一種基於FGPA的海洋物探拖纜實時供電監測裝備的製作方法

2023-06-01 03:08:41

本發明涉及一種基於FGPA的海洋物探拖纜實時供電監測裝備，屬於海洋地球物理勘技術領域。

背景技術：

根據作業需求，海洋物探電纜設備的長度一般可達到6到12公裡的量級。一般，海洋物探電纜設備由多根電纜單元通過數字包串接而成。數字包中有專用的電源系統，從而實現整條拖纜的正常供電。

作業的時候，由於拖纜長度所限，海洋物探電纜設備必須要經船上電源設備提供高壓電源，從而實現長距離供電能力。為保證水下系統正常、安全地供電，船載系統必須要有一套供電監測裝置。當出現供電異常的時候，需要及時切斷電源以達到保護水下電路的目的。

現有的電源監測裝置，一般分為兩種方案，即硬體化方案和軟體化方案。對於硬體化的方案，如圖1所示，電源系統利用定製的專用電壓、電流監測模塊實現監測功能，完全獨立於物探儀器系統。當水下系統發生電源故障時，電源監測模塊根據事先設定好的參數，自動進行電源切斷以保護水下電路系統；對於軟體化的方案，如圖2所示，電源監測功能通過軟體實現，並實時顯示電源的狀態信息。當軟體發現電源狀態異常時，會首先通過專用命令通道將電源切斷，同時還會在軟體界面上進行異常報警和顯示。

海洋物探拖纜設備的供電方式比較特殊，它採用逐級上電的方式，前一級設備供電完成並且沒有錯誤，才進行下一級設備供電。在這個過程中，海洋物探電纜設備需要一個反饋信息來控制上電過程，這個反饋信息就是電源監測正常的信號；其次電源狀態會隨著設備的增加而改變，因此用來進行比較的閾值就不再是一個固定值，對於上述電源監測方案都需要不停的重新設定新的比較閾值。海洋物探拖纜設備要求電源監測必須要有高的實時性，保證電源出現故障時，能在第一時間切斷電源。

對於海洋物探拖纜設備的上電監測，現有的方案，無論是硬體化方案，還是軟體化方案，都存在技術上的缺陷。

首先，對於硬體化的方案，雖然能夠實現電源狀態的實時監測並進行切斷保護，但當水下系統發生電源故障時，高壓供電系統無法形成與物探裝備之間的聯動。另一方面，該定製化的監測模塊限制了高壓電源的選擇範圍。

其次，對於軟體化的方案，其最大的優點是能夠實現非常好的高壓電源系統和物探裝備之間的聯動控制，並且通過利用標準通信接口(如RS232、USB、GPIO等)降低了對電源設備的依賴。但是，該方案的最大問題是實時性無法做到很好，由於軟體的參與，當發生電源系統故障的時候，軟體無法在確定的時間內實現電源實時切斷處理。

技術實現要素：

本發明的技術解決問題：克服現有技術的不足(硬體化方案聯動性差、閾值固定；軟體化方案實時性差)，提供一種基於FGPA的海洋物探拖纜實時供電監測裝備，通過高壓電源自身的監測電路進行電源數據採集，通過FPGA系統的可編程特性以及高實時性，使海洋物探拖纜設備的電源監測做到實時、安全、高效、便捷。

本發明的技術解決方案是：一種基於FGPA的海洋物探拖纜實時供電監測裝備，包括FGPA系統和高壓電源設備；將物探儀器控制設備通過解析海洋物探拖纜設備下發的命令，以此來確定海洋物探拖纜設備的工作狀態和相關電源監測參數；海洋物探拖纜設備處在上電穩態過程中，FPGA系統以一定的時間間隔，循環對海洋物探拖纜設備進行電源監測；監測結果通過高壓電源設備響應後作出相關處理，高壓電源設備再將相關處理結果返回給FPGA系統；海洋物探拖纜設逐級上電的過程稱為上電初態，將逐級上電完成後的穩定狀態稱為上電穩態；所述電源監測包括：實時電源數據採集、電源數據處理即閾值比較，及根據電源數據處理結果做出相應反應。

所述FGPA系統能夠根據當前海洋物探拖纜設備的數字包數數量自主計算出當前的電源監測需要的閾值；數字包為海洋物探電纜設備採集和傳輸單元。

所述在FPGA實現過程為：根據預設流程進行電源監測，預設流程是先進行電壓檢測，下發相關命令給高壓電源設備，根據高壓電源設備的測量電壓值的返回，再進行對比，出現異常會直接通過高壓電源設備切斷電源，並通知物探儀器控制設備，等待故障排查和清除；電壓如果正常，會進入電流檢測，下發相關命令給高壓電源設備，等待高壓電源設備的測量電流值的返回，再進行對比，出現異常會直接通過高壓電源設備切斷電源，並通知物探儀器控制設備，等待故障排查和清除；電流如果正常，則完成了一次完整的電源監測流程，轉回電壓檢測，等待下次電源監測流程的到來。

