CN103513276B - 一种用于微机电地震采集系统的同步系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微机电地震采集系统的同步方法与系统，属于地球物理勘探中的地震数据采集领域。所述同步系统包括安装在微机电数字检波器上的同步电路、安装在中央记录监控单元上的GPS和定时计数器以及安装在微机电数字检波器管理站上的GPS和定时计数器；所述方法利用安装在中央记录监控单元和微机电数字检波器管理站中的GPS的定时输出脉冲的特性，分别对中央记录监控单元和微机电数字检波器管理站上的定时计数器进行校准和复位。本发明实现了采集系统的同步，系统同步时间小于50us，解决了微机电地震采集系统的同步问题，同时将采集系统中不同数字检波器之间的采集时间控制在100us以内。

Description

一种用于微机电地震采集系统的同步系统与方法

技术领域

本发明属于地球物理勘探中的地震数据采集领域，具体涉及一种用于微机电地震采集系统的同步系统与方法。

背景技术

自从反射波法地震勘探在石油勘探应用以来，地震勘探是地球物理勘探中发展最快的一项技术，是寻找石油、煤炭和工程建设地下勘探最常用、最有效的勘探方法。地震勘探仪器是地球物理勘探装备中最为精密和关键的设备，其发展是地球物理勘探技术进步的重要组成部分。地震勘探仪器的发展水平、性能指标直接关系着物探技术的发展，其发展是以地震勘探的发展与需求为前提条件和动力源泉；反过来又直接制约和促进着地震勘探的发展。

从上世纪末人们开始研究MEMS数字检波器及采集系统以来，国际上只有法国CGG公司和美国I/O公司生产基于MEMS加速度传感器的商业化的数字检波器及其采集系统。MEMS是微机电系统(MicroElectroMechanicalSystem)的英文缩写，MEMS传感器可以看成在是硅片上做的可变电容器，它能用类似于半导体制造工艺进行相对低成本的大规模生产。MEMS检波器由MEMS加速度传感器和兼有模拟电路(电容/电压转换)和数字电路的混合器件ASIC(applicationspecificintegratedchip)及其他电路组成。与单个动圈式电磁检波器相比，MEMS检波器具有体积小、重量轻、接收频带宽、灵敏度高、分辨率高等优点。三分量地震检波器是指能检测X、Y、Z三个方向振动的检波器，主要有一个纵波和两个横波。由于新型MEMS三分量地震检波器能获得高质量的横波数据，经过计算机处理能对地下构造的岩性等特征有更清晰的描述。MEMS数字检波器的这些特点对提高油藏回采率，降低勘探风险和开发风险有着重要意义，它尤其适用于复杂油气资源的勘探。

国外地震勘探仪器公司开发了基于MEMS加速度传感器的数字检波器及其采集系统，其通讯电路、通讯协议等均为其专有技术，不向外公开。另外，地震勘探采集系统的同步技术是一项关键技术，如何实现数字检波器之间的同步、电源站和电源站之间的同步，同步时间是地震勘探采集系统的一个重要指标，其直接决定着勘探采集系统的优劣。

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，提供一种用于微机电地震采集系统的同步系统和方法，解决微机电地震采集系统中的中央记录监控单元、微机电数字检波器管理站和微机电数字检波器之间采集数据的同步问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于微机电地震采集系统的同步系统，所述微机电地震采集系统包括一个中央记录监控单元、至少一个微机电数字检波器管理站和微机电数字检波器，所述中央记录监控单元管理所有微机电数字检波器管理站，每个微机电数字检波器管理站管理至少一个微机电数字检波器；

所述同步系统包括安装在微机电数字检波器上的同步电路、安装在中央记录监控单元上的GPS和定时计数器以及安装在微机电数字检波器管理站上的GPS和定时计数器；

所述GPS一秒钟输出的一个秒脉冲信号PPS，用秒脉冲信号PPS的上升沿来指示UTC的整秒时刻，使用接收到的GPS输出的秒脉冲信号PPS对中央记录监控单元和微机电数字检波器管理站的定时计数器进行复位。

所述同步电路包括微机电数字检波器主控制器M00、同步检测模块M22、计时控制模块M23、命令接收比较模块M24和AD转换模块M25；

所述微机电数字检波器主控制器M00用于对AD转换模块M25、计时控制模块M23和命令接收比较模块M24进行控制；所述同步检测模块M22分别与AD转换模块M25和计时控制模块M23进行双向通讯；

