一種微機電數字地震檢波器通訊系統和方法
2024-02-03 22:31:15
專利名稱：一種微機電數字地震檢波器通訊系統和方法
技術領域：
本發明屬於數據通訊領域，具體涉及用於地球物理勘探中的一種微機電數字地震 檢波器通訊系統。
背景技術：
自從1926年反射波法地震勘探在石油勘探應用以來，地震勘探是地球物理勘探 中發展最快的一項技術，是尋找石油、煤炭和工程建設中地下勘探最常用、最有效的勘探方 法。地震勘探儀器是地球物理勘探裝備中最為精密和關鍵的設備，它與現代先進的科學技 術發展息息相關。從地震波的激發、採集、數據處理、記錄到繪圖都屬於地震勘探儀器工作 範疇，且地震勘探儀器的技術水平、性能指標和應用效果均直接關係到地震採集數據的地 質效果。因此，地震勘探儀器的發展也就成為地球物理勘探技術進步的重要組成部分。地 震勘探儀器的發展是以地震勘探的發展與需求為前提條件和動力源泉；反過來又直接制約 和促進著地震勘探的發展。從上世紀末開始的MEMS (微機電系統)新技術，將微電子、精密機械、生化、和信息 處理等高新技術有機結合起來，具有微型化、矽為主要材料、機械電氣性能優良、集成化等 特點。而當前國際上只有法國CGG公司和美國I/O公司生產基於MEMS加速度傳感器的數 字檢波器及其採集系統，但是，數字檢波器的通訊電路和通訊協議均是其專有技術，不向外 公開。大型地震勘探儀器一直以專用設備的形式發展，在國際上也只有少數幾家生產企業， 國內外的數字地震儀市場基本被CGG/Sercel公司所控制，我國的地震勘探儀器100%依賴 進口。大型地震勘探儀器的發展在我國經歷了非常曲折的道路，但從本世紀初開始，我 國加強了勘探設備的研發。經過幾年的努力，國內微機電(MEMS)傳感器的研發取得了進 展，經試驗表明，國內微機電(MEMS)傳感器可以製作數字地震檢波器，滿足地震勘探的需 要。但是，由於國內微機電檢波器研發起步較晚，基礎較差，尤其是數據傳輸問題，傳輸速率 和功耗的矛盾沒有完全解決，研發單位還都是自己進行小規模的試驗，沒有形成成熟的微 機電數字檢波器數據採集系統。由於野外勘探的特殊性，勘探施工中所有數據採集設備和 檢波器的電源都是由電池提供的，這就要求所有採集設備和檢波器的功耗都要很低，因而 就不能使用高速率、高功耗的通訊器件。國外公司通過多年努力，研發了他們自己的功耗相 對較低速率較高的通訊晶片，但是，出於商業目的，他們不向外界公布晶片的資料，國內也 就不能使用他們的通訊晶片研製通訊系統。
發明內容
本發明的目的在於解決上述現有技術中存在的難題，提供一種微機電數字地震檢 波器通訊系統，將微機電數字檢波器與微機電數字檢波器之間、微機電數字檢波器與微機 電數字檢波器管理站之間、微機電數字檢波器管理站與中央記錄處理單元之間連接起來， 實現中央記錄處理單元與微機電數字檢波器數據和命令的交互傳輸，形成微機電數字檢波
5器數據採集系統。本發明是通過以下技術方案實現的一種微機電數字地震檢波器通訊系統，包括下行數據通道和上行數據通道；所述下行數據通道包括信號輸入電路、接收數據控制電路、下行數據輸出控制電 路、輸出驅動電路、下行控制模塊、計時控制模塊、命令接收比較模塊，其中，命令接收比較模塊用於對接收數據進行識別，決定是否需要本檢波器主機接收 數據；下行控制模塊根據微機電數字檢波器管理站的命令，決定是否將接收到的數據 直接發送到下一級檢波器或微機電數字檢波器管理站，還是由本檢波器向下發送命令；計時控制模塊用於為命令接收比較模塊計時，為其提供復位信號；信號輸入電路接收微機電數字檢波器管理站或上一級檢波器的命令，然後將輸入 信號分別連接到接收數據控制電路、下行數據輸出控制電路、命令接收比較模塊；命令接收 比較模塊受計時控制模塊的控制；下行控制模塊分別通過電路與計時控制模塊、命令接收 比較模塊、接收數據控制電路和下行數據輸出控制電路連接；輸出驅動電路與數據輸出控 制電路連接；所述上行數據通道包括輸入驅動電路、上行數據輸出控制電路組成、上行控制模 塊、數據接收計數模塊、數據比較模塊、上行輸出驅動電路，其中，上行控制模塊控制上傳的數據由本檢波器發送還是由下一級微機電數字檢波器 管理站或下一級檢波器上傳；數據比較模塊根據數據比較結果向上行控制模塊發送信息和對數據接收計數模 塊進行復位；數據接收計數模塊對接收到的數據計數並計時，然後將接收的數據傳到數據比 較模塊；所述輸入驅動電路將數據信號分別傳到數據接收計數模塊和上行數據輸出控制 電路；上行控制模塊分別通過電路與數據比較模塊和上行數據輸出控制電路連接，上行輸 出驅動電路與上行數據輸出控制電路連接。