CN108601096B - 一种基于卫星设备的地震采集装备的混合通信系统 - Google Patents

一种基于卫星设备的地震采集装备的混合通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于卫星设备的地震采集装备的混合通信系统，包括ARM处理器和线缆微控制器，所述ARM处理器的双向端口通过无线收发器与线缆微控制器相连接，所述线缆微控制器的电源端与电源管理单元相连接，所述通讯单元通过SPI接口与ARM处理器相连接，所述GPS模块的控制端通过UART接口与ARM处理器相连接，所述ARM处理器的地址总线与地震数据采集单元相连接，所述线缆微控制器的输出端通过地址总线与同步单元相连接，系统根据地震采集工作中拓扑结构的特点，设计了便于对采集设备进行组网管理协议；根据地震采集工作中数据回收的特点，设计了可靠的数据传输保障机制，以高效的、可靠的完成地震数据传输的任务。

Description

一种基于卫星设备的地震采集装备的混合通信系统
技术领域
本发明涉及混合通信系统技术领域，具体为一种基于卫星设备的地震采集装备的混合通信系统。
背景技术
(1)由于地震采集工作对其通讯系统的所需求的性能不仅种类多样化，而且对每种性能参数的需求值也很高，所以很难只用某种单一的通讯技术就可以实现大规模、复杂地形的实时地震采集装备通讯系统。例如，只使用有线以太网技术组成的地震采集装备通讯系统虽然可以满足高速率的需求，但是不能应用于复杂地形，而且不够轻便、成本过高，最典型的产品就是428XL系统；只使用无线局域网技术组成的地震装备通讯系统虽然可以适应各种复杂地形，而且设备轻便，但是因通讯速率和通讯距离有限，无法实现大规模实时地震采集工作的需求：
(2)随着空间技术的发展，人们利用卫星完成通讯中的转发任务，组成卫星通讯系统。由于卫星天线波束能照射到地球上一片很广的区域，可以为地上相距很远的两个点提供通讯中继服务。卫星通讯技术最早是被吉林大学应用在地震采集工作中，用于实现工作人员对地震采集装备的远程监控、数据质量控制。基于卫星通讯技术的无缆采集站发出的信息通过卫星到达地面中心，由地面中心解析并打包再经卫星中转到达控制中心，反之亦然。因此，卫星通讯以其极大的覆盖范围和远程通讯的能力，得到了小范围勘探、长期野外监测工作的青睐。但是，由于目前卫星通讯的民用部分速率较低，实时性也比较差，而且通讯资费较高，无法在大面积地震勘探工作中的广泛使用。
发明内容
为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种基于卫星设备的地震采集装备的混合通信系统，采用分层化设计的思想，将地震采集装备通讯系统设计成分层网络架构，所有的需求被分配到不同的网络层，每个网络层只需要采用合适的通讯技术满足该网络层的自身需求。这样，由各网络层组成的通讯系统就能够满足整个通讯系统的需求，能有效的解决背景技术提出的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于卫星设备的地震采集装备的混合通信系统，包括ARM处理器和线缆微控制器，所述ARM处理器的双向端口通过无线收发器与线缆微控制器相连接，所述线缆微控制器的电源端与电源管理单元相连接，所述电源管理单元的输出端分别连接有通讯单元和GPS模块，所述通讯单元通过SPI接口与ARM处理器相连接，所述GPS模块的控制端通过UART接口与ARM处理器相连接，所述ARM处理器的地址总线与地震数据采集单元相连接，所述地震数据采集单元的内部设置有数据采集卡，所述地震数据采集单元的数据总线反馈连接到ARM处理器的控制端，所述线缆微控制器的信号端通过USB接口与WIFI接口和以太网接口相连接，所述线缆微控制器的输出端通过地址总线与同步单元相连接，所述同步单元的内部设置有时钟控制模块，所述时钟控制模块的时钟端与锁相环相连接，所述同步单元的数据总线线缆微控制器相连接。
作为本发明一种优选的技术方案，所述线缆微控制器的电源端与电源管理模块相连接，所述电源管理模块的输出端还连接有地震数据采集单元和同步单元。