所述FGPA系統包括：第二通信模塊、協議解析模塊、命令生成模塊、監測狀態機模塊、閾值計算模塊、電源協議模塊、比較狀態機模塊、電源通信接口模塊；

第二通信模塊，實現與物探儀器控制設備的物理接口，採用通用的RS232解析邏輯，對物探儀器控制設備中第一通信模塊傳來的命令進行解析，然後傳送至協議解析模塊；同時將協議解析模塊封裝後的測量電壓值和測量電流值轉換成RS232信號，上傳至物探儀器控制設備的第一通信模塊中；

協議解析模塊，接收第二通信模塊的信號後進一步解析得到的上電命令，將上電命令送給命令生成模塊、監測狀態機模塊和閾值計算模塊；接收第二通信模塊的信號進一步解析得到電壓正常或異常命令、電流正常或異常命令，並將命令送給命令生成模塊；通過電源協議模塊上傳的測量電壓值和測量電流值，將測量電壓值和測量電流值傳給監測狀態機模塊；同時接收比較狀態機模塊的比較結果，並將比較結果上傳給物探儀控制設備；

監測控制狀態機模塊，根據協議解析模塊給出的相應命令，自主的選擇軟體比較和硬體比較，上電初態給出初始狀態命令和軟體標誌狀態命令，此時為軟體比較；上電穩定後進入硬體比較，根據協議解析模塊傳來的測量電壓值和測量電流值生成電壓查詢狀態、等待電壓比較狀態，電流查詢狀態、等待電流比較狀態和關閉電源狀態命令給命令生成模塊；同時將命令生成模塊上傳的測量電壓值和測量的電流值通過協議解析模塊傳至物探儀器控制設備；

命令生成模塊，根據協議解析模塊的上電命令生成打開電源命令；根據監測控制狀態機模塊輸出的命令狀態生成相應的電壓查詢命令、電壓比較命令，電流查詢命令、電流比較命令和關閉電源狀態信號；然後送給電源協議模塊；根據比較狀態機模塊的輸出生成電壓正常，電流正常或關閉電源命令；

電源協議模塊，一方面，對來自命令生成模塊下傳給的各種電源命令進行協議封裝，翻譯成高壓電源設備可以識別的格式，並送入電源通信接口塊中；另一方面，接收來自電源通信接口模塊的測量的電源數據，測量的電源數據包括測量電壓值和測量電流值，在軟體比較時將相應的電源數據送至送入協議解析模塊，在硬體比較進送入比較狀態機模塊中；

電源通信接口模塊，將電源協議模塊輸出的相關命令轉換成RS232信號輸出給高壓電源設備；同時對高壓電源設備傳回的RS232信號解析得到測量電源數據，送給電源協議模塊；

高壓電源設備，接收電源通信接口模塊傳來的RS232信號並解析到電壓查詢命令，電流查詢、打開電源和關閉電源命令後，對當前輸出電壓值、電流值進行測量；同時將測量的電壓值和電流值轉換成RS232信號送給電源通信接口模塊；

比較狀態機模塊，根據電源協議模塊傳來的測量電壓值和測量電流值與閾值計算模塊給出的閾值進行比較；如果比較結果異常，輸出異常命令，實時通知監測狀態機模塊機模塊輸出關閉電源，並將異常情況通過協議解析模塊上報給物探儀控制設備；如果比較正常，輸出正常命令，只會將實時的電源參數，即測量電壓和測量電流值通過協議解析模塊上傳給物探儀控制設備；

閾值計算模塊，根據來自協議解析邏輯模塊傳遞過來的上電命令中的數字包數量，自動計算出電流閾值和電壓閾值，然後將電流閾值和電壓閾值送入比較狀態機模塊中，作為電源監測的比較基準。

所述監測控制狀態機模塊生成初始狀態、軟體標誌狀態、電壓查詢狀態、等待電壓比較狀態，電流查詢狀態、等待電流比較狀態和關閉電源狀態的過程為：

初始狀態，為0狀態：復位初始狀態，在這個狀態中，將所有標誌信號置低，該狀態有兩條跳轉路徑：接收到協議解析邏輯模塊上電開始命令後，會進入軟體比較狀態，即狀態1中；如果接受到協議解析邏輯模塊傳來的上電完成命令會進入硬體比較，即進入狀態2；