當所述上行數據通道和下行數據通道用於微機電數字檢波器與微機電數字檢波 器之間、微機電數字檢波器與微機電數字檢波器管理站之間時，所述上行控制模塊和下行 控制模塊均由微機電數字檢波器主控制器進行控制；當所述上行數據通道和下行數據通道用於微機電數字檢波器管理站與中央記錄 處理單元之間時，所述上行控制模塊和下行控制模塊均由微機電數字檢波器管理站的通訊 控制器進行控制。所述微機電數字檢波器中央記錄處理系統與微機電數字檢波器管理站之間的通 訊協議採用TCP/IP網絡協議或者異步串行通訊協議；微機電數字檢波器管理站與微機電 數字檢波器之間的通訊協議採用異步串行通訊協議；微機電數字檢波器之間的通訊協議採 用異步串行通訊協議。所述微機電數字檢波器之間的連接採用數傳電纜、光纖或光無線FSO ；微機電數 字檢波器與微機電檢波器管理站之間的連接採用光纖、無線、光無線FSO或網絡線；中央記 錄處理單元與微機電數字檢波器管理站之間的連接採用光纖、無線、光無線FSO或網絡線。
6使用光無線FSO通訊，具有頻帶寬、架設方便、不需要申請頻點、互不幹擾的特點，適用於兩 點能夠看到而不能直達或者不方便的兩點之間的連接；光纖適用於兩點較遠又不能看到的 兩點之間的連接；無線適用於數據量較小的兩點連接；數傳電纜適用於微機電數字檢波器 之間和其與微機電數字檢波器管理站之間的正常連接。本發明採用低功耗、低成本現有商用器件FPGA(現場可編程門陣列)，通過邏輯和 時序電路的設計，將微機電數字檢波器下行數據通道中的接收數據控制電路、下行數據輸 出控制電路、計時控制模塊、命令接收比較模塊和上行數據通道中的上行數據輸出控制電 路、數據接收計數模塊、數據比較模塊集成在現場可編程門陣列(FP6A)上。使用所述的微機電數字地震檢波器通訊系統的一種方法，所述方法中所述下行 數據輸出控制電路的輸入輸出邏輯關係為TDOWN=CONTROLDOWN*TXD1+CONTROLDOWN *RUP(1)其中TD0WN表示本級檢波器輸出控制電路向下一級輸出的數據，CONTROLDOffN表示下行控制信號，TXDl表示本級檢波器主控制器輸出的數據；RUP表示管理站或上一級檢波器傳來的數據；下行數據通道狀態有兩種，分別為數據直通狀態和本機發送狀態；其中，數據直通 狀態是將控制位C0NTR0LD0WN設置為低電平；本機發送狀態是將控制位C0NTR0LD0WN設置 為高電平；控制位C0NTR0LD0WN的設置，取決於微機電數字地震檢波器主控制器收到的將 要執行的命令；所述上行數據輸出控制電路的輸入輸出邏輯關係為TUP^CONTROLim TXD2+ CONTROLUP ^RDWN(2)其中tup表示本級檢波器輸出控制電路向上一級輸出的數據，CONTROLUP表示上行控制信號，TXD2表示本級檢波器主控制器輸出的數據，RDffN表示下一級檢波器傳送來的數據；上行數據通道狀態有兩種，分別為數據直通狀態和本機發送狀態；其中，數據直通 狀態是將控制位CONTROLUP設置為低電平；本機發送狀態是將控制位CONTROLUP設置為高 電平。控制位CONTROLUP的設置，取決於微機電數字地震檢波器主控制器收到的將要執行 的命令；所述方法的步驟為上電復位後，微機電數字地震檢波器的主控制器對所有通訊 電路進行初始化，將下行數據通道和上行數據通道均設置為本機發送狀態，等待管理站或 者上一級檢波器的命令數據，根據接收到的命令，設置數據傳輸通道的狀態，然後執行微機 電數字檢波器自動識別及排序步驟或者地震採集數據逐級接力上傳步驟。其中，所述微機電數字檢波器自動識別及排序步驟包括(1)上電復位；(2)將控制位C0NTR0LD0WN、CONTROLUP均設置為高電平；(3)進行樁號檢測，如果檢測到樁號，則轉入步驟(4)，如果沒有檢測到樁號，則轉 入步驟(9)；(4)存儲收到的邏輯號；
