CN112904429B - 易于拓展可灵活配置的海洋地震勘探拖缆模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种易于拓展可灵活配置的海洋地震勘探拖缆模拟系统及方法，包括：室内系统、计算机和模拟系统电路板；模拟系统电路板包括：接口模块、单缆模拟模块和功能检验模块；单缆模拟模块包括：数据生成模块、可调的系统结构模拟模块、系统结构参数表、命令解析模块、各级数据帧后处理模块和错误模拟模块；本发明解决了拖缆模拟系统结构固定，无法控制与处理特定节点数据，出错模拟不全面的问题，灵活地调整模拟系统的拓扑结构与各层次的节点规模，适应拖缆DAQ系统不断升级的需求，模拟多种错误情况，最终功能更加全面，更有效地模拟拖缆DAQ系统完成与室内系统的联调。

Description

易于拓展可灵活配置的海洋地震勘探拖缆模拟系统及方法

技术领域

本发明涉及一种易于拓展可灵活配置的海洋地震勘探拖缆模拟系统及方法，属于海洋地震勘探拖缆技术领域。

背景技术

我国自主研发的用于海洋地震勘探领域的拖缆系统正在稳步发展，缆长可达15km，单缆最多支持2400个数据采集通道，可工作在2ksps采样率下每通道采集24bits数据。随着数据率的提升，对DAQ系统的设计也提出了更高的要求。但拖缆系统结构复杂，造价昂贵，因此在系统联合调试阶段需要使用模拟系统来替代。

在早期的拖缆模拟系统中，模拟器单板被集成在一个Compact PCI机箱中，各板采用ROM预存波形的方式模拟初至波、测试波等波形，通过读取状态表对原始数据做后处理(幅度缩放，叠加噪声)。另一种基于对拖缆系统拆分设计的拖缆模拟系统，将工作站存储的数据源按照数据获取系统的数据流进行反向拆分，从而得到时间与空间上具有相关性的数据。

现有的拖缆模拟系统，是针对拖缆系统完全定制的，而随着拖缆系统的不断升级，模拟系统的生命周期将会缩短。在被模拟的系统非常庞大的情况下，仅用单块FPGA的资源，使用逆系统的设计方式，难以实现底层采集通道级别的控制与后处理。现有的模拟系统，仅靠对当前发送的数据叠加或替换为噪声，难以完全地模拟拖缆系统中各种出错的情形。

因此需要设计一种，在资源有限的情况下，能够具有更长的生命周期，更全面的功能，且更符合拖缆DAQ系统特征的拖缆数据模拟系统。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种易于拓展可灵活配置的海洋地震勘探拖缆模拟系统及方法，解决了拖缆模拟系统结构固定，无法控制与处理特定节点数据，出错模拟不全面的问题，可以灵活地调整模拟系统的拓扑结构与各层次的节点规模，适应拖缆DAQ系统不断升级的需求；使用基于DDS的地址计算串行产生底层数据，读写RAM实现系统内局部命令的转发与解析，实现对局部数据帧的后处理；分析并模拟了多种出错情况反映在系统接口处的表现；能够灵活调整结构与规模，控制和处理特定节点数据，模拟多种错误情况，最终功能更加全面，更有效地模拟拖缆DAQ系统完成与室内系统的联调。

本发明技术解决方案：一种易于拓展可灵活配置的海洋地震勘探拖缆模拟系统，如图1所示，包括：模拟系统电路板、室内系统和计算机；

模拟系统电路板包括：接口模块、单缆模拟模块和功能检验模块，这些模块基于板内的一块FPGA芯片设计相应的功能电路，并利用电路板上的接口芯片实现数据传输；

所述接口模块，包括多个全双工的光纤或电接口，接口数量与拖缆DAQ系统中拖缆的个数相同，通过FPGA中的数千兆收发器驱动，每一路接口承担单个单缆模拟模块与室内系统或功能检验模块之间数据和命令的双向传输任务，该模块的连接可以配置；接收来自室内系统或功能检验模块的命令送至单缆模拟模块，同时接收单缆模拟模块产生的数据帧送至室内系统或功能检验模块；

所述单缆模拟模块，受电路板中传输接口资源限制，模块数量与接口数量相同，每个单缆模拟模块负责模拟拖缆DAQ系统中单条拖缆内部的行为，包括数据帧的产生、逐级合并、命令的解析、各级数据帧的后处理和错误模拟，该模块可以配置模拟不同的系统拓扑结构；通过接口模块接收命令，将模拟出的数据帧发送给接口模块；