軟體標誌，為狀態1：在改變狀態中，首先將軟體比較標誌置高，然後無條件跳轉到狀態2；

電壓查詢，為狀態2：在狀態2中，產生電壓查詢命令並輸出，然後跳轉到狀態3；

等待電壓比較，為狀態3：等待電壓比較結果，如果電壓正常，則跳轉到狀態4，進行電流檢測；如果電壓異常，那麼會跳轉到狀態6，產生關閉電源信號；

電流查詢，為狀態4：產生電流查詢信號，隨後跳轉到狀態5；

等待電流比較，為狀態5：首先將電流監測標誌置低，如果電壓正常，則跳轉到狀態1，進行下一輪檢測；如果電壓異常，那麼會跳轉到狀態6，產生關閉電源信號；

關閉電源，狀態6：產生關閉電源信號，然後跳回狀態0。

所述高壓電源設備中，根據電源監測的狀態，對海洋物探拖纜設備進行控制，完成電壓查詢、電流查詢、打開電源和關閉電源操作。

本發明與現有技術相比具有以下優點：

(1)實時監測，時效性高：本發明結合海洋物探拖纜設備工作特點，根據海洋物探拖纜設備工作狀態自主選擇監測方式。通過硬體可編程邏輯器件(FPGA)的邏輯電路實現電源狀態、控制、通信的實時控制；而基於FPGA 的邏輯，可以實現電源狀態、控制以及通信的實時操作，避免物探儀控制設備對強實時電源操作的幹預。並通過FPGA實現與高壓電源設備以及物探儀控制設備之間的雙向數據通信，既能實現對海洋物探拖纜設備的實時監控，也能實現高壓電源設備與物探儀控制設備之間的實時聯動。

(2)自主式閾值設置：本發明根據海洋物探拖纜設備工作情況，可以自主計算出當前的電源監測需要的閾值，不需要人為參與，簡化操作，提高設備的自動化水平。

附圖說明

圖1為現有技術中的硬體比較圖；

圖2為現有技術中的軟體比較圖；

圖3為海洋物探拖纜設備示意圖；

圖4為本發明在電源監測過程中的流程圖；

圖5為本發明的組成框圖；

圖6為本發明監測狀態機模塊的狀態圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細地描述：

如圖3所示，海洋物探設備主要由物探船上的儀器設備(圖上未標出)和水下拖纜組成。水下拖纜在正常作業過程中採用物探船上380V高壓電源供電，在這個過程中為了保證儀器設備的安全，需要對供電過程進行實時監控，這也是本發明的背景和應用領域。

一、海洋物探電纜設備上電過程

如圖3所示，海洋物探電纜由多級數字包組成，從安全角度考慮物探船上的高壓電源在給水下海洋物探電纜設備供電時，並不是採用直接給所有數字包(數字包為海洋物探電纜設備採集和傳輸單元)同時供電，而是採用在前一個數字包供電完成且正常的情況下再對下一個數字包進行供電的逐級上電方式。

在逐級上電過程中，因為用電的海洋物探電纜設備(數字包)的增加，海洋物探電纜設備的電源狀態也是隨之改變，電源監測的閾值也隨之改變。上電完成後，海洋物探電纜設備就進入相對比較穩定的狀態，電源供電也比較穩定。為了方便下面描述，將水下設備逐級上電的過程稱為上電初態，將逐級上電完成後的穩定狀態稱為上電穩態。

二、高壓電源設備

高壓電源設備就是安裝在物探船上為水下物探拖纜設備即被監測設備進行高壓供電的設備。此外，高壓電源設備帶有電壓、電流檢測功能，本發明中涉及的實時工作電壓、電流檢測是通過高壓電源設備實現的，即本發明實時電源數據是由高壓電源設備提供的。

三、物探儀器控制設備

物探儀器控制設備它主要負責控制整個物探拖纜設備的工作狀態：如物探拖纜設備什麼時候開始工作、傳輸數據、結束工作等。此外物探儀器控制設備的部分也參與本發明提及的電源實時監測部分。

四、本發明實施例

如圖5所示，本發明包括FPGA系統以及高壓電源設備組成。物探儀器設備和FPGA系統之間，以及FPGA系統和高壓電源設備之間都是通過通用RS232進行連接通信。

如圖4所示，本發明FPGA系統在電源監測過程為：根據預設流程進行電源監測，預設流程是先進行電壓檢測，下發相關命令給高壓電源設備，根據高壓電源設備的測量電壓值的返回，再進行對比，出現異常會直接通過高壓電源設備切斷電源，並通知物探儀器控制設備，等待故障排查和清除；電壓如果正常，會進入電流檢測，下發相關命令給高壓電源設備，等待高壓電源設備的測量電流值的返回，再進行對比，出現異常會直接通過高壓電源設備切斷電源，並通知物探儀器控制設備，等待故障排查和清除；電流如果正常，則完成了一次完整的電源監測流程，轉回電壓檢測，等待下次電源監測流程的到來。