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(5)向上發送本機出廠號和本機邏輯號；(6)判斷是否有主機確認命令，如果有，則轉入步驟(7)，如果沒有，則轉入步驟 (10)；(7)判斷主機確認命令是否正確，如果正確，則將控制位C0NTR0LD0WN、C0NTR0LUP 均設置為低電平；(8)結束。(9)判斷延遲時間是否達到，如果達到，則轉入步驟(8)，如果沒有達到，則返回步 驟⑶；(10)判斷延遲時間是否達到，如果達到，則轉入步驟(8)，如果沒有達到，則返回 步驟(6)。所述地震採集數據逐級接力上傳步驟包括(1)上電復位；(2)判斷本機是否為最後一個，如果是，則將控制位C0NTR0LD0WN設置為低電平， 將C0NTR0LUP設置為高電平，延遲IOus後發送一幀採集數據，然後轉入步驟(6)；如果否， 則將控制位C0NTR0LD0WN、C0NTR0LUP均設置為低電平，然後轉入步驟(3)；(3)判斷下一級是否發送完畢，如果發送完畢，則轉入步驟(5)，如果沒有完畢，則 轉入步驟⑷；(4)判斷延遲時間是否達到，如果到達，則轉入步驟(5)，如果沒有達到，則步驟 ⑶；(5)將控制位C0NTR0LD0WN設置為低電平，將C0NTR0LUP設置為高電平，然後發送 一幀採集數；(6)則將控制位C0NTR0LD0WN、C0NTR0LUP均設置為低電平。(7)結束。與現有技術相比，本發明的有益效果是(1)本發明採用低功耗、低成本的現有商用器件FPGA，該系統解決了河流、森林、 懸崖等複雜地形下數據的傳輸問題，減少了施工的強度，提高了工作效率；(2)本發明是地震採集系統的一個重要組成部分，與檢波器、管理站、中央記錄與 處理單元一起組成地震數據採集系統，為地震勘探提供可靠、高效、方便的勘探手段，可進 行野外數據採集，降低成本。其中，微機電數字檢波器之間通訊速率8Mbps，微機電數字檢 波器與微機電數字檢波器管理站之間通訊速率8Mbps，微機電數字檢波器管理站與中央記 錄處理單元之間的通訊速率10Mbps，在Ims採樣間隔時，150道可以實時傳輸。
圖1是本發明微機電數字地震檢波器通訊系統示意圖。圖2是本發明中微機電數字地震檢波器下行通道電路示意圖。圖3是本發明中微機電數字地震檢波器上行通道電路示意圖。圖4是本發明中的地震採集數據逐級接力上傳數據的步驟框5是本發明中檢波器自動識別及排序的步驟框圖。圖6是本發明微機電數字地震檢波器通訊系統的工作流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。微機電數字檢波器數據採集系統示意圖如附圖1所示。微機電數字檢波器數據採 集系統由一個微機電數字檢波器中央記錄處理系統、一組微機電數字檢波器管理站、一組 微機電數字檢波器組成。在一套微機電數字檢波器數據採集系統中，只有一個中央記錄處 理系統，但可以有多個微機電數字檢波器管理站，每個微機電數字檢波器管理站最多管理 96個微機電數字檢波器。其中每個管理站管理的微機電數字檢波器都是串行連接的，而管 理站之間的連接可以是串行的，也可以是並行的，圖1中只給出了串行連接方式。具體來 說，(1)微機電數字檢波器中央記錄處理系統微機電數字檢波器中央記錄處理系統主要由微計算機、熱敏印表機、繪圖儀、中央 控制器、無線數傳模塊、GPS、網絡接口、光電中接口等組成，具有數據存儲、處理、顯示、人機 對話等管理功能，負責整個系統的控制和檢測。主站通過數據傳輸發出各種控制指令，對數 字地震信號進行記錄、編排和管理。