CN104656129A - 一种应用于分布式地震采集站的数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于分布式地震采集站的数据传输方法，由硬件和软件部分组成。硬件电路由发送端，接收端和传输电缆组成，采用LVDS逻辑电平或其他差分信号电平传输数字信号。软件部分包括编码和解码两部分程序，编码方式采用卷积码和曼彻斯特编码，通过采样的方式实现时钟同步。发送端在数据包前加入包头。本发明硬件设备功耗低，供电系统结构简单，地震采集站的分布施工难度小效率高，能够确保最佳的施工效率，减小施工成本；具有较高的数据采集和传输的性能，具有高效低功耗的数据传输特点，能够满足大范围内地震采集站的分布连接需求，减少设备运行和维护成本。

Description

一种应用于分布式地震采集站的数据传输方法

技术领域

本发明涉及一种串行数据传输方法，具体涉及一种应用于分布式地震采集站的数据传输方法。

背景技术

卷积码技术提供一个高效率的简单方式的编码序列，由于非分组码的卷积码的编码器在产生码元时不仅仅与当前状态有关，而且还与前一段状态有关，从而降低数传过程中的误码率，减少数字信号在传输过程中受到的诸多噪声干扰。

非分组码的卷积码的编码器是在任一段规定时间内产生n个码元，但它不仅取决于这段时间中的k个信息位，还取决于前(K-1)段规定时间内的信息位，这K段时间内的码元数目为K·k，称参数K为卷积码的约束长度，每k个比特输入，得到n比特输出，编码效率为k/n，约束长度为K。在k=1的条件下，移位寄存器级数m=K-1。

曼彻斯特编码技术提供一个简单的方式给编码简单的二进制序列，而没有长的周期没有转换级别，因而防止时钟同步的丢失，或来自低频率位移在贫乏补偿的模拟链接位错误。曼彻斯特编码技术下，数据传输不再使用电平传输，而是使用电平的跳变代表二进制数的“0”和“1”。

地震采集站是遥测地震仪的采集单元。记录地震波的仪器称为地震仪，它能客观而及时地将地面的振动记录下来。地震仪采集站连接一个或多个检波器，检波器输出与地面震动相关的模拟信号，地震仪采集站将模拟信号转换成数字信号。遥测地震仪由很多地震采集站组成，地震采集站按照一定顺序排列，能够采集地面震动信号，所有的地震采集站都将采集到的地震数据传输到服务器上，这样就可以形成一定区域面积的地震采集网。地震采集站之间需要高速数据传输，本发明就是基于这样一个背景下提出的一种数据传输方法。

目前常用的应用于分布式地震采集站的数据传输方法，有的方案采用以太网传输数据，具有技术成熟，可靠性高的特点，但是其最大的缺点就是需要添加网络芯片或其他数据传输芯片，增加地震采集站的功耗。地震采集站的数量一般都在几千甚至更多，地震采集站功耗的增加会增加供电系统的复杂度，增加施工难度，影响工程进度，因此，要提高地震采集系统的性能，必须尽量降低功耗，寻找低功耗数据传输方案。

发明内容

本发明需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种应用于分布式地震采集站的数据传输方法，该方法的硬件设备功耗低，供电系统结构简单，地震采集站的分布施工难度小效率高；同时，具有较高的数据采集和传输的性能，具有高效低功耗的数据传输特点。

为解决上述问题，本发明采用技术方案为：

一种应用于分布式地震采集站的数据传输方法，所述数据传输方法的硬件部分包括发送端、接收端和传输电缆，称为传输设备，传输设备采用改进型LVDS逻辑电平或其他差分信号电平传输数字信号；所述数据传输方法的软件部分包括卷积码编码和译码、曼彻斯特码编码和解码，通过过采样的方式实现时钟同步。

优选的，改进型LVDS逻辑电平采用直接耦合、变压器耦合或电容耦合；采用变压器耦合的改进型LVDS逻辑电平能够在传输数字信号的同时传输电源，变压器起到电压隔离的作用；在不需要传输电源的情况下，改进型LVDS逻辑电平采用直接耦合或者电容耦合。

优选的，发送端是将LVDS发送端两根差分信号线直接加在变压器原线圈上，通过变压器副线圈将交流信号耦合出去，副线圈两端连接在四芯电缆中的两芯上，同时将供电电源的一极加在副线圈的中间抽头上，这样使得发送出的交流数字信号在直流电压上上下摆动。