作为本发明一种优选的技术方案，所述通讯单元包括控制板接口和电压转换电路，所述控制板接口的输出端通电压转换电路与PCI-E接口相连接，所述控制板接口的数据端直接与PCI-E接口相连接，所述PCI-E接口的输出端通过控制线与LED显示模块相连接，所述PCI-E接口的通信端口与SIM卡接口相连接。
作为本发明一种优选的技术方案，所述ARM处理器的输出端还通过无线收发器与无线路由器相连接，所述无线路由器的输出端与服务器相连接。
作为本发明一种优选的技术方案，所述服务器的数据端与数据库相连接，所述数据库采用交互式数据通信结构。
作为本发明一种优选的技术方案，所述ARM处理器的通信端口还通过RS232接口与人机交互模块相连接，所述人机交互模块的输出端与系统控制PC端相连接。
作为本发明一种优选的技术方案，所述系统控制PC端采用Linux内核结构，在系统控制PC端设置有拨号连网模块、USB调制解调驱动模块和采集设备驱动模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用Wi-Fi模块作为扩展网中各采集装备间的通讯技术，在此基础之上通过多跳自组网技术完成灵活的组网。扩展网中的多跳自组网技术主要完成了两部分工作：组网管理与数据可靠传输。本发明根据地震采集工作中拓扑结构的特点，设计了便于对采集设备进行组网管理协议；根据地震采集工作中数据回收的特点，设计了可靠的数据传输保障机制，以高效的、可靠的完成地震数据传输的任务；
(2)本发明系统由核心网和扩展网两部分组成，其中核心网由蜂窝网络或有线以太网组成，主要负责实现长距离、高速率的通讯；扩展网则使用基于Wi-Fi技术的多跳自组网进行组建，主要负责满足无盲区覆盖、设备轻便、具有网络容错度等需求；
(3)本发明的核心网主要由有缆无缆混合交叉站、通讯线缆、无线网桥组成。每个扩展网通过Wi-Fi或有线以太网与有缆无缆混合交叉站建立连接，而有缆无缆混合交叉站采用传统有线地震采集网络的结构，以级联的方式连接到控制中心。如果在两个有缆无缆混合交叉站中间出现河流、山丘等不便于通讯线缆铺设的地形，则使用具有远距离、高速率通讯的网桥连接两个有缆无缆混合交叉站。当控制中心需要查看或操作某个地震采集设备时，则先将信息发送到相应交叉站中，由交叉站再转发到该采集设备所在的扩展网络中。通过有缆无缆混合交叉站转发的方式，最终实现控制中心与任意一个采集设备间的通讯任务。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的通讯单元结构示意图；
图3为本发明的系统控制PC端结构示意图。
图中：1-ARM处理器；2-线缆微控制器；3-系统控制PC端；4-电源管理单元；5-无线收发器；6-无线收发器；7-无线路由器；8-服务器；9-数据库；
100-通讯单元；101-GPS模块；102-SPI接口；103-UART接口；104-地震数据采集单元；105-数据采集卡；106-控制板接口；107-电压转换电路；108-PCI-E接口；109-LED显示模块；110-SIM卡接口；111-RS232接口；112-人机交互模块；
200-USB接口；201-WIFI接口；202-以太网接口；203-同步单元；204-时钟控制模块；205-锁相环；206-；207-；
300-拨号连网模块；301-USB调制解调驱动模块；302-采集设备驱动模块。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「中」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向和位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
实施例：