主要控制功能如下1)通過交叉管理站讀取採集的數據，並以所需的記錄格式存儲到磁帶機；2)採集參數的設置，如採樣間隔、前放增益、記錄長度、高截、低截、陷波等；3)檢波器的監控；4)採集參數的顯示、回放和監視記錄的列印；5)地面排列的實時管理；6)顯示參數的設置；7)系統參數的設置；8)班報的自動生成；9)爆炸機的控制。微機電數字檢波器中央記錄處理系統與微機電數字檢波器管理站之間可以進行 兩種通訊協議的通訊TCP/IP網絡協議和異步串行通訊協議，硬體接口包括光纖、無線、光 無線FS0、網絡RJ接口，在野外施工時可以根據現場情況選用光纖、無線數傳電臺、光無線 FSO、標準網絡數傳電纜進行連接。(2)微機電數字檢波器管理站微機電數字檢波器管理站是數據採集系統的一個重要組成部分，既可以接收主站 命令對連接到該站的數字檢波器進行管理和監測，也可以自己單獨對微機電數字檢波器進 行檢測，同時還可以做中繼，方便對複雜地區勘探時布置排列。每個管理站可以連接管理1 到96個微機電數字檢波器，數字檢波器之間是級聯的。微機電數字檢波器管理站主要由中央控制器、數據存儲器、程序存儲器、數字檢波 器電源管理模塊、無線數傳模塊、有線通訊模塊及驅動電路、鎖相電路、串行輸入EEPROM存 儲器等組成。主要功能有1)接收主站指令，對數字檢波器進行控制和檢測；2)管理數字檢波器供電，根據主站的指令啟動與註銷數字檢波器的加電；3)啟動數字檢波器的數據採集與傳輸，讀取數字檢波器傳來的數據，上傳數據到主站。微機電數字檢波器管理站與微機電數字檢波器之間採用異步串行通訊協議，硬體 接口包括光纖、無線、光無線FS0、數傳電纜，在野外施工時可以根據現場情況選用光纖、無 線數傳電臺、光無線FS0、數傳電纜進行連接。(3)微機電數字檢波器微機電數字檢波器具有早期地震儀的大部分功能，檢測振動信號，將檢測到的信 號轉換成數位訊號，傳遞到管理站。微機電數字檢波器主要由控制器、MEMS加速度傳感器、 前放、A/D轉換、通訊模塊、電源管理模塊、供電模塊等組成，主要功能是檢測振動信號，將檢 測到的信號轉換成數位訊號，傳遞到管理站。微機電數字檢波器之間採用異步串行通訊協議，硬體接口包括光纖、無線、光無線 FS0、數傳電纜，在野外施工時可以根據現場情況選用光纖、無線數傳電臺、光無線FS0、數傳 電纜進行連接。在微機電數字檢波器採集系統研究中，主要研究的內容包括數據通訊系統、數據 採集單元、MEMS傳感器、MEMS供電及其管理。要求數據傳輸高速率、低功耗、低成本。國外 大公司一般都是投入大量人力和財力，研製專門的通訊器件，而研製成功後，對其資料嚴格 保密，其它人無法知曉。本發明中採用高集成度、低功耗的FPGA，設計了一種微機電數字地 震檢波器通訊系統，其將微機電數字檢波器與微機電數字檢波器之間、微機電數字檢波器 與微機電數字檢波器管理站之間、微機電數字檢波器管理站與中央記錄處理單元之間連接 起來，實現了功能，滿足了通訊系統的需要。本發明一種微機電數字地震檢波器通訊系統包括下行通道和上行通道，其中1)微機電數字檢波器下行通道電路示意圖如圖2所示。主要由信號輸入電路 (U21)、接收數據控制電路(U22)、下行數據輸出控制電路(U23、U24、U25、U26)、輸出驅動電 路(U27)、下行控制模塊即微機電數字地震檢波器主控制器(MOO)、計時控制模塊(M23)、命 令接收比較模塊(M24)組成。信號輸入電路(U21)接收微機電數字檢波器管理站或上一級檢波器的命令，接口 有光電轉換器接口、無線數傳模塊接口、數傳電纜接口，其中數傳電纜接口採用LVDS差分 輸入，其它採用單端信號輸入方式。U21將輸入信號分別傳送給接收數據控制電路(U22)、 下行數據輸出控制電路(U23、U24、U25、U26)和命令接收比較模塊(M24)。計時控制模塊(M23)用於為命令接收比較模塊(M24)計時，並為其提供復位信號。 當命令接收比較模塊(M24)檢測到本站命令或者廣播命令時，打開數據通道，允許上一級 來的數據進入主控制器(MOO)，由主控制器(MOO)執行相應的命令；否則，本檢波器不接收 數據。這樣，可以減少主控制器ARM的響應，節約能源。命令接收比較模塊(M24)受計時控 制模塊(M23)的控制。當有數據來時，命令接收比較模塊(M24)向計時控制模塊(M23)發 送一個信號，計時控制模塊(M23)開始計時。當超時時，即刻對命令接收比較模塊(M24)復 位，讓其重新接收數據。微機電數字地震檢波器主控制器(MOO)是微機電數字檢波器的核心，執行管理站 的命令，並向管理站回復相應的信息和數據。下行數據輸出控制電路(U23、U24、U25、U26)受微機電數字地震檢波器主控制器 (MOO)的控制，根據管理站的命令打開或切斷下行數據通道。