所述功能检验模块，配置与某一个单缆模拟模块直接通过接口模块相连，用于检验该单缆模拟模块响应命令与产生数据功能、接口模块命令与数据传输功能，可配置该模块模拟室内系统产生命令，通过JTAG接收计算机的控制信号，在计算机的控制下对数据帧拆分和解包，并将拆分和解包后的数据送至计算机软件显示；并将产生的命令送至接口模块，同时接收接口模块发送的数据帧；

室内系统，用于配合模拟系统电路板完成联调，通过接口模块对单缆模拟模块发送控制命令，并接收单缆模拟模块发送的数据帧；

计算机，用于控制功能检验模块产生调试所需的命令，并显示接收到的数据，通过JTAG控制功能检验模块，接收功能检验模块通过JTAG发送的数据。

如图2所示，单缆模拟模块包括：数据生成模块、可调的系统结构模拟模块、系统结构参数表、命令解析模块、各级数据帧后处理模块和错误模拟模块；

数据生成模块，在直接频率综合方法的基础上，加入地址计算算法，从由命令指定的某一种波形表中，按照数据传输协议规定的顺序，串行地取出每个通道、每次采样的数据，与地址一起组成数据帧，随后在同一条总线上输出；数据生成模块受错误模拟模块的控制；根据系统结构参数表确定数据串行地产生的顺序；将数据帧输出至可调的系统结构模拟模块；接收命令解析模块输出的命令；

所述地址计算算法是指通过确定各通道采集波形在时间和空间上的变化规律，即某通道在某次采样获得的数据在波形表中的地址是确定的，从而得到具有时间、空间相关性的数据；

可调的系统结构模拟模块，模拟由总线型和星型复合的拖缆DAQ系统中数据帧的逐级合并过程；该模块接收来自数据生成模块生成的数据帧和各级数据帧后处理模块处理后的数据帧；根据系统结构参数表确定合并的次数和各级规模；将数据帧和帧地址送至各级数据帧后处理模块处理；将最后一级合并后的数据帧输出至接口模块；

命令解析模块，在RAM中按照命令转发地址存取局部命令，使用寄存器存取全局命令，模拟命令的转发与解析；命令解析模块将全局命令解析到数据生成模块与错误模拟模块；根据由各级数据帧后处理模块输入的地址，在RAM中取出对应的局部命令，解析到各级数据帧后处理模块；

各级数据帧后处理模块，受局部命令的控制，对各级合并后的数据帧进行处理。数据帧的处理包括叠加噪声、出错模拟、叠加增益；从可调的系统结构模拟模块中取出数据帧和帧地址，处理完成后将数据帧归还；向命令解析模块输出帧地址，取出其解析的命令；该模块受到错误模拟模块控制；

错误模拟模块，受命令控制模拟源数据出错、传输误码以及数据源或链路断开三种情况；设计该模块时提取上述出错情况导致数据帧在被模拟的拖缆DAQ系统中的接口模块输出时，相较正常的数据帧在长度、顺序和数据上的偏差，并对这种偏差进行模拟；该模块接收命令解析模块解析的全局命令；控制数据生成模块和各级后处理模块产生错误；

系统结构参数表，为确定的一组参数，用来描述被模拟的拖缆DAQ系统的结构层次和规模，根据系统结构参数表，数据生成模块计算确定数据串行产生的顺序；系统结构参数表确定的具体结构层次和规模参数，指导可调的系统结构模拟模块实际完成各级数据帧的合并。

所述可调的系统结构模拟模块中，对总线型与星型的拓扑结构下，数据帧的合并采用相同的方式，数据帧的合并方式基于由数据传输协议提供的多路输入合并为一路输出的标准模块；该模块将串行输入的数据帧按照空间地址分发到标准模块的各个输入端口，进行一次合并，每一级的数据帧合并共用一个标准模块分多次完成。

所述可调的系统结构模拟模块中，根据系统结构参数表确定数据帧需要经过几次合并，以及各级需要合并的节点规模，根据不同的系统结构参数表，实现模拟不同结构层次与规模的拖缆DAQ系统的需求。

所述命令解析模块中，模拟命令的转发的方法是：根据命令的转发地址，判断该命令作用在拖缆系统中的节点范围，将全局命令存储于全局寄存器当中，将局部命令的作用范围折算到RAM中对应的地址并存储。