所述同步检测模块M22用于检测来自微机电数字检波器管理站的启动AD采集命令，当检测到启动AD采集命令时，启动AD转换模块M25工作；如果在规定时间内没有收到启动AD采集命令，计时控制模块M23向微机电数字检波器主控制器M00发送没有收到启动AD采集命令的信息，微机电数字检波器主控制器M00启动命令接收比较模块M24工作，转为正常接收命令状态；

所述计时控制模块M23用于为同步检测模块M22和命令接收比较模块M24计时，为它们提供复位信号；

所述命令接收比较模块M24用于接收来自于微机电数字检波器管理站的命令，并进行命令识别，这样可以减少微机电数字检波器主控制器M00的计算工作量，加快响应速度；

所述AD转换模块M25用于将模拟信号转换成数字信号。

所述同步检测模块M22、计时控制模块M23、命令接收比较模块M24、AD转换模块M25均是采用FPGA制成的。

一种利用所述同步系统实现微机电地震采集系统内同步的方法，所述方法利用安装在中央记录监控单元和微机电数字检波器管理站中的GPS的定时输出脉冲的特性，分别对中央记录监控单元和微机电数字检波器管理站上的定时计数器进行校准和复位。

所述方法包括中央记录监控单元上实现同步的子程序、微机电数字检波器管理站上实现同步的子程序和微机电数字检波器上实现同步的步骤。

其中，所述中央记录监控单元上实现同步的子程序包括以下步骤：

(A1)开始；

(A2)初始化：根据从人机界面输入的采集信息，设置初始状态；

(A3)向微机电数字检波器管理站发送准备采集命令，微机电数字检波器管理站接到该命令后，对其所管理的微机电数字检波器进行检测，回送状态信息；

(A4)读取微机电数字检波器管理站回送的状态信息，如果回送的状态信息是设备已准备好，则转入步骤(A6)；如果回送的状态信息是设备没有准备好，则转入步骤(A5)；

(A5)判断设定的时间是否到了，如果到了，则转入步骤(A6)；如果没到，则转入步骤(A4)；

(A6)向微机电数字检波器管理站发送采集命令，然后转入步骤(A7)；

(A7)判断延迟时间是否到了，如果到了，则将发送采集命令时的时刻作为TB到达时刻，然后转入步骤(A10)；如果没到，则转入步骤(A8)；

(A8)判断是否收到爆炸机发来的TB信号，所述TB信号是指炸药爆炸成功时的信号，其来自于爆炸机的编码器，如果收到了，则转入步骤(A9)；如果没收到，则转入步骤(A7)；

(A9)将收到TB信号时中央记录监控单元中的定时计数器的计数值和GPS的时间作为TB到达时刻，所述GPS的时间包括日期、时、分、秒，并记录该TB到达时刻，然后转入步骤(A10)；

(A10)将包含有TB到达时刻的命令发送给微机电数字检波器管理站，然后收集微机电数字检波器管理站传来的采集数据，然后转入步骤(A11)；

(A11)判断数据上传是否结束，如果结束，则返回到调用该子程序前的程序中；如果没结束，则转入步骤(A11)。

所述微机电数字检波器管理站上实现同步的于程序包括以下步骤：

(B1)微机电数字检波器管理站上电；

(B2)对微机电数字检波器管理站进行初始化，设置初始状态；所述初始状态包括微机电数字检波器管理站对其所管理的所有微机电数字检波器进行信号通道的检测、读取桩号、存储通道工作状态信息、并将以上信息上传到中央记录监控单元；

(B3)微机电数字检波器管理站根据步骤(B2)得到的通道工作状态信息检测其所管理的微机电数字检波器的通道是否正常，并将通道工作是否正常的状态信息上传到中央记录监控单元，然后等待中央记录监控单元发来的准备采集命令；(每次准备采集前，都要将通道工作状态信息上传到中央记录监控单元。需要说明的是，这里传输的信息没有(B2)中上传信息多，主要传输通道工作状态的信息)；

(B4)判断是否收到中央记录监控单元发来的准备采集命令，如果是，则检测微机电数字检波器的信号通道，然后转入步骤(B5)，如果否，则转入步骤(B9)；

(B5)判断微机电数字检波器是否正常，如果正常，则向中央记录监控单元回送通道正常信息，然后向微机电数字检波器发送准备采集命令，延迟一段时间后，向微机电数字检波器发送启动AD采集命令，然后向微机电数字检波器发送收集数据命令，收集微机电数字检波器采集的数据，并暂存在微机电数字检波器管理站的存储器中，然后转入步骤(B6)；如果不正常，则回送通道错误信息，然后转入步骤(B3)；