优选的，接收端是将四芯传输电缆中与发送端对应的两根芯连接在变压器原线圈上，原线圈中间抽头连出来作为受电电源的一极；副线圈两端连接到LVDS接收端，并在LVDS接收端并联阻抗匹配电阻；副线圈中间抽头连接一个上拉电阻到基准电压源，使得LVDS接收端的信号在上述基准电压源上上下摆动。

优选的，传输电缆由四芯电缆组成，组成收发双工通信电缆同时传输电源。

优选的，供电电源一极和受电电源一极，在双工模式下成对出现以完成电源传输。

优选的，变压器的选择需要考虑线圈上能够流过的电流是否能够满足电源传输功率的需求，变压器的频率特性要满足数字信号传输频率的需求。

优选的，所述数据传输方法的软件部分的串行传输协议，传输码型采用曼彻斯特编码，在发送端对数据进行卷积，然后使用曼彻斯特编码程序，在接收端使用解码程序，并进行维特比译码。

所述数据传输方法的软件部分的工作过程为：

在发送端的编码程序将数据帧分成字节数据，再将字节数据转成串行数据，添加前导码，最后将串行数据卷积后编成曼彻斯特码通过硬件电路发送出去；

在接收端的解码程序，检测前导码，确认有数据帧到来后，开始读取数据，将曼彻斯特码转成串行数据的过程采用过采样的办法，以八倍于数据传输速率的速度检测数据线电平，找到有效跳变沿，并以此有效跳变沿作为下一个有效跳变沿的基准。

接收端的解码程序，将曼彻斯特码转成串行码后，将串行码进行维特比译码，译码出来后组成字节数据，数据帧前面的一些数据中包含了此帧数据的长度信息，当接收完此帧所有数据后，完成一帧数据的接收，进行数据校验。

本发明的软件部分包括适用于分布式地震采集站的串行传输协议，传输码型采用曼彻斯特编码，在发送端将数据帧进行卷积然后使用曼码编码程序，在接收端使用曼码解码程序，并用维特比译码对数据进行解码。在发送端的编码程序将数据帧分成字节数据，再将字节数据转成串行数据，添加前导码并进行卷积，最后将卷积后的串行数据编成曼彻斯特码通过硬件电路发送出去。在接收端的解码程序，检测卷积后的前导码，确认有数据帧到来后，开始读取数据，将曼彻斯特码转成串行数据的过程采用过采样的办法，以八倍于数据传输速率的速度检测数据线电平，找到有效跳变沿，并以此有效跳变沿作为下一个有效跳变沿的基准，数据接收后，通过维特比译码对数据帧进行解码。与常规做法采用PLL锁相环将外部时钟与数据时钟同步相比，本设计通过过采样的方式实现时钟同步，仅需在FPGA内用状态机跟随便可实现时钟自同步，简单易行，降低了硬件成本且稳定性好。在接收端的解码程序，将曼彻斯特码转成串行码后，将串行码进行维特比译码后组成字节数据，数据帧前面的一些数据中包含了此帧数据的长度信息，当接收完此帧所有数据后，完成一帧数据的接收，进行数据校验。

本发明的优点和有益效果为：

本发明应用于分布式地震采集站的数据传输方法，其硬件设备功耗低，供电系统结构简单，地震采集站的分布施工难度小效率高，能够确保最佳的施工效率，减小施工成本；

本发明应用于分布式地震采集站的数据传输方法，具有较高的数据传输的性能，具有高效低功耗的数据传输特点，能够满足大范围内地震采集站的分布连接需求，减少设备运行和维护成本；

本发明应用于分布式地震采集站的数据传输方法，通过过采样的方式实现时钟同步，仅需在FPGA内用状态机跟随便可实现时钟自同步。而常规的时钟同步方法大多采用PLL锁相环将外部时钟与数据时钟同步，不仅增加了硬件成本和功耗，时钟频率还会随数据内容变化，容易出现无法提取时钟的现象。与常规做法相比，本设计简单易行且稳定性好。

