CN111399033A - 一种流式并发采样地震采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地球物理测量领域，具体涉及一种流式并发采样地震采集器，包括：MCU，与分别与MCU相连接的交互单元和模数转换模块ADS，还包括与ADS相连接的检波器。上述地震采集器，具有采集通道多，可并发实现多采样率，同时实现功耗低，一体化，高集成等优点，其在原有一体化地震采集器的基础上采用流式并发采样设计架构，并结合具体的软件算法实现低成本地震数据采集。
Description
技术领域
本发明涉及地球物理测量领域，尤其涉及一种流式并发采样地震采集器。
背景技术
在地球物理领域，地震波是反演地下结构的重要方式，人们可以利用观测到的天然地震的地震波进行地壳结构的反演，也可以追踪地震震源和地震评估，同时也可以采集人工地震产出的地震信号，来进行不同深度的地质结构反演，实现采空区查勘，矿产油气资源勘查，压裂监测等不同工程需求。因此及时高效的采集地震波信号是是地震领域甚至是地球物理领域非常重要的应用需求，对于现在的地震采集器，可分为两种类型，一种是分体式的地震采集器，其分别地震数采单元和地震检波器，地震数采单元优点是可接不通的地震检波器，采集不同的地震信号，大多数的地震采集单元可配置成可同时采集多个通道，同时每个通道可配置成不同的采集率，缺点是一方面由于需要进行多个采样率的多个数据流采集，其用的采集的采集芯片比较多，因此功耗比较高，另外也造成了成本比较高，因此售价昂贵，另一方面，由于其分体式结构，其使用较为繁琐，并不利于大规模布设；另外一种地震采集器是一体化的地震采集器，其集成了地震数采单元和地震检波器，其可以实现数采单元和地震检波器的一体化，其优点为弥补了分体式地震采集器的缺点，实现了其功耗较低，成本低的缺点，但缺点是由于其一体化的设计，其电池需要给数据采集单元和检波器供电，同时为了兼顾可用性，其外部尺寸不可做太大，进而进一步限制了电池的容量，因此其在设计时考虑在其功耗和尺寸的制约因素，同时为了进一步降低成本，其采用的处理器和模数转换器均采用精简设计，因此其缺点是只能设置单一或三向通道，每个通道实现单一采样率采集，不能实现每个通道多个数据流采集。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了流式并发采样地震采集器，以解决上述问题中的至少一个。
本发明提供了一种流式并发采样地震采集器，包括：MCU，与分别与MCU相连接的交互单元和模数转换模块ADS，还包括与ADS相连接的检波器；
所述检波器用于检测地震波的模拟信号，所述ADS用于将所述模拟信号转换为数字信号；
所述MCU用于读取所述数字信号，根据指示将所述数字信号进行不同的并发采样处理，并将处理后的数据按指定格式进行存储；
所述数字信号在被所述MCU读取之前被分成多个数据流，其中一路数据流被所述MCU进行相应的处理，其他路数据流根据用户配置的并发系数进行抽取分流后，再经所述MCU进行处理；
所述交互单元包括多个与所述MCU配合使用的交互端口，用于实现与外部用户的信息流和数据流的交互。
可选地，所述地震采集器还包括与所述MCU连接的电源管理模块和存储单元。
所述电源管理模块包括稳压整流模块和充电模块，用于为其他模块提供电源供给；所述存储模块用于存储MCU处理的数据。
可选地，所述数字信号在被所述MCU读取之前被分成4个数据流分支，其中，数据流1为原始数据流，直接被MCU处理。
数据流2-4为用户配置的并发数据流，根据用户配置的抽取系数进行信号抽取，然后分别汇入到软件处理的下一个处理模块。
可选地，所述MCU处理不同路的数据流时，采用并发中断处理算法，中断优先级设置为较高优先级。