(B6)判断是否收到中央记录监控单元发来的采集命令，如果是，则对收到的采集命令进行分析，读取所述TB到达时刻(即正式开始采集数据的时刻)，并以此为标志对收集到的微机电数字检波器的数据进行打包上传，然后转入步骤(B7)，如果否，则转入步骤(B8)；

(B7)判断本次采集的数据是否上传结束，如果是，则转入步骤(B3)，如果否，则返回步骤(B7)；

(B8)判断设定的时间是否到了，如果到了，则转入步骤(B3)，如果没到，则转入步骤(B6)；

(B9)判断是否收到其它命令，如果是，则执行与命令对应的子程序(如设置参数命令、读取参数命令、读取通道信息、检波器设置等)，然后转入步骤(B4)；如果否，则判断设定的时间是否到了，如果到了，则转入步骤(B3)；如果没到，则返回步骤(B4)；

所述微机电数字检波器管理站上电后就运行该子程序，循环检测通道状态和接收到的来自于中央记录监控单元的命令，并执行相应的程序，直至关电才停止工作。

所述步骤(B5)中，在收集微机电数字检波器采集的数据的同时读取微机电数字检波器管理站上的GPS的时间，并把采集的数据的GPS的时间同采集的数据一起记录在微机电数字检波器管理站的存储器中。

所述微机电数字检波器上实现同步的步骤具体如下：

(C1)当微机电数字检波器接收到微机电数字检波器管理站发来的准备采集命令时，由微机电数字检波器主控制器M00发出控制信号，启动同步电路工作；

(C2)当同步检测模块M22检测到微机电数字检波器管理站发来的启动AD采集命令后，启动AD转换模块M25，同时向微机电数字检波器主控制器M00发送AD启动标志；

(C3)微机电数字检波器主控制器M00读取AD转换模块M25的数据并进行存储；

(C4)按照微机电数字检波器管理站发来的收集数据命令进行数据的整理和传输。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用低功耗、低成本的现有商用器件FPGA，通过逻辑和时序电路的设计，实现了数字检波器之间的同步。

(2)本发明通过利用GPS定时输出脉冲的特性，进行定时计数器的校准，再通过软件的设计，实现数字检波器管理站采集数据的严格同步。

(3)本发明利用GPS的时间，通过软件实现了中央记录监控单元之间的同步。

(4)通过上面三方面的完成了微机电地震采集系统的同步系统，实现了采集系统的同步，系统同步时间小于50us，解决了地震勘探中在河流、森林、悬崖等复杂地形下的采集同步问题。

(5)本发明与微机电数字检波器、通讯系统、中央数据记录与处理单元一起，构成了完备的微机电地震数据采集系统。

附图说明

图1是本发明微机电数字检波器地震采集系统的组成结构示意图。

图2是本发明微机电数字检波器的下行数据通道及同步电路示意图。

图3是本发明中央记录监控单元上实现同步采集数据的步骤框图。

图4是本发明微机电数字检波器管理站上实现同步采集数据的步骤框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

为充分发挥MEMS加速度传感器的优点，经过几年的努力，本发明申请人利用国内MEMS加速度传感器，研制了拥有自主知识产权的微机电地震数据采集系统，缩小了与世界发达国家的差距，满足地震勘探的需要。本发明申请人研制的微机电地震数据采集系统，主要包括微机电数字检波器、微机电数字检波器通讯系统、微机电数字检波器采集系统记录监控单元和同步系统与方法四个方面。

同步系统是微机电数字检波器地震数据采集系统中的一个重要组成部分，与微机电数字检波器中央记录监控单元、微机电数字检波器管理站、微机电数字检波器一起组成微机电地震数据采集系统。本发明主要涉及地震数据采集系统中的同步部分，对于其它部分的组成只是简要介绍而已。

微机电数字检波器地震采集系统的结构如图1所示，该系统包括一个中央记录监控单元M10、多个微机电数字检波器管理站M11(在图1中简称为管理站)、多个微机电数字检波器(在图1中简称为采集站)，中央记录监控单元M10管理多个微机电数字检波器管理站M11，每个微机电数字检波器管理站M11管理多个微机电数字检波器M12。其中每个微机电数字检波器管理站M11与其所管理的微机电数字检波器M12都是串行连接的，而微机电数字检波器管理站M11之间的连接可以是串联的，也可以是并联的，图1中只给出了串联方式，并联就是各个微机电数字检波器管理站M11分别连接到中央记录监控单元M10上。各个部分具体如下：