輸出驅動電路(U27)的作用和信號輸入電路(U21)的作用相反，將信號輸出。輸 出接口有光電轉換器接口、無線數傳模塊接口、數傳電纜接口，其中數傳電纜接口採用LVDS 輸出差分電信號，其它採用單端信號輸入方式。下行數據輸出控制電路輸入輸出邏輯關係為TDOWN:CONTROLDOWN*TXD 1 +CONTROLDOWN *RUP(1)其中TD0WN表示本級檢波器輸出控制電路向下一級輸出的數據，C0NTR0LD0WN表 示下行控制信號，TXDl表示本級檢波器主控制器輸出的數據，RUP表示管理站或上一級檢波器傳來的數據。2)微機電數字檢波器上行通道電路示意圖如附圖3所示。由輸入驅動電路(U31)、 上行數據輸出控制電路(U32、U33、U34、U35)組成、上行控制模塊即微機電數字地震檢波器 主控制器(MOO)、數據接收計數模塊(M32)、數據比較模塊(M33)、上行輸出驅動電路(U36) 組成。上行數據通道的輸入驅動電路(U31)功能與下行通道的信號輸入電路(U21)相 同，接口也相同，區別是輸入驅動電路(U31)是將數據信號分別傳到數據接收計數模塊 (M32)和上行輸出驅動電路(U36)。數據接收計數模塊(M32)對接收到的數據計數並計時。當接收到設定的數值時， 將接收到的數據送到數據比較模塊(M33)進行比較。若是下一級的數據發送完畢，則復位 數據接收計數模塊(M32)，通知微機電數字地震檢波器主控制器(MOO)，由微機電數字地震 檢波器主控制器(MOO)進行切換，向管理站發送本檢波器採集的數據。否則，數據比較模塊 (M33)重新開始工作。上行數據輸出控制電路(U32、U33、U34、U35)的作用和輸入驅動電路 (U31)的作用相反，是將信號輸出。輸出接口有光電轉換器接口、無線數傳模塊接口、數傳電 纜接口，其中數傳電纜接口採用LVDS輸出差分電信號，其它採用單端信號輸入方式。上行數據輸出控制電路輸入輸出邏輯關係為TUI^CONTROLm TXD2+ CONTROLUP ^RDWN(2)其中TUP表示本級檢波器輸出控制電路向上一級輸出的數據，CONTROLUP表示上 行控制信號，TXD2表示本級檢波器主控制器輸出的數據，RDffN表示下一級檢波器傳送來的數據。圖2、圖3僅給出了當所述上行數據通道和下行數據通道用於微機電數字檢波器 與微機電數字檢波器之間、微機電數字檢波器與微機電數字檢波器管理站之間時的示意 圖，當所述上行數據通道和下行數據通道用於微機電數字檢波器管理站與中央記錄處理單 元之間時，所述上行控制模塊和下行控制模塊均由微機電數字檢波器管理站的通訊控制器 進行控制，只需將圖2、圖3中的微機電數字地震檢波器主控制器(MOO)更換為微機電數字 檢波器管理站的通訊控制器即可實現。本發明的工作過程如圖6所示上電復位後，微機電數字地震檢波器主控制器對 所有通訊電路進行初始化，將下行數據通道和上行數據通道均設置為本機發送狀態，等待 管理站或者上一級檢波器的命令數據，根據接收到的命令，設置數據傳輸通道的狀態，執行 微機電數字檢波器自動識別及排序步驟或者地震採集數據逐級接力上傳步驟。