附图说明

图1为本发明分布式地震采集站与电源站连接示意图。

图2为本发明分布式地震采集站结构图。

图3为本发明传输方式硬件原理图。

图4为本发明曼彻斯特编码原理图。

图5为本发明曼彻斯特解码原理图。

图6为本发明分布式地震采集站复位流程示意图。

图7为本发明数据帧通讯协议示意图。

具体实施方式

下列实施例将进一步说明本发明。

本实施例为应用于分布式地震采集站的数据传输方法。所述数据传输方法的硬件部分包括发送端、接收端和传输电缆，称为传输设备，传输设备采用改进型LVDS逻辑电平或其他差分信号电平传输数字信号；所述数据传输方法的软件部分包括卷积码编码和译码、曼彻斯特码编码和解码，通过过采样的方式实现时钟同步。

改进型LVDS逻辑电平采用直接耦合、变压器耦合或电容耦合；采用变压器耦合的改进型LVDS逻辑电平能够在传输数字信号的同时传输电源，变压器起到电压隔离的作用；在不需要传输电源的情况下，改进型LVDS逻辑电平采用直接耦合或者电容耦合。

发送端是将LVDS发送端两根差分信号线直接加在变压器原线圈上，通过变压器副线圈将交流信号耦合出去，副线圈两端连接在四芯电缆中的两芯上，同时将供电电源的一极加在副线圈的中间抽头上，这样使得发送出的交流数字信号在直流电压上上下摆动。

接收端是将四芯传输电缆中与发送端对应的两根芯连接在变压器原线圈上，副线圈两端连接到LVDS接收端，副线圈中间抽头连接一个上拉电阻再连接到基准电压源；在LVDS接收端并联阻抗匹配电阻，原线圈中间抽头连出来作为受电电源的一极，使得LVDS接收端的信号在上述基准电压源上上下摆动。

传输电缆由四芯电缆组成，组成收发双工通信电缆同时传输电源。供电电源一极和受电电源一极，在双工模式下成对出现以完成电源传输。变压器的选择需要考虑线圈上能够流过的电流是否能够满足电源传输功率的需求，变压器的频率特性要满足数字信号传输频率的需求。

所述数据传输方法的软件部分的串行传输协议，传输码型采用曼彻斯特编码，在发送端对数据进行卷积，然后使用曼彻斯特编码程序，在接收端使用解码程序，并进行维特比译码。

所述数据传输方法的软件部分的工作过程为：

在发送端的编码程序将数据帧分成字节数据，再将字节数据转成串行数据，添加前导码，最后将串行数据卷积后编成曼彻斯特码通过硬件电路发送出去；在接收端的解码程序，检测前导码，确认有数据帧到来后，开始读取数据，将曼彻斯特码转成串行数据的过程采用过采样的办法，以八倍于数据传输速率的速度检测数据线电平，找到有效跳变沿，并以此有效跳变沿作为下一个有效跳变沿的基准。接收端的解码程序，将曼彻斯特码转成串行码后，将串行码进行维特比译码，译码出来后组成字节数据，数据帧前面的一些数据中包含了此帧数据的长度信息，当接收完此帧所有数据后，完成一帧数据的接收，进行数据校验。

图1所示分布式地震采集站连接示意图中，地震采集站是采用链式串联结构，电源站作为发送端，放在整个数据传输链路的中间，在电源站两侧可以分别挂不同数量的采集站进行数据采集，电源站与采集站之间、相邻采集站之间通过四芯电缆连接，四根线分为两对双绞线分别负责收发传输，实现电源站与采集站、相邻采集站之间的双向通信。

图2所示分布式地震采集站结构图中，每个采集站上都有两个数据通路，以上侧通路为例进行说明。上一采集站中的数据从1四芯电缆中的一对双绞线以差分信号的方式传送过来，通过2网络隔离变压器耦合并经FPGA上的3LVDS管脚进入FPGA，FPGA内的4解码模块将串行的曼彻斯特码转换成串行数据，然后经维特比译码解码模块处理后转换成并行数据，当采集站数据填充完成后再由5编码模块转换成串行的卷积的曼彻斯特码，通过FPGA上的6LVDS管脚输出到7网络隔离变压器，耦合后由8四芯电缆中的两根发送到下一采集站。