(1)中央记录监控单元M10。

中央记录监控单元M10包括微计算机、热敏打印机、绘图仪、中央控制器、无线数传模块、GPS、网络接口、光点中接口等。GPS是GlobalPositioningSystem(全球定位系统)的简称。现有中央记录监控单元中有的安装有GPS，但其主要用途是用来确定位置、读取标准时间等信息。本发明接入GPS，除了读取标准时间外，主要利用GPS秒脉冲功能，进行精确同步，具体来说，GPS秒脉冲信号(PPS)，GPS一秒钟输出的一个秒脉冲信号(PPS，标示UTC的整秒时刻)。它的作用是用来指示整秒的时刻，而该时刻通常是用PPS秒脉冲的上升沿来标示。因为GPS可以给出UTC时间，但用户收到时是会有延时的(GPS给出UTC时间，是通过串行口发送给用户的，发送的是一长串数据，而发送数据需要花费时间，因此，用户收到UTC时间，与GPS指示的时刻有一个时间差。)。为了精确授时，用PPS信号上升沿来指示UTC的整秒时刻，不需要传输数据，因此精度可以到纳秒级，而且没有累积误差。在设计中央记录监控单元和微机电数字检波器管理站时，使用接收到的GPS输出的脉冲对中央记录监控单元和微机电数字检波器管理站中的定时计数器进行复位，复位完全是由硬件电路实现的，GPS每输出一个秒脉冲，就将中央记录监控单元和微机电数字检波器管理站中的定时计数器进行一次复位，彻底消除计数器的累计误差，通过精细的计数，实现精准同步。

中央记录监控单元M10具有数据存储、处理、显示、人机对话等管理功能，负责整个系统的控制和检测。中央记录监控单元M10通过数据传输发出各种控制指令，对数字地震信号进行记录、编排和管理。

(2)微机电数字检波器管理站M11

微机电数字检波器管理站M11是系统的一个重要组成部分，既可以接收中央记录监控单元M10的命令对连接到该微机电数字检波器管理站M11的微机电数字检波器M12进行管理和监测，也可以自己单独对微机电数字检波器M12进行检测，同时还可以做中继。每个微机电数字检波器管理站M11可以连接多微机电数字检波器M12，与同一个微机电数字检波器管理站M11连接的微机电数字检波器M12之间是串联的，也就是说每一个微机电数字检波器M12都有两路输入输出，其中一路输入输出与微机电数字检波器管理站M11或者靠近微机电数字检波器管理站M11的微机电数字检波器的输出输入连接，一路输入输出与远离微机电数字检波器管理站M11的微机电数字检波器的输出输入相连，对于一个微机电数字检波器M12来说，如果它的两端都是连接另外的微机电数字检波器M12，则相对该微机电数字检波器更靠近微机电数字检波器管理站M11的那个微机电数字检波器被称为该微机电数字检波器的上一级微机电数字检波器，相对该微机电数字检波器更远离微机电数字检波器管理站M11的那个微机电数字检波器被称为该微机电数字检波器的下一级微机电数字检波器。

微机电数字检波器管理站M11主要包括中央控制器、GPS、数据存储器、程序存储器、数字检波器电源管理模块、通讯模块及驱动电路、锁相电路、串行输入EEPROM存储器等。其主要功能有：对微机电数字检波器进行控制和检测；启动微机电数字检波器的数据采集与传输，读取微机电数字检波器传来的数据，上传数据到中央记录监控单元。

(3)微机电数字检波器M12

微机电数字检波器M11具有早期地震仪的大部分功能，检测振动信号，将检测到的信号转换成数字信号，传递到微机电数字检波器管理站M11。微机电数字检波器M12主要包括控制器、MEMS(MicroElectroMechanicalSystem微机电系统)加速度传感器、前放、A/D转换、通讯模块、电源管理模块、供电模块等。其主要功能是检测振动信号，将检测到的信号转换成数字信号，传递到微机电数字检波器管理站M11。微机电数字检波器M12之间采用异步串行通讯协议。关于微机电数字检波器的研制，请参见公开号为CN101561509A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”。

本发明的重点是微机电数字检波器M12中的同步电路的设计、实现方法和系统同步方法，具体如下：

(1)微机电数字检波器中的同步电路及同步方法

微机电数字检波器的上行通道数据与公开号为CN101984365A的专利“一种微机电数字地震检波器通讯系统和方法”中的相同，下行数据通道及同步电路(是在微机电数字检波器上加了同步电路实现了同步)的结构如图2所示，所述微机电数字检波器进一步包括信号输入电路U21、接收数据控制电路U22、第一数据输出控制电路U23、第二数据输出控制电路U24、第三数据输出控制电路U25、第四数据输出控制电路U26和输出驱动电路U27，这些都是目前微机电数字检波器具有的。

