单元之间的通讯速率达到了100Mbps。

附图说明

图1是本发明多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统的组成结构示意图。

图2是本发明多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统的采集子系统的组成结构示意图。

图3是图2中的记录监控单元的组成结构示意图。

图4是图3中的通讯控制模块的组成结构示意图。

图5是图4的通讯控制模块的电路框图。

图6是本发明方法中的计算机的工作步骤框图。

图7是本发明方法中的通讯控制模块的主控制器的工作步骤框图。

图8是本发明方法的实施例中具有4个采集子系统的微机电数字检波器采集系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

通过比较各种地震仪的结构特点，本发明采用一种全新的体系结构，研制了多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统与方法，即采用一个主系统与多个从系统的结构，这样就可以避免一个中央处理记录系统与几万个采集单元的通讯问题，缩短了数据传输和记录时间，提高了工作效率。

本发明为多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统中的多个记录监控单元之间的通讯电路设计和通讯方法。

多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统是微机电数字检波器采集系统的扩展，其中的每个采集子系统的功能都相当于现有的一个地震采集系统，通过FPGA实现数据接口和设置数据传输标志，实现数据按照程序的设置进行传输，实现多个记录监控单元同时记录数据，既能在主系统记录其所管理的子系统的数据，管理本采集子系统的管理站和检波器，又能记录、监控其它采集子系统中希望监控的接收道的数据和状态。

记录监控单元M201、微机电数字检波器管理站M202和微机电数字检波器M203；

多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统的结构示意图如图1所示。该系统包括若干个采集子系统(图1中的M100到M10n)，每个采集子系统(M10x)，每个采集子系统都具有现有地震采集系统的所有功能，可以单独进行地震数据的采集、记录和显示，同时可以对其所管理的管理站(为描述简便，本文中的“微机电数字检波器管理站”下面一律简称为“管理站”)和采集站(为描述简便，本文中的“微机电数字检波器”下面一律简称为“采集站”)进行监控和管理。采集子系统间可以通过光纤、3G、FSO等进行连接。各个采集子系统是依次串联连接的(本发明中所有涉及采集子系统之间的连接关系，都是指“采集子系统的记录监控单元”之间的连接关系)，各个采集子系统都能够作为主系统，但是，一个多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统中只能有一个作为主系统。当一个采集子系统作为主系统时，其它采集子系统就作为从系统，所有从系统都可以与该主系统进行通讯，由于是串联的，与主系统不相邻的从系统就需要通过其它从系统才能与该主系统进行通讯，但是，其它从系统只提供数据通道。主系统中的记录监控单元被称为主记录单元，从系统中的记录监控单元被称为辅记录监控单元。

每个采集子系统的结构均如图2所示，每一个采集子系统均包括记录监控单元M201和若干个数字检波器管理站M202和数字检波器203，其中，记录监控单元相当于现有地震仪中的中央记录处理系统，可以接多个微机电数字检波器管理站，每个微机电数字检波器管理站可以管理多个微机电数字检波器。其中，每个微机电数字检波器管理站管理的微机电数字检波器都是串联连接的，而微机电数字检波器管理站之间的连接可以是串行的，也可以是并行的，图2中只给出了串行连接方式。

对于每个采集子系统内的通讯和管理方法，详见公开号为CN101984365A的专利“一种微机电数字地震检波器通讯系统和方法”。

每一个采集子系统中的记录监控单元M201的结构如图3所示，记录监控单元主要包括计算机M301、打印设备M307、存储设备、交换设备M302、通讯控制模块M304及通讯接口，具有数据存储、处理、显示、人机对话和数据管理功能，负责本采集子系统的控制和检测，接收或向其它采集子系统的记录监控单元发布命令，发送或接收数据和状态。记录监控单元中，通讯控制模块M304与多个通讯接口(本实施例中是M305、M306和M308)进行双向通讯，通讯控制模块M304与计算机M301进行双向通讯，计算机M301与交换设备M302进行双向通讯，交换设备M302分别与记录设备M303和打印设备M307进行双向通讯。

其中，通讯控制模块M304的功能框图如图4所示，主要包括以下几个部分：控制模块M40、数据管理控制模块M41、数据通讯接口电路M42、M43、M44。

其中，控制模块M40的主要功能是实现通讯控制模块M304与计算机M301之间的通讯，并对数据管理控制模块M41进行控制；接收本采集子系统中管理站的数据，并管理本采集子系统的管理站。