在图3所示传输方式硬件原理图中，从物理层描述了电源与信号传输。图中1为FPGA，2为1:4耦合网络变压器，3为四芯电缆，4、5为另一采集站上的耦合网络变压器和FPGA。每一个变压器都是两对线圈组成，组成全双工传输模式，在本设计中将其中一对作为发送端，另一对作为接收端。以2为例，发送端是将LVDS发送端两根差分信号线直接加在变压器原线圈上，通过变压器副线圈将交流信号耦合出去，副线圈两端连接在四芯电缆中的其中一对双绞线上，同时将供电电源的一极加在副线圈的中间抽头上，这样使得发送出的交流数字信号在直流电压上下摆动。这根四芯电缆，将连到下一个采集站。在接收端将四芯传输电缆中与发送端对应的两根芯连接在变压器原线圈上，原线圈中间抽头连出来作为受电电源的一极；副线圈两端连接到LVDS接收端，并在LVDS接收端并联阻抗匹配电阻；副线圈中间抽头连接一个上拉电阻到基准电压源，使得LVDS接收端的信号在上述基准电压源上上下摆动。传输电缆由四芯电缆组成，组成收发双工通信电缆，同时能够传输电源，其中供电电源端和受电电源端，在双工模式下都是成对出现的，才能完成电源传输。

在图4所示曼彻斯特编码原理图中，数据传输不再使用电平传输，而是使用电平的跳变代表二进制数的“0”和“1”。编码程序将二进制的“0”转换成“10”，将二进制的“1”转换成“01”。

发送端首先要把以字节为单位的并行数据，转成一位一位的串行数据进行卷积，然后送给曼彻斯特编码程序。本设计中采用212卷积码，将发送端的数据进行212卷积，数据包长度扩大一倍，这样可以降低数据在数据链路上传输的误码率，提高传输质量，本设计中定义了初始值为“10000000”的信号count，并右移count，将count与待发送的数据相与，即用count标识该发送哪一位。当相与结果为1时，发送“01”，反之发送“10”。需要注意的是，网络变压器对低频的响应较差，而且接收端也需要一定时间对齐有效跳变沿，实现时钟同步，所以必须在发送一帧数据之前，先发送一段前导码。编码模块把8位并行数据转化成串行数据并卷积。整个编码过程有三种状态：（1）检验编码周期是否开始，当数据有效标志nen为高电平时，即空闲时刻，编码模块将发送一特定值；（2）当检测到数据有效标志nen由高到低的跳变，编码周期开始，发送8位前导码；（3）在数据有效标志nen为低电平时，即在编码周期时，将发送输入数据线上的卷积后的串行数据。

在图5所示曼彻斯特解码原理图中，曼彻斯特解码程序是采用过采样的办法检测有效跳变沿。解码程序用8倍于数据速度的时钟，检测数据是否在有效跳变时间内发生跳变，如图5中箭头所指边沿，若检测出跳变沿，译码输出为跳变前的采样值。

接收端收到前导码后，会在几个数据周期内完成时钟同步。曼彻斯特解码程序是采用过采样的办法对齐有效跳变沿。解码程序用8倍于数据速度的时钟，检测数据是否在有效跳变时间内发生跳变，如图5中的箭头所指边沿，一旦数据出现了提前跳变或者延迟跳变，则解码程序会自动跟新的跳变沿对齐，这样，可以较大程度的允许数据出现抖动而不引起误码。曼彻斯特译码模块主要完成数据采样、数据译码、数据移位、同步头判定、字节同步等。

数据进入采集站后，先由曼彻斯特译码模块进行译码。曼彻斯特译码模块在上电后一直处于工作状态，一直监视数据输入线。此模块中通过过采样实现位同步，即根据采样的数据判断跳变沿，若检测出跳变沿，译码输出为跳变前的采样值。

图6描述了采集站复位流程，首先系统上电时，电源站先向采集站发送复位包，对所有采集站进行复位，在顺序进行复位的同时，采集站自动向对应的单元里进行编号+1，实现采集站的站数扫描。复位包由3个单元组成，第1个单元是包头段，包含了此包数据的数据长度；第2个单元为采集站配置数据，包含了采集站初始化配置时所需的信息；第3个单元为采集站道数，该单元内初始数据为0。采集站收到复位包后，自动将第3单元内数据加1，并同时记录自身站号，之后当前采集站向下发送一个检查命令，用于检测当前采集站是否为最后一站，等待下一采集站的反馈。若当前采集站不是最后一站，则收到反馈信号，复位包继续向下一个采集站发送，并进行初始化；若当前采集站为最后一站，则无法收到反馈，然后将复位包通过大线以及中间各采集站回传。电源站在收到复位包后，根据复位包单元3的数据获得当前整条分布式链路的采集站道数n，进入正常采集模式。