所述同步电路包括微机电数字检波器主控制器M00、同步检测模块M22、计时控制模块M23、命令接收比较模块M24和AD转换模块M25。

如图2所示，所述信号输入电路U21的输出端分别连接到同步检测模块M22、命令接收比较模块M24、接收数据控制电路U22和第三数据输出控制电路U25；

同步检测模块M22分别与AD转换模块M25、计时控制模块M23进行双向通讯；

命令接收比较模块M24的输出端连接到接收数据控制电路U22，接收数据控制电路U22的输出端连接到微机电数字检波器主控制器M00；

第一数据输出控制电路U23的输出端连接到第三数据输出控制电路U25的输入端，第三数据输出控制电路U25的输出端和第二数据输出控制电路U24的输出端分别连接到数据输出控制电路U26，数据输出控制电路U26的输出端连接到输出驱动电路U27。

所述信号输入电路U21的接口采用LVDS接口。

在所述微机电数字检波器上实现同步的方法：根据接收到的微机电数字检波器管理站发来的“准备采集命令”命令，由微机电数字检波器主控制器M00发送控制信号，通过逻辑电路启动同步电路工作，检测到微机电数字检波器管理站发来的启动AD采集命令后，启动AD转换模块M25，向主控制M00器发送AD启动标志。具体工作方式如下所述：

信号输入电路U21接收微机电数字检波器管理站或上一级微机电数字检波器发来的准备采集命令命令(中央记录监控单元向其控制的微机电数字检波器管理器发送“准备采集命令”，微机电数字检波器管理器收到此命令后向其所管理的微机电数字检波器发送“准备采集命令”，微机电数字检波器通过信号输入电路U21接收)，输入电路U21的接口采用LVDS差分输入方式。U21将输入信号连接到微机电数字检波器主控制器M00的接收数据控制电路U22、数据输出控制电路U23、U24、U25和U26、同步检测模块M22和命令接收比较模块M24。

计时控制模块M23用于为同步检测模块M22、命令接收比较模块M24计时，为它们提供复位信号。当命令接收比较模块M24检测到本管理站命令或者广播命令时，打开数据通道，允许上一级来的数据进入微机电数字检波器主控制器，由微机电数字检波器主控制器执行相应的命令；否则，本检波器不接收数据。这样，可以减少微机电数字检波器主控制器ARM的响应，节约能源。

命令接收比较模块M24受计时控制模块M23的控制。当有数据来时，命令接收比较模块M24向计时控制模块M23发送一个信号，计时控制模块M23开始计时。当超时时(M23里根据施工需要，预先设置一个规定时间)，即刻对命令接收比较模块M24复位，重新接收数据(包括微机电数字检波器管理站发送给微机电数字检波器的命令，如采集参数设置、采集参数读取、桩号设置与读取、准备采集、收集数据等等)。所述上一级包括微机电数字检波器管理站或相对该微机电数字检波器更靠近微机电数字检波器管理站的另一个微机电数字检波器。

同步检测模块M22的作用就是检测启动AD采集命令，平时是不接收数据的。只有当管理站发出准备采集命令后，微机电数字检波器主控制器启动同步检测模块M22和计时控制模块M23工作，禁止命令接收比较模块M24工作。当检测到启动AD采集命令时，启动AD转换器工作。如果在规定时间内没有收到启动AD采集命令，计时控制模块M23向微机电数字检波器主控制器M00发送没有收到启动AD采集命令的信息，微机电数字检波器主控制器M00就启动命令接收比较模块M24工作，转为正常接收命令状态。启动AD采集命令是一个固定的字节，传输时间短，确保不同微机电数字检波器的AD同步采集，减少误差。AD转换器将模拟信号转换成数字信号。

微机电数字检波器主控制器是微机电数字检波器的核心，其读取AD转换器的数据，执行微机电数字检波器管理站的命令，向微机电数字检波器管理站回复相应的信息和数据。

ARM(AdancedRISCMachines)，是一个公司名字，也是一种处理器的通称，还可以认为是一种技术名字。本发明中指的是一种处理器的通称。ARM7和ARM9都属于ARM处理器，本发明使用的ARM7选用的是AT91SAM7S256，ARM9采用的是AT91RM9200。

LVDS即低压差分信号传输，是一种满足当今高性能数据传输应用的新型技术。由于其可使系统供电电压低至2V，因此它还能满足未来应用的需要。此技术基于ANSI/TIA/EIA-644LVDS接口标准。