可选地，所述并发中断处理算法表述如下：
控制不同路数据流的采集处于同步状态；
打开第一定时器，设置其时间间隔为半个采样间隔的时间，设置所述第一定时器为到时终端模式；
当中断发生后关闭所述第一定时器的中断，打开第二定时器中断，设置第二定时器的中断优先级为较高，时间间隔为1个采样间隔。
可选地，所述检波器为地震检波器。
可选地，所述检波器为动圈式检波器。
可选地，所述模数转换模块ADS中模数转换芯片为ADS1251。
可选地，所述数据流2-4在进行信号抽取之前，通过前置滤波器进行滤波处理。
可选地，所述前置滤波器进行滤波时采用快速FIR滤波算法。
本申请提供的流式并发采样地震采集器，具有采集通道多，可并发实现多采样率，同时实现功耗低，一体化，高集成等优点，其在原有一体化地震采集器的基础上采用流式并发采样设计架构，并结合具体的软件算法实现低成本地震数据采集。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明提供的流式并发采样地震采集器的结构框图；
图2为本发明实施例提供的流式并发采样地震采集器进行数据处理过程的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
实施例一
本发明实施例提供了一种流式并发采样低成本地震采集器其系统其包括系统硬件结构设计，如图1所示包括：
ADS-模数转换模块，电源管理模块，存储单元模块，交互单元模块，MCU-嵌入式微处理器。其具体表述为，检波器为地震检波器，可选用不同类型的检波器，有动圈检波器，电容换能检波器等；ADS-模数转换模块，其包括必要的模拟运放部分，模拟滤波器，模数转换芯片等，其可实现地震检波器的模拟信号到数字信号的量化转换。
电源管理模块，电源管理模块包括必要的稳压整流模块，充电模块等，其可给其他模块提供其必要所需的电源供给。交互单元，其包括跟MCU配套的必要的交互端口，包括串口，网络交互模块等，其包含必要的芯片模组，实现与外部用户的信息流以及数据流的交互；存储单元，其主要作用是将采集到的数据流按照不同的数据格式进行数据存储，包含必要的存储硬件，如存储介质，MCU与存储器的桥接模组等。
MCU-嵌入式微处理器，以下简称为MCU,此部分为该仪器中非常重要的硬件部分，其作用是整个仪器的核心单元，其将ADS转换完成的数字信号通过一定的接口将数据流读入，并且进行不同的并发采样处理，处理后将数据流按照所需要的存储格式进行压缩打包，后将数据通过存储接口存储到存储单元中，在此期间，还需要与交互单元协同，接收外部用户发来的交互指令，后根据不同的交互指令返回相应的交互数据，完成与外部的数据流交互，同时其核心的并发采用处理算法也在此MCU中实现，因此是实现仪器软件功能的必要条件，同时，需要在实现其软硬件功能的前提下，尽可能的降低功耗，因此就需要在有限的主频条件下完成尽可能多的任务处理。
如图2所示，上述地震采集器进行数据处理时，软件结构包括原始数据流模块，半带滤波器模组，数据抽取部分，数据流处理模组，实时波形模组，数据存储模组。
首先，地震振动信号通过地震检波器的检波后将振动的物理量转换为模拟信号，模拟信号经过ADS-模数转换模块转换为相应的数字信号，数字信号在此软件结构设计图中表述为原始数据流模块，其输入的即为从ADS采集的原始数字数据流。原始数据流经过用户的需求分为四个数据流分支，其分别为数据流1，数据流2，数据流3，数据流4，数据流1位原始数据流，其不需要任何软件处理即可输送到下一软件处理模块，数据流2到数据流4为用户配置的并发数据流，其可根据用户配置的并发系数进行抽取分流。