如图1所示，本发明提供了一种基于卫星设备的地震采集装备的混合通信系统，包括ARM处理器1和线缆微控制器2，所述ARM处理器1的双向端口通过无线收发器5与线缆微控制器2相连接，所述线缆微控制器2的电源端与电源管理单元4相连接，所述电源管理单元4的输出端分别连接有通讯单元100和GPS模块101，所述通讯单元100通过SPI接口102与ARM处理器1相连接，所述GPS模块101的控制端通过UART接口103与ARM处理器1相连接，所述ARM处理器1的地址总线与地震数据采集单元104相连接，所述地震数据采集单元104的内部设置有数据采集卡105，所述地震数据采集单元104的数据总线反馈连接到ARM处理器1的控制端，所述线缆微控制器2的信号端通过USB接口200与WIFI接口201和以太网接口202相连接，所述线缆微控制器2的输出端通过地址总线与同步单元203相连接，所述同步单元203的内部设置有时钟控制模块204，所述时钟控制模块204的时钟端与锁相环205相连接，所述同步单元203的数据总线线缆微控制器2相连接，所述线缆微控制器2的电源端与电源管理模块4相连接，所述电源管理模块4的输出端还连接有地震数据采集单元104和同步单元203。
所述核心网络的控制单元主要由ARM处理器1、100M以太网接口202等组成。所述地震数据采集单元104在ARM处理器1的控制下对输入差分地震信号进行模拟滤波、放大、模数转换、数字滤波，然后写入ARM处理器1的内部RAM中。所述电源管理单元4为整个仪器提供电源，并进行动态电源管理，以降低地震仪的功耗。所述GPS模块101用于仪器的授时和定位，为地震采集系统提供地震采集装备间的排列关系和同步信号。
如图2所示，所述通讯单元100包括控制板接口106和电压转换电路107，所述控制板接口106的输出端通电压转换电路107与PCI-E接口108相连接，所述控制板接口106的数据端直接与PCI-E接口108相连接，所述PCI-E接口108的输出端通过控制线与LED显示模块109相连接，所述PCI-E接口108的通信端口与SIM卡接口110相连接，所述通信单元100包含蜂窝网络通讯模块和Wi-Fi模块两部分，Wi-Fi模块与ARM通过SPI总线连接，实现3G/4G网关地震仪与扩展网间的通讯功能。蜂窝网络通信模块与ARM通过USB接口通信，实现3G/4G网关地震仪与控制中心间的通讯功能，所述通讯单元100具有较好兼容性的蜂窝网络通讯模块，以方便在不同情况下实现最优的效果。
如图1和图3所示，所述ARM处理器1的输出端还通过无线收发器6与无线路由器7相连接，所述无线路由器7的输出端与服务器8相连接，所述服务器8的数据端与数据库9相连接，所述数据库9采用交互式数据通信结构，所述ARM处理器1的通信端口还通过RS232接口111与人机交互模块112相连接，所述人机交互模块112的输出端与系统控制PC端3相连接；所述系统控制PC端3采用Linux内核结构，选择嵌入式Linux系统作为该设备的操作系统，为了便于3G/4G网关处理器实现多个任务的管理，在系统控制PC端3设置有拨号连网模块300、USB调制解调驱动模块301和采集设备驱动模块302，所述拨号连网模块300用于3G/4G网关处理器在网络运营商处完成注册，并保证仪器能够持续稳定的连接到互连网。通讯程序承担了两任务：一个是路由功能，负责扩展网和控制中心的转发任务；另一个是参与仪器的控制，通过共享内存与控制中心进行通信，完成具体的指令的执行与信息反馈。
综上所述，本发明的主要特点在于：
(1)本发明采用Wi-Fi模块作为扩展网中各采集装备间的通讯技术，在此基础之上通过多跳自组网技术完成灵活的组网。扩展网中的多跳自组网技术主要完成了两部分工作：组网管理与数据可靠传输。本发明根据地震采集工作中拓扑结构的特点，设计了便于对采集设备进行组网管理协议；根据地震采集工作中数据回收的特点，设计了可靠的数据传输保障机制，以高效的、可靠的完成地震数据传输的任务；
(2)本发明系统由核心网和扩展网两部分组成，其中核心网由蜂窝网络或有线以太网组成，主要负责实现长距离、高速率的通讯；扩展网则使用基于Wi-Fi技术的多跳自组网进行组建，主要负责满足无盲区覆盖、设备轻便、具有网络容错度等需求；