LVDS技术拥有330mV的低压差分信号(250mVMINand450mVMAX)和快速过渡时间。这可以让产品达到自100Mbps至超过1Gbps的高数据速率。此外，这种低压摆幅可以降低功耗消散，同时具备差分传输的优点。

LVDS技术用于简单的线路驱动器和接收器物理层器件以及比较复杂的接口通信芯片组。通道链路芯片组多路复用和解多路复用慢速TTL信号线路以提供窄式高速低功耗LVDS接口。这些芯片组可以大幅节省系统的电缆和连接器成本，并且可以减少连接器所占面积所需的物理空间。

LVDS解决方案为设计人员解决高速I/O接口问题提供了新选择。LVDS为当今和未来的高带宽数据传输应用提供毫瓦每千兆位的方案。

(2)中央记录监控单元同步采集数据的步骤如图3所示(图3中，微机电数字检波器被简称为检波器。)：

当准备进行数据采集时，启动放炮同步采集记录程序，进入子程序后，根据提前从人机界面输入的采集信息，设置初始状态。然后向微机电数字检波器管理站发送准备采集命令。发送完命令后，读取微机电数字检波器管理站回送的状态信息，等所有设备准备好以后，向下发送采集命令。

发送完采集命令后，等待爆炸机编码器的TB(TIMINGBREAK，炸药爆炸成功时的信号)。若收到TB，则读取TB到达时GPS的时间和时钟的数值，即TB到达时刻。将包含有TB到达时刻信息的命令发送给微机电数字检波器管理站，收集采集数据，直到读取完所有采集的数据，返回上一级程序。

发送完采集命令后，若在设定的时间内没有收到TB信号，则按照发送采集命令时的时刻信息，向微机电数字检波器管理站收集数据。这样做，主要是防止点炮后因偶然因素而导致没有检测到TB信号时数据的丢失。

(3)微机电数字检波器管理站之间同步微机电数字检波器的方法：

微机电数字检波器管理站驱动所管理的数字检波器实现同步数据采集的步骤如图4所示：

当微机电数字检波器管理站上电后，首先进行初始化，设置初始工作状态，接着对其所管理的微机电数字检波器进行检查，并将相应信息(通道正常与否的信息)上传到中央记录监控单元。在正常工作后，等待接收准备采集命令。若收到准备采集命令，则检测信号通道，正常则回送正常信息，否则，回送通道错误信息，返回上一级程序；

回送通道正常信息后，向微机电数字检波器发送准备采集命令，延迟一定时候后，发送启动AD采集命令，发送收集数据命令，然后收集微机电数字检波器采集的数据，并暂存在本微机电数字检波器管理站的存储器中。在收集微机电数字检波器数据时，读取GPS信息，并把采集数据的时刻信息一起记录。

在收集采集数据时，等待中央记录监控单元上传数据的命令，若收到上传数据的命令，则对收到的命令进行分析，读取正式开始采集数据的时刻，并以此为标志，对收集的检波器数据进行打包，然后上传，直至传完本次采集数据，返回上一级程序；

进入采集子程序后，在任何一个等待状态时，都设定一个等待时间，超时则退出该子程序，防止进入死循环状态。

通过上述同步方法，中央记录监控单元与微机电数字检波器管理站之间的误差在1us以下，数值检波器AD启动的最大误差在50us以内，远小于地震采集允许的误差范围。

本发明与传统流程的不同之处在于：

(1)微机电数字检波器硬件同步电路。硬件同步电路包括微机电数字检波器主控制器、同步检测模块、计时控制模块、命令接收比较模块和AD转换模块几个部分。

(2)微机电数字检波器同步方法：根据接收到的命令，由微机电数字检波器主控制器发送控制信号，通过逻辑电路，启动同步电路工作，检测到启动AD采集命令后，启动AD转换模块，向控制器发送AD启动标志。

(3)微机电数字检波器管理站与微机电数字检波器的同步方法：微机电数字检波器管理站首先向所管理的微机电数字检波器发送准备采集命令，微机电数字检波器收到命令后，进入准备采集状态。然后微机电数字检波器管理站发送一个启动脉冲，检波器同步检测电路检测到启动脉冲后，启动AD转换模块开始工作。

(4)中央记录监控单元与微机电数字检波器管理站之间的同步方法：通过在中央记录监控单元与微机电数字检波器管理站上的GPS和定时计数器，按照中央记录监控单元的命令，所有微机电数字检波器管理站从某一时刻同时向微机电数字检波器发送采集信号，启动AD转换。