数据流在经过用户配置的数据流2到数据流4时，需要根据用户配置的抽取系数，由前置滤波器进行前置滤波，其作用为抗混叠滤波，防止在做信号抽取时造成的频谱混叠。数据流2到数据流4的数据抽取，数据流根据用户配置进行信号抽取，其抽取系数由用户的配置确定，信号经过抽取以后分别汇入到软件处理的下一个处理模块。然后，数据流汇集到数据流处理模块进行数据流汇集，汇集后分别对应实时波形模组与数据存储模组，其分别按照不同的用户需求进行实时波形数据分发，以及数据存储数据流分发。实时波形模组主要通过标志位处理用户的交互请求，其将实时波形的数据根据用户的需求分发到不同的交互单元。数据存储模块包括与存储介质的接口以及文件格式的接口部分，其根据不同的文件系统将数据流存储为有效的文件，存储到存储介质上。
进一步的，对于原始数据流的处理采取并发中断处理算法，其中断优先级设置为较高优先级，保证在原始数据流处理能在下一个采样点之前完成，由于许多ADS-模数转换器没有供MCU采用的中断激发信号，现将其并发中断处理算法表述如下：1同步不同的采集通道，使不同的采集通道处于同步状态；2使能采集激发信号，使采集处于激发状态；3打开定时器TIMER1,并设置TIMER1的时间间隔为半个采样间隔的时间，设置定时器TIMER1为到时中断模式；4等待TIMER1的到时中断，当中断发生后关闭TIMER1中断，同时打开TIMER2中断，设置TIMER2的中断优先级为较高，后设置其定时器的时间间隔为1个采样间隔，且定时器在计时单元在其中断后自动复位；5在TIMER2的中断中完成原始数据流的读取操作，由于其中断发生在开启采集后的半个采样点间隔时刻，因此在数据读取时刻ADS数据已经准备好且有足够的时间来进行原始数据流的处理。
进一步的，对于前置滤波器采用快速FIR滤波算法，由于FIR的对称性已经快速FIR算法的精简性，可进一步的降低运算复杂度，其运算规则可结合后续的抽取系数进行优化计算，将数据抽取至数据流2到数据流4的数据流中。
进一步的，对于数据流处理单元，采用基于状态机和优先级标志位的流程处理算法，由于其数据流均已在中断中做了滤波和抽取，并根据其不同的抽取系数做了数据分流，分流后的数据已存储到缓存中，因此对于实时波形和数据存储的接口任务，其时效性并非紧急，但需要做到对应接口的可靠性，对于此项需求，其基于状态机和优先级标志位的流程处理算法表述如下：1，对于实时波形的接口请求采取中断接收模式，由于其实时波形的请求指令为上行指令，其数据流小，但时效性要求较高，因此可设置其为接收中断，中断优先级略低于上述原始数据流接收中断；2，在其接收中断中对接收到的数据进行规则检查，对于不符合规则的数据流指令进行舍弃，对于符合规则的交互指令转到交互指令判定状态机；3，在交互指令判定状态机对不同的指令进行分支处理，按照不同的指令类型设置指令标志位；4，在主循环中对不同的交互指令的进行优先级编码，按照不同的优先级在主循环中对其进行不同的处理。
进一步的，对于数据存储任务单元，采用双缓存加状态机的流程处理算法，对于其算法表述如下：1，开辟两个缓存区，BUF1,BUF2,其缓存区的大小与MCU的内存大小与数据存储数据间隔有关系，时间间隔越长，其所需的开辟的缓存区越大；2，数据流采用先进后出的规则压入到缓存区，当BUF1满时，将数据存储指针指到BUF2的头位置，此时设置缓存区满的标志位，同时将BUF1的头位置幅值给数据存储指针变量；3，在主循环中处理数据存储任务，根据数据存储指针变量和存储大小对数据进行数据存储；4，当数据压入到缓存区BUF2满时，此时将数据存储指针指导BUF1的头位置，此时设置缓存区满标志位，同时将BUF2的头位置幅值给数据存储指针变量；5，在主循环中处理数据存储任务，根据数据存储指针变量和存储大小对数据进行数据存储，同时返回到状态2；