数据管理控制模块M41的主要功能是执行控制模块M40的命令，设置数据通道的传输方向。

数据通讯接口电路M42、M43和M44是与外部通讯线路连接的部件，主要功能是将接收的差分信号转换为单端信号送到数据管理控制模块M41和将单端信号转换为差分信号进行输出。无论一个系统的采集子系统的个数是多少，每个采集子系统都是有3个通讯接口，也可以多于3个，也就是说每个采集子系统的通讯接口的个数与整个系统中采集子系统的个数之间没有关系。

图4的通讯控制模块的实现电路如图5所示，主要包括主控制器M51、数据通讯接口电路M42、M43和M44、数据管理控制模块M41、数据转换与驱动模块M52，实现数据通路的控制。图5中主控制器M51与数据转换与驱动模块M52合起来的功能对应图4中控制模块M40的功能。数据管理控制模块M41是控制模块M40的具体实现部分，通过FPGA编程实现。数据转换与驱动模块M52实现信号方式的转换和驱动，由FPGA和相应的驱动电路实现，完成通讯控制模块M304与计算机M301之间的通讯，可以是网口RJ45，也可以是USB接口，或者其它高速通讯接口。数据通讯接口电路M42、M43和M44对输入输出的信号进行转换，包括信号类型和电平的转换。

正常开机后，所有采集子系统的计算机首先与通讯控制模块M304进行通讯，进行初始化，所有采集子系统的记录监控单元都将本采集子系统配置为从系统，接着等待来自于人机界面的人工输入命令的设置或接收来自于其他采集子系统的命令或数据，通讯控制模块M304接收两个方向的数据。当收到命令后，调取系统配置子程序，每个采集子系统的记录监控单元的计算机内开机后的系统配置子程序的工作步骤框图如图6所示。上电初始化均设为从系统方式，这是因为在一个多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统中，只允许设置一个主系统，而且设置时需要输入密码，防止设置两个主系统，引起系统混乱。

在预设时间内，若收到设置为从系统的命令，判断是否为从系统设置命令，若是，则将本采集子系统设置为从系统(初始化时已经设置为从系统工作方式，此处再设置一次，是因为这里描述的是计算机内设置系统的一个子程序，再次设置主要是为防止在“主系统”和“从系统”之间切换时出现混乱)，通讯控制模块M304设置数据传输方向，并根据主系统的命令设置是否需要将本从系统的数据上传，还是将上传通道直接连通。所述上传通道是指远离主系统的从系统向主系统进行数据传输的通道，也就是说与主系统不相邻的从系统要通过其它从系统的上传通道上传数据。如果没有收到其它系统命令，则判断本机是否进行人工设置。若是进行人工设置，则判断输入密码是否正确，如果输入密码正确，则将本采集子系统设置为主系统，并设置数据通路，返回上一级程序，否则，跳转到重新判断设置延迟时间是否到达的步骤。这里描述的流程只是计算机内设置系统的一个子程序，只有在启动主程序或收到系统设置命令时才调用这个流程。上一级程序指计算机内进行数据采集的主程序。

通讯控制模块M304的主控制器M51的工作步骤如图7所示，主控制器M51上电后，首先进行初始化，等待计算机的命令，检测接口1和2是否有数据进来。如果检测到数据，判明哪一个接口的，收到数据后设置数据方向标志，向计算机发送相应信息(指本采集子系统为从系统或主系统及其数据方向的信息，数据方向标志是相应信息中的一部分)，并根据计算机的指示，对本采集子系统进行相应的设置。

如果收到计算机命令，则根据收到的命令将本通讯控制模块M304所属的采集子系统设置为主系统或者从系统，或者根据命令设置数据通道(图7中的相应标志是指本采集子系统是主系统或从系统的标志信息以及方向信息)。

在设置完成后，当某个采集子系统被设为从系统时，首先应该检测主系统是否接收监控本从系统的数据，如果是，则根据从系统方向，将CON1或CON2设置为1，否则设为0。

另外，在数据通路控制模块M52中，每个接收输出通道均根据通道的功能设置一定数量的先进先出存储器，用于数据的缓存，并由计算机通过主控制器进行控制。

本发明的通讯控制模块的逻辑功能均集中于FPGA中。

利用本发明所述方法，研制出了四个记录监控单元的数据采集系统，并进行了野外试验，取得了野外实际数据。通过一个主系统和多个从系统组成的采集系统解决了大量采集道数据传输和存储的问题。本发明方法同样适用于包括多于4个记录监控单元的数据采集系统。