所述命令解析模块中，命令的解析方式是：各模块对于全局命令的解析，将全局寄存器中的命令按命令类型解析到对应的模块；对于局部命令，根据各级数据帧后处理模块给出的地址，到RAM中取出相应的命令值，输出给各级数据帧后处理模块，完成解析。

所述各级数据帧后处理模块中，同一级各数据帧的后处理采用流水线的方式，根据帧地址取出局部命令、叠加噪声、出错模拟和叠加增益分为四个进程并行地执行。

本发明的一种易于拓展可灵活配置的海洋地震勘探拖缆模拟的实现方法，步骤如下：

(1)确定模拟的拖缆DAQ系统的拓扑结构，根据数据帧的需要合并的次数和各级合并的节点规模，确定系统结构参数表的内容；

(2)控制室内系统或功能检验模块产生控制拖缆模拟的命令，通过接口模块发送给单缆模拟模块，具体包含以下步骤：

步骤2.1：确定需要模拟的出错情况种类、频率和需要出错的节点空间位置，进而确定相应的出错模拟命令和转发地址；

步骤2.2：如果需要检验单缆模拟模块响应命令与产生数据功能、接口模块命令与数据传输功能，通过计算机控制功能检验模块将命令通过接口模块发送到单缆模拟模块中的命令解析模块；否则，操控室内系统发送命令；

(3)命令解析模块将接收到的全局命令存储于全局寄存器中并将其解析到数据生成模块和错误模拟模块中，将局部命令的作用范围折算到RAM中对应的地址并存储；

(4)错误模拟模块根据解析的命令向数据生成模块和各级数据帧后处理模块输出随机噪声和错误产生的控制信号；

(5)数据生成模块按协议规定的顺序，串行地从波形表中取出每个通道、每次采样的数据，按协议组帧，输出给可调的系统结构模拟模块；同时根据错误模拟模块输出的随机噪声和错误产生的控制信号，将数据随机地替换为随机噪声；

(6)可调的系统结构模拟模块根据系统结构参数表，将接收到的数据帧逐级合并，并将合并后的数据帧在各级数据帧后处理模块中叠加处理，最终通过接口模块输出，具体包含以下步骤：

步骤6.1：可调的系统结构模拟模块根据系统结构参数表，在内部生成数据帧多级合并的结构；

步骤6.2：将从数据生成模块接收到的数据帧进行一级合并，输出给各级数据帧后处理模块；

步骤6.3：各级数据帧后处理模块将接收到的数据帧提取其地址，确定下一个被处理的数据帧地址，输出到命令解析模块解析对应的局部命令，根据已经取回的、对应当前数据帧的命令处理数据帧，并输出给可调的系统结构模拟模块；

步骤6.4：可调的系统结构模拟模块从各级数据中后处理模块接收数据帧，并进行下一级合并，再次输出给各级数据帧后处理模块，重复步骤6.3，直到数据帧合并到最后一级；

步骤6.5：将合并到最后一级的数据帧直接输出到接口模块；

(7)如果需要检验系统各模块功能，将数据帧由接口模块传输至功能检验模块，拆分、解包后获得数据通过JTAG传输给计算机显示；否则，将数据帧传输至室内系统，完成模拟系统电路板和室内系统的联调。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明可以灵活配置模拟的拖缆DAQ系统的拓扑结构和接口的连接，现有的拖缆模拟器是为固定结构的拖缆DAQ系统定制的，不可调整。因此本发明可以满足拖缆DAQ系统升级后的数据模拟需求，易于拓展，具有更长的生命周期。

(2)本发明采用数据帧逐级合并的方式，相比直接模拟顶层数据帧的方式，可以灵活地对局部数据进行处理；而采用同一级数据帧合并分多次完成的方法，相比逆系统设计，节省了FPGA资源，仅需使用一个FPGA即可实现。

(3)本发明将局部命令按地址存储于RAM中，来替代命令节点的转发，可以用少量的资源替代数量庞大的命令转发和解析模块，能够控制和处理系统中任意范围的数据帧。针对全局命令和局部命令按不同方式解析，使全局命令解析更快，而局部命令可以解析到被模拟的拖缆DAQ系统中任意地址范围。而以往的技术仅支持全局命令解析。