(3)本发明的核心网主要由有缆无缆混合交叉站、通讯线缆、无线网桥组成。每个扩展网通过Wi-Fi或有线以太网与有缆无缆混合交叉站建立连接，而有缆无缆混合交叉站采用传统有线地震采集网络的结构，以级联的方式连接到控制中心。如果在两个有缆无缆混合交叉站中间出现河流、山丘等不便于通讯线缆铺设的地形，则使用具有远距离、高速率通讯的网桥连接两个有缆无缆混合交叉站。当控制中心需要查看或操作某个地震采集设备时，则先将信息发送到相应交叉站中，由交叉站再转发到该采集设备所在的扩展网络中。通过有缆无缆混合交叉站转发的方式，最终实现控制中心与任意一个采集设备间的通讯任务。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (5)

1.一种基于卫星设备的地震采集装备的混合通信系统，其特征在于：包括ARM处理器(1)和线缆微控制器(2)，所述ARM处理器(1)的双向端口通过无线收发器(5)与线缆微控制器(2)相连接，所述线缆微控制器(2)的电源端与电源管理单元(4)相连接，所述电源管理单元(4)的输出端分别连接有通讯单元(100)和GPS模块(101)，所述通讯单元(100)通过SPI接口(102)与ARM处理器(1)相连接，所述GPS模块(101)的控制端通过UART接口(103)与ARM处理器(1)相连接，所述ARM处理器(1)的地址总线与地震数据采集单元(104)相连接，所述地震数据采集单元(104)的内部设置有数据采集卡(105)，所述地震数据采集单元(104)的数据总线反馈连接到ARM处理器(1)的控制端，所述线缆微控制器(2)的信号端通过USB接口(200)与WIFI接口(201)和以太网接口(202)相连接，所述线缆微控制器(2)的输出端通过地址总线与同步单元(203)相连接，所述同步单元(203)的内部设置有时钟控制模块(204)，所述时钟控制模块(204)的时钟端与锁相环(205)相连接，所述同步单元(203)的数据总线线缆微控制器(2)相连接；
所述线缆微控制器(2)的电源端与电源管理单元 (4)相连接，所述电源管理单元 (4)的输出端还连接有地震数据采集单元(104)和同步单元(203)；
所述通讯单元(100)包括控制板接口(106)和电压转换电路(107)，所述控制板接口(106)的输出端通电压转换电路(107)与PCI-E接口(108)相连接，所述控制板接口(106)的数据端直接与PCI-E接口(108)相连接，所述PCI-E接口(108)的输出端通过控制线与LED显示模块(109)相连接，所述PCI-E接口(108)的通信端口与SIM卡接口(110)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于卫星设备的地震采集装备的混合通信系统，其特征在于：所述ARM处理器(1)的输出端还通过无线收发器(5 )与无线路由器(7)相连接，所述无线路由器(7)的输出端与服务器(8)相连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于卫星设备的地震采集装备的混合通信系统，其特征在于：所述服务器(8)的数据端与数据库(9)相连接，所述数据库(9)采用交互式数据通信结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于卫星设备的地震采集装备的混合通信系统，其特征在于：所述ARM处理器(1)的通信端口还通过RS232接口(111)与人机交互模块(112)相连接，所述人机交互模块(112)的输出端与系统控制PC端(3)相连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于卫星设备的地震采集装备的混合通信系统，其特征在于：所述系统控制PC端(3)采用Linux内核结构，在系统控制PC端(3)设置有拨号连网模块(300)、USB调制解调驱动模块(301)和采集设备驱动模块(302)。
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