(5)微机电数字检波器管理站处理采集数据的方法：微机电数字检波器管理站向微机电数字检波器发送启动AD采集命令后，发送收集数据命令。微机电数字检波器收到该命令后，将采集的数据发送给微机电数字检波器管理站，微机电数字检波器管理站将收到的数据存在本站的存储器内，等待中央记录监控单元的命令，向上发送数据。

(6)微机电地震采集系统的数据管理方法：中央记录监控单元接收到爆炸机TB信号后，记录该时刻，然后将该时刻发送给微机电数字检波器管理站。微机电数字检波器管理站根据收到的含有TB时刻的命令后，对收到的微机电数字检波器的采集数据进行打包，发给中央记录监控单元，由中央记录监控单元进行存储和处理。

在微机电地震数据采集系统同步系统研制中，主要研究的内容包括中央记录监控单元与微机电数字检波器管理站、微机电数字检波器管理站与微机电数字检波器管理站之间、微机电数字检波器管理站与微机电数字检波器之间、微机电数字检波器之间的同步。本发明实现了微机电数据采集系统中数字检波器采集的同步，同步时间小于50us。本发明中的M22、M23、M24、M25、M26、M32、M33、M34采用的是低功耗、低成本的FPGA，设计了数字检波器中的同步电路，同时，研究了微机电数字检波器管理站之间的同步方法，将采集系统中不同数字检波器之间的采集时间差控制在100us以内。通过微机电数字检波器、通讯系统、记录中央记录监控单元和同步系统与方法的研制，形成了完善的微机电数字检波器数据采集系统。

FPGA(Field-ProgrammableGateArray)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

1)采用FPGA设计ASIC电路(特定用途集成电路)，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

2)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

3)FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。

4)FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

5)FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。本发明则利用了FPGA的优点实现了微机电数字检波器数据采集系统中的同步。

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 (7)

1.一种用于微机电地震采集系统的同步系统，所述微机电地震采集系统包括一个中央记录监控单元、至少一个微机电数字检波器管理站和微机电数字检波器，所述中央记录监控单元管理所有微机电数字检波器管理站，每个微机电数字检波器管理站管理至少一个微机电数字检波器；其特征在于：所述同步系统包括安装在微机电数字检波器上的同步电路、安装在中央记录监控单元上的GPS和定时计数器以及安装在微机电数字检波器管理站上的GPS和定时计数器；其中，

所述同步电路包括微机电数字检波器主控制器(M00)、同步检测模块(M22)、计时控制模块(M23)、命令接收比较模块(M24)和AD转换模块(M25)；

所述微机电数字检波器主控制器(M00)用于对AD转换模块(M25)、计时控制模块(M23)和命令接收比较模块(M24)进行控制；所述同步检测模块(M22)分别与AD转换模块(M25)和计时控制模块(M23)进行双向通讯；

所述同步检测模块(M22)用于检测来自微机电数字检波器管理站的启动AD采集命令；

所述计时控制模块(M23)用于为同步检测模块(M22)和命令接收比较模块(M24)计时，为它们提供复位信号；

所述命令接收比较模块(M24)用于接收来自于微机电数字检波器管理站的命令，并进行命令识别；

所述AD转换模块(M25)用于将模拟信号转换成数字信号。

2.根据权利要求1所述的用于微机电地震采集系统的同步系统，其特征在于：所述同步检测模块(M22)、计时控制模块(M23)、命令接收比较模块(M24)、AD转换模块(M25)均是采用FPGA制成的。

3.一种利用权利要求1或2所述的同步系统实现微机电地震采集系统内同步的方法，其特征在于：所述方法利用安装在中央记录监控单元和微机电数字检波器管理站中的GPS的定时输出脉冲的特性，分别对中央记录监控单元和微机电数字检波器管理站上的定时计数器进行校准和复位；

所述方法包括中央记录监控单元上实现同步的步骤、微机电数字检波器管理站上实现同步的步骤和微机电数字检波器上实现同步的步骤。

4.根据权利要求3所述的实现微机电地震采集系统内同步的方法，其特征在于：所述中央记录监控单元上实现同步的步骤具体如下：

(A1)开始；

(A2)初始化：根据从人机界面输入的采集信息，设置初始状态；

(A3)向微机电数字检波器管理站发送准备采集命令，微机电数字检波器管理站接到该命令后，对其所管理的微机电数字检波器进行检测，回送状态信息；

(A4)读取微机电数字检波器管理站回送的状态信息，如果回送的状态信息是设备已准备好，则转入步骤(A6)；如果回送的状态信息是设备没有准备好，则转入步骤(A5)；

(A5)判断设定的时间是否到了，如果到了，则转入步骤(A6)；如果没到，则转入步骤(A4)；

(A6)向微机电数字检波器管理站发送采集命令，然后转入步骤(A7)；

(A7)判断延迟时间是否到了，如果到了，则将发送采集命令时的时刻作为TB到达时刻，然后转入步骤(A10)；如果没到，则转入步骤(A8)；

(A8)判断是否收到爆炸机发来的TB信号，所述TB信号是指炸药爆炸成功时的信号，其来自于爆炸机的编码器，如果收到了，则转入步骤(A9)；如果没收到，则转入步骤(A7)；