(4)本发明能够模拟源数据出错、传输误码和数据源或链路断开这三种出错情况，从而更全面地验证室内系统对于错误情况的响应，现有技术仅能简单地对数据叠加噪声。

附图说明

图1为本发明的模拟系统电路板的结构与连接；

图2为单缆模拟模块的结构；

图3为数据生成模块的实现示意图；

图4为实际拖缆系统中的数据帧的合并过程；

图5为根据系统参数确定各级合并地址范围；

图6为局部命令在RAM中存储地址规则；

图7为数据帧逐级合并与后处理流程；

图8为传输出错情况下的数据帧；

图9为数据断开情况下的数据帧。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明为一种易于拓展可灵活配置的海洋地震勘探拖缆模拟系统包括：模拟系统电路板、室内系统和计算机；

模拟系统电路板包括：接口模块、单缆模拟模块和功能检验模块，这些模块基于板内的一块FPGA芯片设计相应的功能电路，并利用电路板上的接口芯片实现数据传输；

所述接口模块，包括多个全双工的光纤或电接口，接口数量与拖缆DAQ系统中拖缆的个数相同，通过FPGA中的数千兆收发器驱动，每一路接口承担单个单缆模拟模块与室内系统或功能检验模块之间数据和命令的双向传输任务，该模块的连接可以配置；接收来自室内系统或功能检验模块的命令送至单缆模拟模块，同时接收单缆模拟模块产生的数据帧送至室内系统或功能检验模块；所述的数千兆收发器基于FPGA中提供的固核，配置传输速率、单双工工作模式和接口数量后即可直接使用。所述的模块的连接可以配置是指，在验证拖缆模拟系统是否正确工作时，可配置接口模块将1个单缆模拟模块与功能检验模块相连；

所述单缆模拟模块，模块数量与接口数量相同，每个单缆模拟模块负责模拟拖缆DAQ系统中单条拖缆内部的行为，包括数据帧的产生、逐级合并、命令的解析、各级数据帧的后处理和错误模拟，该模块可以配置模拟不同的系统拓扑结构；通过接口模块接收命令，将模拟出的数据帧发送给接口模块；

所述功能检验模块，配置与某一个单缆模拟模块直接通过接口模块相连，用于检验该单缆模拟模块响应命令与产生数据功能、接口模块命令与数据传输功能，可配置该模块模拟室内系统产生命令，通过JTAG接收计算机的控制信号，在计算机的控制下对数据帧拆分和解包，并将拆分和解包后的数据送至计算机软件显示；并将产生的命令送至接口模块，同时接收接口模块发送的数据帧；

所述拆分是指同一个通道产生的一段时间内的数据在该模块接收到的数据帧中是等间隔分布的，其间隔与数据帧的合并次数和规模有关，在模块设计时，可以计算出这个间隔，使该模块按这个间隔提取，即可简单地形成单个采集通道数据帧；所述解包是指将协议开销取出，仅保留数据载荷；

室内系统，用于配合模拟系统电路板完成联调，通过接口模块对单缆模拟模块发送控制命令，并接收单缆模拟模块发送的数据帧；

计算机，用于控制功能检验模块产生调试所需的命令，并显示接收到的数据，以表现功能检验模块的检验结果；计算机通过JTAG控制功能检验模块，具体包括：读取ROM中存放的各种调试命令，并由功能检验模块通过接口模块将命令送至单缆模拟模块；计算机接收功能检验模块通过JTAG发送的经过拆分、解包后的裸数据，在调试软件中实时显示。

如图2所示，单缆模拟模块包括：数据生成模块、可调的系统结构模拟模块、系统结构参数表、命令解析模块、各级数据帧后处理模块和错误模拟模块；

数据生成模块，如图3所示在直接频率综合方法的基础上，加入地址计算算法，从由命令指定的脉冲、正弦波、初至波中某一种波形表中，按照数据传输协议规定的顺序，串行地取出每个通道、每次采样的数据，与地址一起组成数据帧，随后在同一条总线上输出；数据生成模块受错误模拟模块的控制；根据系统结构参数表确定数据串行地产生的顺序；将数据帧输出至可调的系统结构模拟模块；接收命令解析模块输出的命令；

所述地址计算算法是指通过确定各通道采集波形在时间和空间上的变化规律，即某通道在某次采样获得的数据在波形表中的地址是确定的，从而得到具有时间、空间相关性的数据；

所述数据传输协议规定的顺序是指：首先根据系统结构参数表确定数据帧的各级合并的时间、空间地址边界；由于各级合并是分多次完成的，因此需要数据生成模块集中地提供一次合并所需的所有数据；按照时序产生这一级各次合并所需的所有数据后，递归到下一级合并，从而确定了数据产生的时间、空间地址的变化规律；