实施例二：
下面结合另一具体例子对上述过程进行说明。
如图1所示，所提供的地震采集器包括动圈式检波器，ADS-模数转换模块，电源管理模块，存储单元模块，交互单元模块，MCU-嵌入式微处理器。
上述动圈式检波器不需要复杂的调制解调电路，体积小，有利于一体化集成。
ADS-模数转换模块，包括运放模块，模拟滤波器，模数转换芯片等，在此实例中，运放模块选用OPA188以及其他配套运发单元，模拟滤波部分采用RC滤波单元以及放大器组成的模拟滤波单元。
模数转换芯片选用ADS1251，其优点是改模数转换芯片可根据提供的不同的震荡频率输出不同的采样率的数据，因此可以产生各种用户需要的1000以下的任意采样率，另外其芯片功耗小，成本低，适合一体化集成。
电源管理模块的稳压整流模块采用由MP1584降压模块以及其他的整流桥组成的电路，充电模块采用TP5100组成的充电管理电路，其可实现充电整流，充电状态显示等不同的功能。
串口交互单元采用MAX3221及其附属芯片组成的串口电平变化桥接电路，可实现串口的电平转换，网络部分选用由DP83848和HR911105A组成的网络驱动芯片，完成网络信号以及电平转换。存储单元，如存储介质，MCU与存储器的桥接模组等，在此选用闪迪的64GTF卡以及开关与电源整流部分组成的存储电路。
MCU，选用STM32F207作为嵌入式微处理器，其运行主频可达120M,128K的内嵌SRAM,1M的片内闪存，且有更低的动态功耗表现，且在相同条件下，其成本较低。
进一步的，一种流式并发采样低成本地震采集器其系统其包括系统软件结构设计，如图2所示，其软件结构包括原始数据流模块，半带滤波器模组，数据抽取部分，数据流处理模组，实时波形模组，数据存储模组，其具体表述为：1，地震振动信号通过地震检波器的检波后将振动的物理量转换为模拟信号，模拟信号经过ADS-模数转换模块转换为相应的数字信号，数字信号在此软件结构设计图中表述为原始数据流模块，其输入的即为从ADS采集的原始数字数据流，在此实例中，原始数据流从AD1251中读取，其原始数据流的采用频率为用户设置的最高采样率；2原始数据流经过用户的需求分为四个数据流分支，其分别为数据流1，数据流2，数据流3，数据流4，数据流1位原始数据流，其不需要任何软件处理即可输送到下一软件处理模块，数据流2到数据流4为用户配置的并发数据流，其可根据用户配置的并发系数进行抽取分流，在此实例中，数据流1为用户配置的最高采样率，在此用户配置的最高采样率为800，因此其数据流1的采样率为800，数据流2用户配置为400，数据流3用户配置为200，数据流4用户配置为100；3，数据流在经过用户配置的数据流2到数据流4时，需要根据用户配置的抽取系数，由前置滤波器进行前置滤波，其作用为抗混叠滤波，防止在做信号抽取时造成的频谱混叠，在此实例中由于数据流2的配置采样率为数据流1的一半，数据流3位数据流2的一半，数据流4为数据流3的一半，因此其前置滤波器1，前置滤波器2，前置滤波器3的滤波系数均设置为半带滤波；4，数据流2到数据流4的数据抽取，数据流根据用户配置进行信号抽取，其抽取系数由用户的配置确定，信号经过抽取以后分别汇入到软件处理的下一个处理模块，在此实例中，由于上述数据流之间的采样率关系，去抽取系数分别为二抽一处理；5，数据流汇集到数据流处理模块进行数据流汇集，汇集后分别对应实时波形模组与数据存储模组，其分别按照不同的用户需求进行实时波形数据分发，以及数据存储数据流分发，在此实例中，汇集后的数据处理模块采用基于中断和状态机结合的方式，有效处理各种任务；6实时波形模组主要通过标志位处理用户的交互请求，其将实时波形的数据根据用户的需求分发到不同的交互单元，在此实例中，交互请求主要通过串口或者网口，涉及到的主要指令包括实时波形发送指令，实时波形停止指令，实时波形数据指令；6数据存储模块包括与存储介质的接口以及文件格式的接口部分，其根据不同的文件系统将数据流存储为有效的文件，存储到存储介质上，在此实例中，文件系统选用的FAT32文件系统，文件软件驱动选用FATFS。