下行數據通道狀態有兩種數據直通和本機發送。下行數據通道直通狀態，是將控 制位C0NTR0LD0WN設置為低電平，根據邏輯關係式⑴可知，下傳的數據就是收到的數據， 而把本機發送的數據屏蔽了 ；本機發送狀態，是將控制位C0NTR0LD0WN設置為高電平，根據 邏輯關係式(1)可知，向下發送的數據是本機發送的，而把上一級來的數據屏蔽了。控制位 CONTROLDOffN的設置，取決於微機電數字地震檢波器主控制器收到的將要執行的命令。上行數據通道狀態也有兩種數據直通和本機發送。上行數據通道直通狀態，是 將控制位C0NTR0LUP設置為低電平，根據邏輯關係式(2)可知，上傳的數據就是從下一級 來的數據，而把本機的發送數據屏蔽了 ；本機發送狀態，是將控制位C0NTR0LUP設置為高電 平，根據邏輯關係式(2)可知，向下發送的數據是本機發送的，而把下一級傳來的數據屏蔽 了。控制位C0NTR0LUP的設置，取決於微機電數字地震檢波器主控制器收到的將要執行的 命令。下行數據輸出控制電路與上行數據輸出控制電路組合，通過軟體控制，實現微機 電數字檢波器自動識別及排序和地震採集數據逐級接力上傳的功能。實現方法如下1.微機電數字檢波器自動識別及排序是通過控制下行數據輸出控制電路(U23、 U24、U25、U26)和上行數據輸出控制電路(U32、U33、U34、U35)來實現的。識別出檢波器的 相對位置，可以確定檢波器對應的樁號，實現步驟的框圖如圖5所示，具體如下(1)上電復位;(2)將控制位C0NTR0LD0WN、C0NTR0LUP均設置為高電平；(3)進行樁號檢測，如果檢測到樁號，則轉入步驟(4)，如果沒有檢測到樁號，則轉 入步驟(9)；(4)存儲收到的邏輯號；(5)向上發送本機出廠號和本機邏輯號；(6)判斷是否有主機確認命令，如果有，則轉入步驟(7)，如果沒有，則轉入步驟 (10)；(7)判斷主機確認命令是否正確，如果正確，則將控制位C0NTR0LD0WN、C0NTR0LUP 均設置為低電平；(8)結束。(9)判斷延遲時間是否達到，如果達到，則轉入步驟(8)，如果沒有達到，則返回步 驟⑶；(10)判斷延遲時間是否達到，如果達到，則轉入步驟(8)，如果沒有達到，則返回 步驟(6)。2.微機電數字檢波器地震採集數據逐級接力上傳是通過軟體控制下行數據輸出 控制電路(U23、U24、U25、U26)和上行數據輸出控制電路(U32、U33、U34、U35)來實現的。 減少交互過程，節省時間，提高傳輸效率，實現步驟的框圖如圖4所示，具體如下(1)上電復位；(2)判斷本機是否為最後一個，如果是，則將控制位C0NTR0LD0WN設置為低電平， 將C0NTR0LUP設置為高電平，延遲IOus後發送一幀採集數據，然後轉入步驟(6)；如果否， 則將控制位C0NTR0LD0WN、C0NTR0LUP均設置為低電平，然後轉入步驟(3)；(3)判斷下一級是否發送完畢，如果發送完畢，則轉入步驟(5)，如果沒有完畢，則轉入步驟⑷；(4)判斷延遲時間是否達到，如果到達，則轉入步驟(5)，如果沒有達到，則步驟 ⑶；(5)將控制位C0NTR0LD0WN設置為低電平，將C0NTR0LUP設置為高電平，然後發送 一幀採集數；(6)則將控制位C0NTR0LD0WN、C0NTR0LUP均設置為低電平。(7)結束。每級傳輸獨立驅動，解決了長距離傳輸時信號衰減難題。上行和下行數據，經過每 級檢波器時，都進行硬體的接收和發送，相當於信號在經過每級檢波器時進行隔離，不再直 接相連，避免了總線結構中長距離時信號衰減和相互幹擾的缺點，同時對信號重新驅動，增 強了信號，克服了傳輸時信號的衰減問題，降低了傳輸的誤碼率，使得信號傳輸距離更長。微機電數字檢波器下行數據通道中接收數據控制電路(U22)、下行數據輸出控制 電路(U23、U24、U25、U26)、計時控制模塊(M23)、命令接收比較模塊(M24)和上行數據通道 中的上行數據輸出控制電路(U32、U33、U34、U35)、數據接收計數模塊(M32)、數據比較模塊 (M33)，通過本發明將這些都集中於FPGA中。利用本發明，已經研製出了一套小型的數據採 集系統，進行了野外試驗，取得了野外實際數據。上述技術方案只是本發明的一種實施方式，對於本領域內的技術人員而言，在本 發明公開了應用方法和原理的基礎上，很容易做出各種類型的改進或變形，而不僅限於本 發明上述具體實施方式
所描述的方法，因此前面描述的方式只是優選地，而並不具有限制 性的意義。