图8所示的是含有四个采集子系统的微机电数字检波器采集系统，以采集子系统3作为主系统、采集子系统1、2、4都作为从系统为例，来详细说明本发明的通讯方法。下面描述中，采集子系统3是主系统，采集子系统1、2、4分别被称为从系统1、从系统2和从系统4。

无论是作为主系统还是从系统，计算机与主控制器都是通过数据转换与驱动模块进行双向直接通讯的(数据转换与驱动模块M52，只是对信号的输入输出进行电气转换，而对信号内容没有任何改变，如计算机内CPU与一般电路接口信号是TTL电平，而计算机与外界通讯则根据需要转换为RS232、USB等信号的电平形式或者无线信号等)，通讯信号为TXD5、RXD5，如图5所示。

当采集子系统3作为主系统时，信号流程为：

TXD4＝MC*RXD0+/MC*(CON0*CON5*RXD1+/CON0*CON6*RXD2)        (101)

TXD1＝SC1*RXD4                                            (102)

TXD2＝SC2*RXD4                                            (103)

其中，

RXD0为接收本采集子系统的数据(接口3)；

RXD1和RXD2分别为接收接口1(从系统1方向)和接口2(从系统4方向)接收的数据。

TXD1和TXD2分别为向从系统1方向和从系统4方向发送的数据；

RXD4为计算机向通讯控制模块发送的数据信号；

TXD4为计算机接收通讯控制模块的数据信号；

MC为主接收控制信号；

CON0为接收从系统数据控制信号，由主控制器根据计算机命令进行设置；

CON5、CON6分别为控制接收接口1、2的数据，CON0的作用就是防止同时接收接口1、2的数据；

MC＝1时，计算机接收本采集子系统采集站采集的数据；MC＝0时，CON0＝1，接收1号从系统方向的数据(究竟接收1号从系统还是2号从系统的数据，根据计算机最初的设置而定)，CON0＝0，接收4号从系统方向的数据；

SC1为向从系统1方向发送数据的控制信号；SC1＝1，发送数据；SC1＝0，禁止发送；

SC2为向从系统4方向发送数据的控制信号；SC2＝1，发送数据；SC2＝0，禁止发送(SC1和SC2的功能一样，但是分别控制两个不同方向)；

计算机向本采集子系统管理站或采集站发送命令，则通过主控制器进行；

对于从系统1，信号通道逻辑关系如下：

TXD4＝MC*RXD0+/MC*/CON1*RXD2                  (104)

TXD2＝CON2*RXD0+CON3*RXD4                     (105)

其中，

MC为主接收控制信号；

CON1、CON2、CON3为数据传输控制信号，控制数据传输方向，此时决定向哪一个方向发送数据；

RXD0为接收本采集子系统管理站的数据；

RXD2为接口2接收的数据，来自于主系统或从系统2。

TXD2为向接口2发送的数据，发送到主系统或从系统2；

RXD4为计算机向通讯控制模块发送的数据信号；

TXD4为计算机接收通讯控制模块的数据信号；

在从系统1中，计算机接收本采集子系统数据或者上一级(来自于主系统方向)的命令；向上一级从系统(从系统2)或主系统发送命令RXD4或采集数据RXD0。

对于从系统4，控制关系与从系统1类似，不同之处在于接口1与接口2对调(逻辑关系)，只接收来自于主系统的命令和向主系统发送命令或采集的数据。

对于从系统2，信号通道逻辑关系如下：

TXD4＝MC*RXD0+/MC*(CON0*CON5*RXD1+/CON0*CON6*RXD2)        (106)

TXD1＝CON1*RXD4+/CON1*RXD2                                (107)

TXD2＝CON2*RXD0+CON3*RXD4+CON4*RXD1                       (108)