(A9)将收到TB信号时中央记录监控单元中的定时计数器的计数值和GPS的时间作为TB到达时刻，所述GPS的时间包括日期、时、分、秒，并记录该TB到达时刻，然后转入步骤(A10)；

(A10)将包含有TB到达时刻的命令发送给微机电数字检波器管理站，然后收集微机电数字检波器管理站传来的采集数据，然后转入步骤(A11)；

(A11)判断数据上传是否结束，如果结束，则返回到调用实现同步的步骤前的程序中；如果没结束，则转入步骤(A11)。

5.根据权利要求4所述的实现微机电地震采集系统内同步的方法，其特征在于：所述微机电数字检波器管理站上实现同步的步骤具体如下：

(B1)微机电数字检波器管理站上电；

(B2)对微机电数字检波器管理站进行初始化，设置初始状态；所述初始状态包括微机电数字检波器管理站对其所管理的所有微机电数字检波器进行信号通道的检测、读取桩号、存储通道工作状态信息、并将以上信息上传到中央记录监控单元；

(B3)微机电数字检波器管理站根据步骤(B2)得到的通道工作状态信息检测其所管理的微机电数字检波器的通道是否正常，并将通道工作是否正常的状态信息上传到中央记录监控单元，然后等待中央记录监控单元发来的准备采集命令；

(B4)判断是否收到中央记录监控单元发来的准备采集命令，如果是，则检测微机电数字检波器的信号通道，然后转入步骤(B5)，如果否，则转入步骤(B9)；

(B5)判断微机电数字检波器是否正常，如果正常，则向中央记录监控单元回送通道正常信息，然后向微机电数字检波器发送准备采集命令，延迟一段时间后，向微机电数字检波器发送启动AD采集命令，然后向微机电数字检波器发送收集数据命令，收集微机电数字检波器采集的数据，并暂存在微机电数字检波器管理站的存储器中，然后转入步骤(B6)；如果不正常，则回送通道错误信息，然后转入步骤(B3)；

(B6)判断是否收到中央记录监控单元发来的采集命令，如果是，则对收到的采集命令进行分析，读取所述TB到达时刻，并以此为标志对收集到的微机电数字检波器的数据进行打包上传，然后转入步骤(B7)，如果否，则转入步骤(B8)；

(B7)判断本次采集的数据是否上传结束，如果是，则转入步骤(B3)，如果否，则返回步骤(B7)；

(B8)判断设定的时间是否到了，如果到了，则转入步骤(B3)，如果没到，则转入步骤(B6)；

(B9)判断是否收到其它命令，如果是，则执行与命令对应的子程序，然后转入步骤(B4)；如果否，则判断设定的时间是否到了，如果到了，则转入步骤(B3)；如果没到，则返回步骤(B4)；

所述微机电数字检波器管理站上电后就运行实现同步的步骤，直至关电才停止工作。

6.根据权利要求5所述的实现微机电地震采集系统内同步的方法，其特征在于：所述步骤(B5)中，在收集微机电数字检波器采集的数据的同时读取微机电数字检波器管理站上的GPS的时间，并把采集的数据的GPS的时间同采集的数据一起记录在微机电数字检波器管理站的存储器中。

7.根据权利要求6所述的实现微机电地震采集系统内同步的方法，其特征在于：所述微机电数字检波器上实现同步的步骤具体如下：

(C1)当微机电数字检波器接收到微机电数字检波器管理站发来的准备采集命令时，由微机电数字检波器主控制器(M00)发出控制信号，启动同步电路工作；

(C2)当同步检测模块(M22)检测到微机电数字检波器管理站发来的启动AD采集命令后，启动AD转换模块(M25)，同时向微机电数字检波器主控制器(M00)发送AD启动标志；

(C3)微机电数字检波器主控制器(M00)读取AD转换模块(M25)的数据并进行存储；

(C4)按照微机电数字检波器管理站发来的收集数据命令进行数据的整理和传输。