可调的系统结构模拟模块，模拟由总线型和星型复合的拖缆DAQ系统中数据帧的逐级合并过程；该模块接收来自数据生成模块生成的数据帧和各级数据帧后处理模块处理后的数据帧；根据系统结构参数表确定合并的次数和各级规模；将数据帧和帧地址送至各级数据帧后处理模块处理；将最后一级合并后的数据帧输出至接口模块；

命令解析模块，在RAM中按照命令转发地址存取局部命令，使用寄存器存取全局命令，模拟命令的转发与解析；命令解析模块将全局命令解析到数据生成模块与错误模拟模块；根据由各级数据帧后处理模块输入的地址，在RAM中取出对应的局部命令，解析到各级数据帧后处理模块；

各级数据帧后处理模块，受局部命令的控制，对各级合并后的数据帧进行处理，数据帧的处理包括叠加噪声、出错模拟、叠加增益；从可调的系统结构模拟模块中取出数据帧和帧地址，处理完成后将数据帧归还；向命令解析模块输出帧地址，取出其解析的命令；该模块受到错误模拟模块控制；

错误模拟模块，受命令控制模拟源数据出错、传输误码以及数据源或链路断开三种情况；设计该模块时提取上述出错情况导致数据帧在被模拟的拖缆DAQ系统中的接口模块输出时，相较正常的数据帧(在长度、顺序和数据上)的偏差，并对这种偏差进行模拟；该模块接收命令解析模块解析的全局命令；控制数据生成模块和各级后处理模块产生错误；

错误模拟模块中，所述相较正常的数据帧的偏差是指：数据在源端受辐照影响或传输误码时会造成随机数据错误，如图8中的A所示，表现为随机地选取某些数据，将其替换为随机数；部分采集通道失真时，由命令指定的通道产生的所有数据叠加额外的噪声；传输误码导致丢失或插入数据时，由于被模拟的拖缆DAQ系统中具有自动补齐数据帧长度的机制，会随机地选择某数据帧从随机的位置开始，所有数据都出错，具体表现为：丢失数据时，如图8中的B所示，从丢失的位置开始，后续数据错乱，且丢失的数据长度将在帧尾被补“0”；插入数据时，如图8中的C所示，从插入的位置开始，后续数据错乱，且插入的数据长度将在帧尾被丢弃；数据源或链路断开时，如图9所示，由于被模拟的拖缆DAQ系统会补全丢失的数据帧，会将丢失的数据帧替换为空帧，具体表现为：当源断开时，其对应空间地址下的所有数据帧被替换为空帧；当链路断开时，相同合并层级下，所有空间地址大于断开位置的数据帧被替换为空帧。

错误模拟模块中，对偏差进行模拟是指：错误模拟模块，使用线性反馈移位寄存器产生伪随机数序列来模拟随机噪声；使用产生的伪随机数与命令设定频率值相比较，输出错误产生的控制信号，来实现随机地选取数据或数据帧使其出错。具体来说，对表现为随机数据错误的模拟，在数据生成模块中，在每个数据产生时随机地将数据替换为模拟的随机噪声；对表现为某通道产生的所有数据叠加额外噪声的模拟，在各级数据帧后处理模块中，若与命令设置的出错地址相符，则该帧的所有数据载荷叠加随机噪声；对表现为随机地选取某数据帧从随机的位置开始，所有数据都出错的模拟，在各级数据帧后处理模块中，从随机的某时刻开始将当前处理的数据帧中数据替换为随机噪声，直至该帧帧尾；对将丢失的数据帧替换为空帧的模拟，在各级数据帧后处理模块中，随机地选取数据帧将其数据载荷全部丢弃，仅保留包含帧信息的帧头。

系统结构参数表，为确定的一组参数，用来描述被模拟的拖缆DAQ系统的结构层次和规模，根据系统结构参数表，数据生成模块计算确定数据串行产生的顺序；系统结构参数表确定的具体结构层次和规模参数，指导可调的系统结构模拟模块实际完成各级数据帧的合并。