其中，

MC为主接收控制信号；

CON1、CON2、CON3、CON4为数据传输控制信号，控制数据传输方向，此时决定向哪一个方向发送数据；

CON0为接收从系统1或主系统的数据控制信号(即本采集子系统的控制信号)，由主控制器根据计算机命令进行设置；

CON5、CON6分别为控制接收接口1、2的数据，CON0的作用就是防止同时接收接口1、2的数据；

RXD0为接收本采集子系统管理站的数据；

RXD1为接口1接收的数据，来自于从系统1；

TXD1为向接口1发送的数据，发送到从系统1；

RXD2为接口2接收的数据，来自于主系统；

TXD2为向接口2发送的数据，发送到主系统；

RXD4为计算机向通讯控制模块发送的数据信号；

TXD4为计算机接收通讯控制模块的数据信号；

所述控制信号MC、CON0、CON1、CON2、CON3、CON4、CON5、CON6均由通讯控制模块的主控制器M51根据需要进行相应的设置；

主控制器M51上的TXD0为本采集子系统中的记录监控单元M201向其管理的微机电数字检波器管理站发送的信号。

在采集子系统中，计算机M301可以接收来自于本采集子系统采集的数据RXD0、或者来自于上一级(也就是主系统采集子系统3)的命令RXD2、或者来自于下一级(从系统1)的命令RXD1；向上一级(采集子系统3)发送本采集子系统的命令RXD4、或者本采集子系统采集的数据RXD0、或者来自于下一级(从系统1)的命令或采集数据RXD1；向下一级(从系统1)发送本采集子系统的命令RXD4、或者来自于上一级(主系统)的命令RXD2。

在微机电数字检波器采集系统的研究中，主要研究的内容包括数据通讯系统、数据采集单元、MEMS传感器、MEMS供电及其管理。对通讯系统的要求是数据传输高速率、低功耗、低成本。国外大公司一般都是投入大量人力和财力，研制专门的通讯器材，而研制成功后，对其资料严格保密，外人无法知晓。本发明采用高集成度、低功耗的FPGA，通过设计，对其编程，实现了功能，满足了通讯系统的需要。

有关微机电地震数据采集系统的研制主要包括微机电数字检波器的研制、微机电数字检波器通讯系统的研制、微机电数字检波器采集系统记录监控单元的研制和同步系统与方法的研制四个方面。关于微机电数字检波器的研制，请参见公开号为CN 101561509A的发明专利“一种三分量数字地震检波器及其采集方法”；关于微机电数字检波器通讯系统的研制，请参见公开号为CN101984365A的发明专利“一种微机电数字地震检波器通讯系统和方法”。

在微机电数字检波器采集系统的基础上，本发明针对中央记录处理单元进行了改进，突破了传统地震采集系统的框架，通过记录监控单元中通讯电路的设计和处理方法，达到多个记录监控单元同时记录、监控，主记录监控单元可以与任意辅记录监控单元交换信息和数据，通过事先设定，监控任意连续接收道的数据、状态等信息。

本发明建立了一种全新的地震采集系统，采用多记录监控单元，根据工区情况，每个记录监控单元连接一定数量的采集站，达到既能实时监控，又能突破数据传输的瓶颈，实现地震道数的突破。通过将一个记录监控单元设置为主记录监控单元，其余的设为辅记录监控单元。每个记录监控单元管理一定数量的采集站，检测采集站的状态和存储采集站的数据。根据设置，主记录监控单元对所有辅记录监控单元进行控制，接收辅记录监控单元的数据和状态信息。辅记录监控单元接收、执行主记录监控单元的命令，将本辅记录监控单元的数据和信息上传。每个辅记录监控单元与其所管理的采集站，都是一个完整的采集系统，可以独立工作。

本发明与传统技术的不同之处在于：

1，多个记录监控单元，即多个中央记录处理单元；

2，每个记录监控单元可以独立工作，又可以组合工作；

3，每个记录监控单元，既可以作为主记录监控单元，又可以作为辅记录监控单元；

4，记录监控单元中的通讯控制模块；

5，数据传输方向的自动识别，系统上电时，连接其它采集子系统的接口都设置为接收状态。当本采集子系统设为从系统时，不向其它采集子系统发送数据，只接收数据。当某一个口接收到其它采集子系统的数据时，经过判断如果是设置从系统命令，就将相应口的标志设置为上行方向(即主系统方向)，则另一个口设置为下行方向(即主系统反方向)；

6，记录监控单元的通讯方法；

7，记录监控单元数据存储方法，可以连续采集；主记录监控单元向其它从系统发布记录数据命令，并且给出一个时标。每个从系统将根据主记录监控单元的命令，启动采集，按照一定长度记录本从系统的采集数据。主记录监控单元则按照约定的格式记录本主系统和需要监控的某些采集站的数据。