进一步的，对于原始数据流的处理采取并发中断处理算法，其中断优先级设置为较高优先级，保证在原始数据流处理能在下一个采样点之前完成，由于许多ADS-模数转换器没有供MCU采用的中断激发信号，现将其并发中断处理算法表述如下：1同步不同的采集通道，使不同的采集通道处于同步状态，在此实例中，不同的通道有三个通道，分别为垂直向，水平东西，水平南北三个分向的三个检波器的通道，在此同步此三个通道的采集；2使能采集激发信号，使采集处于激发状态，在此实例中，同步同步信号线拉低来同步开启采集，此时三个通道同时开启采集；3打开定时器TIMER1,并设置TIMER1的时间间隔为半个采样间隔的时间，设置定时器TIMER1为到时中断模式在此实例中，此TIMER1主要作用是延时半个采样率的时间间隔；4等待TIMER1的到时中断，当中断发生后关闭TIMER1中断，同时打开TIMER2中断，设置TIMER2的中断优先级为较高，后设置其定时器的时间间隔为1个采样间隔，且定时器在计时单元在其中断后自动复位，在此实例中，TIMER2主要作用实现采样率间隔的数据读取，完成数据读取的有效性；5在TIMER2的中断中完成原始数据流的读取操作，由于其中断发生在开启采集后的半个采样点间隔时刻，因此在数据读取时刻ADS数据已经准备好且有足够的时间来进行原始数据流的处理。
进一步的，对于前置滤波器采用快速FIR滤波算法，由于FIR的对称性已经快速FIR算法的精简性，可进一步的降低运算复杂度，其运算规则可结合后续的抽取系数进行优化计算，将数据抽取至数据流2到数据流4的数据流中，在此实例中，前置滤波器采用64阶滤波器，带外压制大于80DB,且抽取为二抽一结合抽取运算可进一步减少运算量。
进一步的，对于数据流处理单元，采用基于状态机和优先级标志位的流程处理算法，由于其数据流均已在中断中做了滤波和抽取，并根据其不同的抽取系数做了数据分流，分流后的数据已存储到缓存中，因此对于实时波形和数据存储的接口任务，其时效性并非紧急，但需要做到对应接口的可靠性，对于此项需求，其基于状态机和优先级标志位的流程处理算法表述如下：1，对于实时波形的接口请求采取中断接收模式，由于其实时波形的请求指令为上行指令，其数据流小，但时效性要求较高，因此可设置其为接收中断，中断优先级略低于上述原始数据流接收中断，在此实例中实时波形接口主要涉及到串口接收中断和网络接收中断，在此设置的此两项的接收中断为相同，且小于数据流接收中断；2，在其接收中断中对接收到的数据进行规则检查，对于不符合规则的数据流指令进行舍弃，对于符合规则的交互指令转到交互指令判定状态机，在此实例中，对于其接收规则检查包括数据长度检查，数据完整性检查，指令集检查等；3，在交互指令判定状态机对不同的指令进行分支处理，按照不同的指令类型设置指令标志位，在此实例中指令处理采用分支处理语句，对有效的指令进行分支跳转，跳转到不同的操作；4，在主循环中对不同的交互指令的进行优先级编码，按照不同的优先级在主循环中对其进行不同的处理，在此实例中，对于实时数据流控制指令优先级较高，对于实时数据流指令优先级较低。