權利要求
一種微機電數字地震檢波器通訊系統，用於微機電數字檢波器數據採集系統中，微機電數字檢波器數據採集系統由一個微機電數字檢波器中央記錄處理系統、一組微機電數字檢波器管理站、一組微機電數字檢波器組成。其中，微機電數字檢波器中央記錄處理系統對每個微機電數字檢波器管理站進行管理，每個微機電數字檢波器管理站管理的各個微機電數字檢波器之間都是串行連接的，而各個微機電數字檢波器管理站之間是串行連接的或者並行連接的；所述微機電數字地震檢波器通訊系統是用於微機電數字檢波器與微機電數字檢波器之間、微機電數字檢波器與微機電數字檢波器管理站之間、微機電數字檢波器管理站與中央記錄處理單元之間的通訊；其特徵在於所述微機電數字地震檢波器通訊系統包括下行數據通道和上行數據通道；所述下行數據通道包括信號輸入電路、接收數據控制電路、下行數據輸出控制電路、輸出驅動電路、下行控制模塊、計時控制模塊、命令接收比較模塊，其中，命令接收比較模塊用於對接收數據進行識別，決定是否需要本檢波器主機接收數據；下行控制模塊根據微機電數字檢波器管理站的命令，決定是否將接收到的數據直接發送到下一級檢波器或微機電數字檢波器管理站，還是由本檢波器向下發送命令；計時控制模塊用於為命令接收比較模塊計時，為其提供復位信號；信號輸入電路接收微機電數字檢波器管理站或上一級檢波器的命令，然後將輸入信號分別連接到接收數據控制電路、下行數據輸出控制電路、命令接收比較模塊；命令接收比較模塊受計時控制模塊的控制；下行控制模塊分別通過電路與計時控制模塊、命令接收比較模塊、接收數據控制電路和下行數據輸出控制電路連接；輸出驅動電路與數據輸出控制電路連接；所述上行數據通道包括輸入驅動電路、上行數據輸出控制電路組成、上行控制模塊、數據接收計數模塊、數據比較模塊、上行輸出驅動電路，其中，上行控制模塊控制上傳的數據由本檢波器發送還是由下一級微機電數字檢波器管理站或下一級檢波器上傳；數據比較模塊根據數據比較結果向上行控制模塊發送信息和對數據接收計數模塊進行復位；數據接收計數模塊對接收到的數據計數並計時，然後將接收的數據傳到數據比較模塊；所述輸入驅動電路將數據信號分別傳到數據接收計數模塊和上行數據輸出控制電路；上行控制模塊分別通過電路與數據比較模塊和上行數據輸出控制電路連接，上行輸出驅動電路與上行數據輸出控制電路連接。
2.根據權利要求1所述的微機電數字地震檢波器通訊系統，其特徵在於當所述上行數據通道和下行數據通道用於微機電數字檢波器與微機電數字檢波器之 間、微機電數字檢波器與微機電數字檢波器管理站之間時，所述上行控制模塊和下行控制 模塊均由微機電數字檢波器主控制器進行控制；當所述上行數據通道和下行數據通道用於微機電數字檢波器管理站與中央記錄處理 單元之間時，所述上行控制模塊和下行控制模塊均由微機電數字檢波器管理站的通訊控制 器進行控制。
3.根據權利要求1或2所述的微機電數字地震檢波器通訊系統，其特徵在於所述微 機電數字檢波器之間的連接採用數傳電纜、光纖或光無線FSO ；微機電數字檢波器與微機 電檢波器管理站之間的連接採用光纖、無線、光無線FSO或網絡線；中央記錄處理單元與微 機電數字檢波器管理站之間的連接採用光纖、無線、光無線FSO或網絡線。
4.根據權利要求1或2所述的微機電數字地震檢波器通訊系統，其特徵在於微機電 數字檢波器下行數據通道中的接收數據控制電路、下行數據輸出控制電路、計時控制模塊、 命令接收比較模塊和上行數據通道中的上行數據輸出控制電路、數據接收計數模塊、數據 比較模塊是集成在現場可編程門陣列(FPGA)上的。