8，记录监控单元间的通讯方法：光纤、FSO、双绞线；

9，FSO(Free Space Optical)，即自由空间光通信，是通过空间传输调制红外光的光通信技术，它基于光传输方式，采用红外激光承载高速信号、以大气空间为介质，用点对点、点对多点或多点对单点方式实现连接，是一种既有无线通信特征又有光通信高速传输优势的传输技术。使用FSO通讯，具有频带宽、架设方便、不需要申请频点、互不干扰的特点，适用于两点能够看到而不能直达或者不方便的两点之间的连接；光纤适用于两点较远又不能看到的两点之间的连接。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种具有多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统，其特征在于：所述具有多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统包括至少两个采集子系统；各个采集子系统依次串联连接；

每个所述采集子系统均包括记录监控单元(M201)、微机电数字检波器管理站(M202)和微机电数字检波器(M203)；

在每个采集子系统内，所述记录监控单元(M201)管理一组微机电数字检波器管理站(M202)，每个所述微机电数字检波器管理站(M202)管理一组微机电数字检波器(M203)，每个所述微机电数字检波器管理站(M202)管理的所有微机电数字检波器(M203)依次连接；

各个微机电数字检波器管理站(M202)及其所管理的所有微机电数字检波器(M203)依次连接或者各个微机电数字检波器管理站(M202)分别与记录监控单元(M201)连接。

2.根据权利要求1所述的具有多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统，其特征在于：各个采集子系统的记录监控单元(M201)通过光纤或3G或FSO进行连接。

3.根据权利要求1所述的具有多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统，其特征在于：每个所述采集子系统的所述记录监控单元(M201)包括通讯控制模块(M304)、通讯接口、计算机(M301)、交换设备(M302)、打印设备(M307)和记录设备(M303)；

所述通讯控制模块(M304)与一组通讯接口进行双向通讯；

所述通讯控制模块(M304)与计算机(M301)进行双向通讯；计算机(M301)与交换设备(M302)进行双向通讯；所述交换设备(M302)分别与记录设备(M303)和打印设备(M307)进行双向通讯。

4.根据权利要求3所述的具有多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统，其特征在于：所述通讯控制模块(M304)包括控制模块(M40)、数据管理控制模块(M41)和数据通讯接口电路；

其中，所述控制模块(M40)实现通讯控制模块(M304)与计算机(M301)之间的通讯，并对数据管理控制模块(M41)进行控制；接收本采集子系统中的微机电数字检波器管理站的数据，并管理本采集子系统的微机电数字检波器管理站；

所述数据管理控制模块(M41)执行控制模块(M40)的命令，设置数据通道的传输方向；

所述数据通讯接口电路是与外部通讯线路连接的部件，分别与所述通讯接口连接，所述数据通讯接口电路对输入输出的信号进行转换，包括信号类型和电平的转换。

5.根据权利要求4所述的具有多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统，其特征在于：所述控制模块(M40)包括主控制器(M51)和数据转换与驱动模块(M52)；所述主控制器(M51)用于设置控制信号；所述数据转换与驱动模块(M52)实现信号方式的转换和驱动，完成通讯控制模块(M304)与计算机(M301)之间的通讯。

6.根据权利要求5所述的具有多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统，其特征在于：所述数据管理控制模块(M41)和所述数据转换与驱动模块(M52)的功能都是采用FPGA来实现的。

7.权利要求6所述的具有多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统内各个记录监控单元之间的通讯方法，其特征在于：所述方法将所述具有多记录监控单元的微机电数字检波器采集系统中的一个采集子系统作为主系统，其它所有采集子系统作为从系统，所述主系统既管理其自身的微机电数字检波器管理站和微机电数字检波器，又能够记录、监控所述有从系统中希望监控的接收道的数据和状态；与主系统相邻的从系统直接与主系统进行通讯，与主系统不相邻的从系统通过其它从系统与主系统进行通讯，此时其它从系统只提供数据通道；对于一个从系统，如果其与主系统直接相连，则主系统被称为该从系统的上一级，而与之相连的另一个从系统则被称为该从系统的下一级；如果该从系统的两端分别连接一个从系统，则靠近主系统的那个从系统被称为该从系统的上一级，远离主系统的那个从系统被称为该从系统的下一级；

所述方法包括每个采集子系统中的记录监控单元M201中的计算机M301开机后的系统配置子程序、每个采集子系统中的通讯控制模块M304的主控制器M51的工作步骤以及每个采集子系统中的计算机M301与主控制器M51之间的信号通道逻辑关系。