进一步的，对于数据存储任务单元，采用双缓存加状态机的流程处理算法，对于其算法表述如下：1，开辟两个缓存区，BUF1,BUF2,其缓存区的大小与MCU的内存大小与数据存储数据间隔有关系，时间间隔越长，其所需的开辟的缓存区越大，在此实例中，BUF1和BUF2的大小分别为16K,此缓存大小兼顾时间间隔和文件存储效率，为比较优化的选项；2，数据流采用先进后出的规则压入到缓存区，当BUF1满时，将数据存储指针指到BUF2的头位置，此时设置缓存区满的标志位，同时将BUF1的头位置幅值给数据存储指针变量，在此实例中，每个通道为24位，3个字节，三个通道一共9个字节；3，在主循环中处理数据存储任务，根据数据存储指针变量和存储大小对数据进行数据存储，在此实例中，每次存储一次存储16K到存储单元中；4，当数据压入到缓存区BUF2满时，此时将数据存储指针指导BUF1的头位置，此时设置缓存区满标志位，同时将BUF2的头位置幅值给数据存储指针变量；5，在主循环中处理数据存储任务，根据数据存储指针变量和存储大小对数据进行数据存储，同时返回到状态2；在此实例中BUF1和BUF2循环使用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种流式并发采样地震采集器，其特征在于，包括：MCU，与分别与MCU相连接的交互单元和模数转换模块ADS，还包括与ADS相连接的检波器；
所述检波器用于检测地震波的模拟信号，所述ADS用于将所述模拟信号转换为数字信号；
所述MCU用于读取所述数字信号，根据指示将所述数字信号进行不同的并发采样处理，并将处理后的数据按指定格式进行存储；
所述数字信号在被所述MCU读取之前被分成多个数据流，其中一路数据流被所述MCU进行相应的处理，其他路数据流根据用户配置的并发系数进行抽取分流后，再经所述MCU进行处理；
所述交互单元包括多个与所述MCU配合使用的交互端口，用于实现与外部用户的信息流和数据流的交互。
2.根据权利要求1所述的流式并发采样地震采集器，其特征在于，所述地震采集器还包括与所述MCU连接的电源管理模块和存储单元；
所述电源管理模块包括稳压整流模块和充电模块，用于为其他模块提供电源供给；所述存储模块用于存储MCU处理的数据。
3.根据权利要求1所述的流式并发采样地震采集器，其特征在于，所述数字信号在被所述MCU读取之前被分成4个数据流分支，其中，数据流1为原始数据流，直接被MCU处理；
数据流2-4为用户配置的并发数据流，根据用户配置的抽取系数进行信号抽取，然后分别汇入到软件处理的下一个处理模块。
4.根据权利要求3所述的流式并发采样地震采集器，其特征在于，所述MCU处理不同路的数据流时，采用并发中断处理算法，中断优先级设置为较高优先级。
5.根据权利要求4所述的流式并发采样地震采集器，其特征在于，所述并发中断处理算法表述如下：
控制不同路数据流的采集处于同步状态；
打开第一定时器，设置其时间间隔为半个采样间隔的时间，设置所述第一定时器为到时终端模式；
当中断发生后关闭所述第一定时器的中断，打开第二定时器中断，设置第二定时器的中断优先级为较高，时间间隔为1个采样间隔。
6.根据权利要求3所述的流式并发采样地震采集器，其特征在于，所述检波器为地震检波器。
7.根据权利要求6所述的流式并发采样地震采集器，其特征在于，所述检波器为动圈式检波器。
8.根据权利要求3所述的流式并发采样地震采集器，其特征在于，所述模数转换模块ADS中模数转换芯片为ADS1251。
9.根据权利要求3所述的流式并发采样地震采集器，其特征在于，所述数据流2-4在进行信号抽取之前，通过前置滤波器进行滤波处理。
10.根据权利要求9所述的流式并发采样地震采集器，其特征在于，所述前置滤波器进行滤波时采用快速FIR滤波算法。
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