所述可调的系统结构模拟模块中，对总线型与星型的拓扑结构下，数据帧的合并采用相同的方式，数据帧的合并方式基于由数据传输协议提供的多路输入合并为一路输出的标准模块；该模块将串行输入的数据帧按照空间地址分发到标准模块的各个输入端口，进行一次合并，每一级的数据帧合并共用一个标准模块分多次完成。

所述可调的系统结构模拟模块中，根据系统结构参数表确定数据帧需要经过几次合并，以及各级需要合并的节点规模，根据不同的系统结构参数表，实现模拟不同结构层次与规模的拖缆DAQ系统的需求。

所述命令解析模块中，模拟命令的转发的方法是：根据命令的转发地址，判断该命令作用在拖缆系统中的节点范围，将全局命令存储于全局寄存器当中，将局部命令的作用范围折算到RAM中对应的地址并存储，其中，全局命令主要包含数据产生流程控制和错误模拟参数配置，局部命令主要为各级数据帧的后处理命令。

如图6所示，将局部命令的作用范围折算到RAM中对应的地址是指，RAM地址由高位到低位排列依次包含系统内部节点空间地址、子节点空间地址和命令号三个部分：其中前两个部分的位宽为系统内全部空间地址范围；第一部分是将命令转发地址截取到，其点播的节点所在层级对应的最低有效位；第二部分剩余的各位全部置“1”表示作用于所有的子节点。

所述命令解析模块中，命令的解析方式是：各模块对于全局命令的解析，将全局寄存器中的命令按命令类型解析到对应的模块；对于局部命令，根据各级数据帧后处理模块给出的地址，到RAM中取出相应的命令值，输出给各级数据帧后处理模块，完成解析。

所述各级数据帧后处理模块中，同一级各数据帧的后处理采用流水线的方式，根据帧地址取出局部命令、叠加噪声、出错模拟和叠加增益分为四个进程并行地执行；取出局部命令时，其对应的帧地址超前于当前处理的数据帧，命令取出后存入缓存，叠加噪声、出错模拟和叠加增益时从缓存中依次读取命令，根据命令完成处理。

本发明的一种易于拓展可灵活配置的海洋地震勘探拖缆模拟的实现方法，步骤如下：

(1)确定模拟的拖缆DAQ系统的拓扑结构，根据数据帧的需要合并的次数和各级合并的节点规模，确定系统结构参数表的内容；如图4所示，本实施例中模拟的拖缆DAQ系统中的原始数据帧，需要在拖缆模拟系统中经过多级合并后输出到室内系统。因此，如图5所示，确定了每一级合并所包含的地址范围。

(2)控制室内系统或功能检验模块产生控制拖缆模拟的命令，通过接口模块发送给单缆模拟模块，具体包含以下步骤：

步骤2.1：确定需要模拟的出错情况种类、频率和需要出错的节点空间位置，进而确定相应的出错模拟命令和转发地址；

步骤2.2：如果需要检验单缆模拟模块响应命令与产生数据功能、接口模块命令与数据传输功能，通过计算机控制功能检验模块将命令通过接口模块发送到单缆模拟模块中的命令解析模块；否则，操控室内系统发送命令；

(3)命令解析模块将接收到的全局命令存储于全局寄存器中并将其解析到数据生成模块和错误模拟模块中，将局部命令的作用范围折算到RAM中对应的地址并存储；

(4)错误模拟模块根据解析的命令向数据生成模块和各级数据帧后处理模块输出随机噪声和错误产生的控制信号；

(5)数据生成模块按协议规定的顺序，串行地从波形表中取出每个通道、每次采样的数据，按协议组帧，输出给可调的系统结构模拟模块；同时根据错误模拟模块输出的随机噪声和错误产生的控制信号，将数据随机地替换为随机噪声；

(6)可调的系统结构模拟模块根据系统结构参数表，将接收到的数据帧逐级合并，并将合并后的数据帧在各级数据帧后处理模块中叠加处理，最终通过接口模块输出。

上述过程如图7所示，具体包含以下步骤：

步骤6.1：可调的系统结构模拟模块根据系统结构参数表，在内部生成数据帧多级合并的结构；

步骤6.2：将从数据生成模块接收到的数据帧进行一级合并，输出给各级数据帧后处理模块；

步骤6.3：各级数据帧后处理模块将接收到的数据帧提取其地址，确定下一个被处理的数据帧地址，输出到命令解析模块解析对应的局部命令，根据已经取回的、对应当前数据帧的命令处理数据帧，并输出给可调的系统结构模拟模块；