图7描述了数据帧通信协议，电源站根据采集站道数n来生成对应长度的数据帧，每个数据帧由n+1个单元组成，第一个单元是帧头段，包含了同步头和此帧数据的数据长度，其他n个单元用于电源站与采集站之间的通讯，每个数据帧长16*（n+1）个字节。数据帧的每个单元包含16个字节，其中单元头、命令、状态、CRC各一个字节，数据12个字节。在采集期间，采集站每收到一个数据帧，都要根据复位时记录的自身站号向对应的单元写入4个24位采样数据，共12个字节。 每个数据帧前还有1个字节的同步头，用来标识帧的开始。

CRC校验只是判断该包数据是否存在错误，若有错则直接丢弃，而卷积码是对数据在链路上传输的纠错，目的在于降低误码率，故数据包在经过卷积后传输，然后接收端解码时会对整条链路上数据进行纠错，纠错完成后，模块再进行CRC校验。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种应用于分布式地震采集站的数据传输方法，其特征在于，所述数据传输方法的硬件部分包括发送端、接收端和传输电缆，称为传输设备，传输设备采用改进型LVDS逻辑电平或其他差分信号电平传输数字信号；

所述数据传输方法的软件部分包括卷积码编码和译码、曼彻斯特码编码和解码，通过过采样的方式实现时钟同步。

2.如权利要求1所述的应用于分布式地震采集站的数据传输方法，其特征在于，改进型LVDS逻辑电平采用直接耦合、变压器耦合或电容耦合；

采用变压器耦合的改进型LVDS逻辑电平能够在传输数字信号的同时传输电源，变压器起到电压隔离的作用；在不需要传输电源的情况下，改进型LVDS逻辑电平采用直接耦合或者电容耦合。

3.如权利要求1所述的应用于分布式地震采集站的数据传输方法，其特征在于，发送端是将LVDS发送端两根差分信号线直接加在变压器原线圈上，通过变压器副线圈将交流信号耦合出去，副线圈两端连接在四芯电缆中的两芯上，同时将供电电源的一极加在副线圈的中间抽头上，这样使得发送出的交流数字信号在直流电压上上下摆动。

4.如权利要求1所述的应用于分布式地震采集站的数据传输方法，其特征在于，接收端是将四芯传输电缆中与发送端对应的两根芯连接在变压器原线圈上，原线圈中间抽头连出来作为受电电源的一极；副线圈两端连接到LVDS接收端，并在LVDS接收端并联阻抗匹配电阻；副线圈中间抽头连接一个上拉电阻到基准电压源，使得LVDS接收端的信号在上述基准电压源上上下摆动。

5.如权利要求1-4任一所述的应用于分布式地震采集站的数据传输方法，其特征在于，传输电缆由四芯电缆组成，组成收发双工通信电缆同时传输电源。

6.如权利要求3或4所述的应用于分布式地震采集站的数据传输方法，其特征在于，供电电源一极和受电电源一极，在双工模式下成对出现以完成电源传输。

7.如权利要求3或4所述的应用于分布式地震采集站的数据传输方法，其特征在于，变压器的选择需要考虑线圈上能够流过的电流是否能够满足电源传输功率的需求，变压器的频率特性要满足数字信号传输频率的需求。

8.如权利要求1-4任一所述的应用于分布式地震采集站的数据传输方法，其特征在于，所述数据传输方法的软件部分的串行传输协议，传输码型采用曼彻斯特编码，在发送端对数据进行卷积，然后使用曼彻斯特编码程序，在接收端使用解码程序，并进行维特比译码。

9.如权利要求8所述的应用于分布式地震采集站的数据传输方法，其特征在于，所述数据传输方法的软件部分的工作过程为：

在发送端的编码程序将数据帧分成字节数据，再将字节数据转成串行数据，添加前导码，最后将串行数据卷积后编成曼彻斯特码通过硬件电路发送出去；

在接收端的解码程序，检测前导码，确认有数据帧到来后，开始读取数据，将曼彻斯特码转成串行数据的过程采用过采样的办法，以八倍于数据传输速率的速度检测数据线电平，找到有效跳变沿，并以此有效跳变沿作为下一个有效跳变沿的基准。

10.如权利要求9所述的应用于分布式地震采集站的数据传输方法，其特征在于，接收端的解码程序，将曼彻斯特码转成串行码后，将串行码进行维特比译码，译码出来后组成字节数据，数据帧前面的一些数据中包含了此帧数据的长度信息，当接收完此帧所有数据后，完成一帧数据的接收，进行数据校验。