5.使用權利要求1或2所述的微機電數字地震檢波器通訊系統的方法，其特徵在於 所述方法中所述下行數據輸出控制電路的輸入輸出邏輯關係為TDOWN=CONTROLDOWmTXDl +CONTROLDOWN *RUP(1)其中TDOffN表示本級檢波器輸出控制電路向下一級輸出的數據，CONTROLDOWN表示下行控制信號，TXDl表示本級檢波器主控制器輸出的數據；RUP表示管理站或上一級檢波器傳來的數據；下行數據通道狀態有兩種，分別為數據直通狀態和本機發送狀態；其中，數據直通狀態 是將控制位CONTROLDOWN設置為低電平；本機發送狀態是將控制位CONTROLDOWN設置為高 電平；控制位CONTROLDOWN的設置，取決於微機電數字地震檢波器主控制器收到的將要執 行的命令；所述上行數據輸出控制電路的輸入輸出邏輯關係為 TUP=CONTROLm TXD2+CONTROLUP ^RDWN(2)其中TUP表示本級檢波器輸出控制電路向上一級輸出的數據，C0NTR0LUP表示上行控制信號，TXD2表示本級檢波器主控制器輸出的數據，RDWN表示下一級檢波器傳送來的數據；上行數據通道狀態有兩種，分別為數據直通狀態和本機發送狀態；其中，數據直通狀 態是將控制位C0NTR0LUP設置為低電平；本機發送狀態是將控制位C0NTR0LUP設置為高電 平。控制位C0NTR0LUP的設置，取決於微機電數字地震檢波器主控制器收到的將要執行的 命令；所述方法的步驟為上電復位後，微機電數字地震檢波器的主控制器對所有通訊電路 進行初始化，將下行數據通道和上行數據通道均設置為本機發送狀態，等待管理站或者上 一級檢波器的命令數據，根據接收到的命令，設置數據傳輸通道的狀態，然後執行微機電數 字檢波器自動識別及排序步驟或者地震採集數據逐級接力上傳步驟。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於所述微機電數字檢波器自動識別及排序 步驟包括(1)上電復位；(2)將控制位CONTROLDOWN、C0NTR0LUP均設置為高電平；(3)進行樁號檢測，如果檢測到樁號，則轉入步驟(4)，如果沒有檢測到樁號，則轉入步驟(9)；(4)存儲收到的邏輯號；(5)向上發送本機出廠號和本機邏輯號；(6)判斷是否有主機確認命令，如果有，則轉入步驟(7)，如果沒有，則轉入步驟(10)；(7)判斷主機確認命令是否正確，如果正確，則將控制位C0NTR0LD0WN、C0NTR0LUP均設 置為低電平；(8)結束。(9)判斷延遲時間是否達到，如果達到，則轉入步驟(8)，如果沒有達到，則返回步 驟·⑶；(10)判斷延遲時間是否達到，如果達到，則轉入步驟(8)，如果沒有達到，則返回步驟(6)。
7.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於所述地震採集數據逐級接力上傳步驟包括(1)上電復位；(2)判斷本機是否為最後一個，如果是，則將控制位C0NTR0LD0WN設置為低電平，將 C0NTR0LUP設置為高電平，延遲IOus後發送一幀採集數據，然後轉入步驟(6)；如果否，則將 控制位C0NTR0LD0WN、C0NTR0LUP均設置為低電平，然後轉入步驟(3)；(3)判斷下一級是否發送完畢，如果發送完畢，則轉入步驟(5)，如果沒有完畢，則轉入 步驟⑷；(4)判斷延遲時間是否達到，如果到達，則轉入步驟(5)，如果沒有達到，則步驟(3)；(5)將控制位C0NTR0LD0WN設置為低電平，將C0NTR0LUP設置為高電平，然後發送一幀 採集數；(6)則將控制位C0NTR0LD0WN、C0NTR0LUP均設置為低電平；(7)結束。
全文摘要
本發明提供了一種微機電數字地震檢波器通訊系統，屬於數據通訊領域。本發明包括上行數據通道和下行數據通道，本發明採用低功耗、低成本的現有商用器件FPGA，通過邏輯和時序電路的設計，實現了低功耗、高速率的數據傳輸，可以解決地震勘探中在河流、森林、懸崖等複雜地形下數據的傳輸問題，減少施工的強度，提高工作效率。本發明與與微機電數字檢波器、中央數據記錄與處理單元一起，構成了完備的微機電地震數據採集系統。
文檔編號G01V1/22GK101984365SQ20101052033
公開日2011年3月9日 申請日期2010年10月22日 優先權日2010年10月22日
發明者宗遐齡, 常鑑, 徐國慶, 李守才, 王輝明, 肖翌, 薛詩桂, 袁昊, 馬國慶 申請人:中國石油化工股份有限公司;中國石油化工股份有限公司石油物探技術研究院