8.根据权利要求7所述的通讯方法，其特征在于：所述每个采集子系统中的记录监控单元(M201)中的计算机(M301)开机后的系统配置子程序包括：

(1)开始；

(2)初始化，将本采集子系统配置为从系统工作方式；

(3)判断设置的延迟时间是否到了，如果是，则转入步骤(8)，如果否，则转入步骤(4)；

(4)判断是否收到其它系统命令，如果是，则转入步骤(6)，如果否，则转入步骤(5)；所述其它系统命令是指除了人工设置为主系统的命令以外的所有命令；

(5)判断是否是人工设置为主系统的命令，如果是，则判断密码是否正确，如果密码正确，则将本采集子系统设为主系统，然后转入步骤(8)；如果否，则转入步骤(3)；

(6)判断是否为系统设置命令，如果是，则设置本采集子系统为从系统，然后转入步骤(8)；如果否，则转入步骤(7)；

(7)，判断是否为设置结束命令，如果是，则转入步骤(8)；如果否，则执行命令，然后转入步骤(3)；

(8)返回调用该子程序的主程序中。

9.根据权利要求8所述的通讯方法，其特征在于：所述每个采集子系统中的通讯控制模块(M304)的主控制器(M51)的工作步骤包括：

(1)开始；

(2)初始化，将本采集子系统设置为可以接收来自于上一级和下一级两个方向的采集子系统的数据；

(3)判断是否收到计算机的命令，如果收到计算机命令，则转入步骤(4)；否则，转入步骤(7)；

(4)判断命令是否为设置主系统命令，如果是，则执行设置主系统程序，然后本采集子系统可以接收所有接口的数据，同时，向其它采集子系统发送设置为从系统的命令，然后转入步骤(3)；否则，转入步骤(5)；

(5)判断命令是否为设置从系统命令，如果是，则执行设置从系统程序，然后本采集子系统可以接收所有接口的数据，然后，转入步骤(3)；否则，转入步骤(6)；

(6)根据命令类型，设置相应标志，执行相应的子程序；执行结束后，转入步骤(3)；

(7)判断是否收到与其它采集子系统连接的接口的数据；如果没有收到，则转入步骤(3)；如果收到，则设置数据方向标志，并向计算机(M301)发送信息，告诉计算机收到哪一个接口的命令，并设置数据传输方向控制标志，然后转入步骤(3)。

10.根据权利要求7所述的通讯方法，其特征在于：所述每个采集子系统中的计算机(M301)与主控制器(M51)之间的信号通道逻辑关系包括当采集子系统作为主系统时的计算机(M301)与主控制器M51之间的信号通道逻辑关系和当采集子系统作为从系统时的计算机(M301)与主控制器M51之间的信号通道逻辑关系；

计算机(M301)与主控制器(M51)之间的通讯信号为TXD5和RXD5，TXD5为计算机(M301)接收主控制器(M51)的信号，RXD5为计算机(M301)向主控制器(M51)发送的信号；

所述当采集子系统作为主系统时的计算机(M301)与主控制器M51之间的信号通道逻辑关系具体如下：

TXD4＝MC*RXD0+/MC*(CON0*CON5*RXD1+/CON0*CON6*RXD2)       (1)

TXD1＝SC1*RXD4                                           (2)

TXD2＝SC2*RXD4                                           (3)

当采集子系统作为从系统时的计算机(M301)与主控制器(M51)之间的信号通道逻辑关系具体如下：

TXD4＝MC*RXD0+/MC*(CON0*CON5*RXD1+/CON0*CON6*RXD2)       (4)

TXD1＝CON1*RXD4+/CON1*RXD2                               (5)

TXD2＝CON2*RXD0+CON3*RXD4+CON4*RXD1                      (6)

其中，

RXD0为接收本采集子系统的数据；

MC为主接收控制信号；

CON0为数据传输控制信号，当作为主系统时，其控制计算机接收哪一个方向的从系统的数据；当作为从系统时，其控制计算机接收上一级或者下一级的数；

CON5、CON6为数据传输控制信号，分别控制接收来自其它采集子系统的通讯接口的数据；

SC1为向上一级发送数据的控制信号；

SC2为向下一级发送数据的控制信号；

CON1、CON2、CON3、CON4为数据传输控制信号，用来控制数据传输方向；

RXD1为来自于下一级的数据；

TXD1为向下一级发送的数据；

RXD2为接收上一级的数据；

TXD2为向上一级发送的数据；

RXD4为计算机(M301)向通讯控制模块(M304)发送的数据信号；

TXD4为计算机(M301)接收通讯控制模块(M304)的数据信号。

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