步骤6.4：可调的系统结构模拟模块从各级数据中后处理模块接收数据帧，并进行下一级合并，再次输出给各级数据帧后处理模块，重复步骤6.3，直到数据帧合并到最后一级；

步骤6.5：将合并到最后一级的数据帧直接输出到接口模块；

(7)如果需要检验系统各模块功能，将数据帧由接口模块传输至功能检验模块，拆分、解包后获得数据通过JTAG传输给计算机显示；否则，将数据帧传输至室内系统，完成模拟系统电路板和室内系统的联调。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (3)

1.一种易于拓展可灵活配置的海洋地震勘探拖缆模拟系统，其特征在于，包括：模拟系统电路板、室内系统和计算机；

模拟系统电路板包括：接口模块、单缆模拟模块和功能检验模块，这些模块基于板内的一块FPGA芯片设计相应的功能电路，并利用电路板上的接口芯片实现数据传输；

所述接口模块，包括多个全双工的光纤或电接口及驱动电路，接口数量与拖缆DAQ系统中拖缆的个数相同；接收来自室内系统或功能检验模块的命令送至单缆模拟模块，同时接收单缆模拟模块产生的数据帧送至室内系统或功能检验模块；

所述单缆模拟模块，模块数量与接口数量相同，每个单缆模拟模块负责模拟拖缆DAQ系统中单条拖缆内部的行为，包括数据帧的产生、逐级合并、命令的解析、各级数据帧的后处理和错误模拟，该模块可以配置模拟不同的系统拓扑结构；通过接口模块接收命令，将模拟出的数据帧发送给接口模块；

所述功能检验模块，用于检验单缆模拟模块响应命令与产生数据功能、接口模块命令与数据传输功能，可配置该模块模拟室内系统产生命令，在计算机的控制下对数据帧拆分和解包，并将处理后的数据送至计算机软件显示；并将产生的命令送至接口模块，同时接收接口模块发送的数据帧；

室内系统，用于配合模拟系统电路板完成联调，通过接口模块对单缆模拟模块发送控制命令，并接收单缆模拟模块发送的数据帧；

计算机，用于控制功能检验模块产生调试所需的命令，并显示接收到的数据，计算机通过JTAG控制功能检验模块，并接收功能检验模块通过JTAG发送的数据；

所述单缆模拟模块包括：数据生成模块、可调的系统结构模拟模块、系统结构参数表、命令解析模块、各级数据帧后处理模块和错误模拟模块；

数据生成模块，在直接频率综合方法的基础上，加入地址计算算法，从由命令指定的某一种波形表中，串行地取出数据，与地址一起组成数据帧后输出；数据生成模块受错误模拟模块的控制；根据系统结构参数表确定数据串行地产生的顺序；将数据帧输出至可调的系统结构模拟模块；接收命令解析模块输出的命令；

可调的系统结构模拟模块，模拟由总线型和星型复合的拖缆DAQ系统中数据帧的逐级合并过程；该模块接收数据生成模块和各级数据帧后处理模块的数据帧；根据系统结构参数表确定合并的次数和各级规模；将数据帧和帧地址送至各级数据帧后处理模块处理；将最后一级合并后的数据帧输出至接口模块；

命令解析模块，在RAM中按照命令转发地址存取局部命令，使用寄存器存取全局命令，模拟命令的转发与解析，命令解析模块从接口模块中接收命令；将全局命令解析到数据生成模块与错误模拟模块；根据由各级数据帧后处理模块输入的地址，将局部命令解析到各级数据帧后处理模块；

各级数据帧后处理模块，受局部命令的控制，对各级合并后的数据帧进行处理，各级数据帧后处理模块从可调的系统结构模拟模块中取出数据帧和帧地址，处理完成后将数据帧归还；向命令解析模块输出帧地址，取出其解析的命令；该模块受到错误模拟模块控制；

错误模拟模块，受命令控制模拟，源数据出错、传输误码以及数据源或链路断开三种情况；设计该模块时提取上述出错情况导致数据帧在被模拟的拖缆DAQ系统中的接口模块输出时，相比正常的数据帧包括在长度、顺序和数据上的偏差，并对这种偏差进行模拟；该模块接收命令解析模块解析的全局命令；控制数据生成模块和各级后处理模块产生错误；

系统结构参数表，为确定的一组参数，用来描述被模拟的拖缆DAQ系统的结构层次和规模，根据系统结构参数表，数据生成模块计算确定数据串行产生的顺序；系统结构参数表确定的具体结构层次和规模参数，指导可调的系统结构模拟模块实际完成各级数据帧的合并；

所述可调的系统结构模拟模块中，对总线型与星型的拓扑结构下，数据帧的合并采用相同的方式，数据帧的合并方式基于由数据传输协议提供的多路输入合并为一路输出的标准模块；该模块将串行输入的数据帧按照空间地址分发到标准模块的各个输入端口，进行一次合并，每一级的数据帧合并共用一个标准模块分多次完成；

可调的系统结构模拟模块中，根据系统结构参数表确定数据帧需要经过几次合并，以及各级需要合并的节点规模，根据不同的系统结构参数表，实现模拟不同结构层次与规模的拖缆DAQ系统的需求；

所述命令解析模块中，模拟命令的转发的方法是：根据命令的转发地址，判断该命令作用在拖缆系统中的节点范围，将全局命令存储于全局寄存器当中，将局部命令的作用范围折算到RAM中对应的地址并存储；

所述命令解析模块中，命令的解析方式是：各模块对于全局命令的解析，将全局寄存器中的命令按命令类型解析到对应的模块；对于局部命令，根据各级数据帧后处理模块给出的地址，到RAM中取出相应的命令值，输出给各级数据帧后处理模块，完成解析。

2.根据权利要求1所述的易于拓展可灵活配置的海洋地震勘探拖缆模拟系统，其特征在于：所述各级数据帧后处理模块中，同一级各数据帧的后处理采用流水线的方式。

3.一种基于权利要求1或2一所述的易于拓展可灵活配置的海洋地震勘探拖缆模拟系统的实现方法，其特征在于步骤如下：

(1)确定模拟的拖缆DAQ系统的拓扑结构，根据数据帧的需要合并的次数和各级合并的节点规模，确定系统结构参数表的内容；

(2)控制室内系统或功能检验模块产生控制拖缆模拟的命令，通过接口模块发送给单缆模拟模块，具体包含以下步骤：

步骤2.1：确定需要模拟的出错情况种类、频率和需要出错的节点空间位置，进而确定相应的出错模拟命令和转发地址；

步骤2.2：如果需要检验单缆模拟模块响应命令与产生数据功能、接口模块命令与数据传输功能，通过计算机控制功能检验模块将命令通过接口模块发送到单缆模拟模块中的命令解析模块；否则，操控室内系统发送命令；

(3)命令解析模块将接收到的全局命令存储于全局寄存器中并将其解析到数据生成模块和错误模拟模块中，将局部命令的作用范围折算到RAM中对应的地址并存储；

(4)错误模拟模块根据解析的命令向数据生成模块和各级数据帧后处理模块输出随机噪声和错误产生的控制信号；

(5)数据生成模块按协议规定的顺序，串行地从波形表中取出每个通道、每次采样的数据，按协议组帧，输出给可调的系统结构模拟模块；同时根据错误模拟模块输出的随机噪声和错误产生的控制信号，将数据随机地替换为随机噪声；

(6)可调的系统结构模拟模块根据系统结构参数表，将接收到的数据帧逐级合并，并将合并后的数据帧在各级数据帧后处理模块中叠加处理，最终通过接口模块输出，具体包含以下步骤：

步骤6.1：可调的系统结构模拟模块根据系统结构参数表，在内部生成数据帧多级合并的结构；

步骤6.2：将从数据生成模块接收到的数据帧进行一级合并，输出给各级数据帧后处理模块；

步骤6.3：各级数据帧后处理模块将接收到的数据帧提取其地址，确定下一个被处理的数据帧地址，输出到命令解析模块解析对应的局部命令，根据已经取回的、对应当前数据帧的命令处理数据帧，并输出给可调的系统结构模拟模块；

步骤6.4：可调的系统结构模拟模块从各级数据中后处理模块接收数据帧，并进行下一级合并，再次输出给各级数据帧后处理模块，重复步骤6.3，直到数据帧合并到最后一级；

步骤6.5：将合并到最后一级的数据帧直接输出到接口模块；

(7)如果需要检验系统各模块功能，将数据帧由接口模块传输至功能检验模块，拆分、解包后获得数据通过JTAG传输给计算机显示；否则，将数据帧传输至室内系统，完成模拟系统电路板和室内系统的联调。

Images