如圖5所示，本發明FGPA系統中包括：第二通信模塊6、協議解析模塊10、命令生成模塊7、監測狀態機模塊11、閾值計算模塊13、電源協議模塊8、比較狀態機模塊12、電源通信接口模塊9。

1、操作人員通過鍵盤輸入開始工作指令，整個實時電源監供裝置就會進入工作狀態。高壓電源設備給海洋物探拖纜設備上電時會處在逐級上電過程，即上電初態，此時選擇進行軟體比較。

2、物探儀器控制設備的以RS232信號形式輸出上電命令到FPGA中。

在FPGA中首先通過第二通信模塊6對RS232信號的命令進行解析，將

解析出來的命令送給協議解析模塊10進一步解析得到上電命令。

3、上電命令會通過不同通道同時分發給不同模塊：

協議解析模塊10首先會將上電命令送給命令生成模塊7，命令生成模塊7中生成打開電源命令，送至電源協議模塊8；電源協議模塊8中將此命令翻譯成高壓電源設備可以識別的格式後，送入電源通信接口模塊9；在電源通信接口模塊9將輸入的信號轉換成RS232信號輸出給高壓電源設備，高壓電源設備接收RS232信號並解析到命令後會打開供電開關，為海洋物探拖纜設備供電；

協議解析模塊10其次會將完整的上電命令送給監測狀態機模塊11，此時監測狀態機模塊11開始工作，直至上電初態完成，進入上電穩態。

5.在上電穩態過程中，FPGA邏輯以一定的時間間隔循環對電源進行監測。接著步驟7中，協議解析模塊10中解析出來的上電完成命令會分成兩路：一路送入閾值計算模塊11，在閾值計算模塊11中，計算得出電流閾值和電壓閾值，然後將電流閾值和電壓閾值送入比較狀態機模塊12中，供電流、電壓比較時使用；

另一路送入監測狀態機模塊11，監測狀態機模塊11由初始狀態，即狀態0跳轉到電壓查詢狀態，即狀態2，在狀態2中生成電壓查詢命令，然後監測狀態機模塊11跳轉到等待電壓比較狀態，即狀態4，而將電壓查詢命令送入電源協議模塊8轉換成高壓電源設備可以是別的格式，再通過電源通信接口模塊9轉換成RS232信號發送給高壓電源設備，高壓電源設備接收RS232信號並解析到電壓查詢命令後，立即對當前輸出電壓值進行測量，因為此時處在硬體比較，所以高壓電源設備會將當前電壓值轉換成RS232信號送給電源通信接口模塊9，在電源通信接口模塊9中完成對RS232信號解析得到測量電壓值，然後送給電源協議模塊8，在電源協議解析模塊8中測量電壓值轉換成FPGA可以識別的格式，然後送入比較狀態機模塊12，在比較狀態機模塊12中完成實際測量電壓值和閾值計算模塊13給出的閾值之間的比較。

6.如果步驟9中的比較結果異常：比較狀態機模塊12會向監測狀態機模塊11發送一個電源異常信號，監測狀態機模塊11由等待電壓比較狀態，即狀態4跳轉到關閉電源狀態，即狀態6，在狀態6中產生電源異常信號，然後將電源異常信號發送給命令生成模塊7接收到電源異常信號後會產生關閉電源命令，然後將關閉電源命令送給電源協議模塊8，在電源協議模塊8中將關閉電源命令轉換成高壓電源模塊可以識別的格式，然後送入電源通信接口模塊9，在9電源通信接口模塊9將輸入的信號轉換成RS232信號輸出給高壓電源設備，高壓電源設備接收RS232信號，解析到命令後關閉電源輸出。並且會通過第二通信模塊6向物探儀器控制發送電源異常信號，通知操作人員。

7.如果步驟9中的比較結果正常：比較狀態機模塊12會生成一個電壓檢測完成信號送給監測控制狀態機模塊11，監測控制狀態機模塊11接收到電壓檢測完成後會從等待電壓比較狀態，即狀態3跳轉到查詢電流狀態，即狀態4，在狀態4中產生電流查詢信號，然後跳轉到等待電流比較狀態，即狀態5，而將電流查詢信號發送給命令生成模塊7，在命令生成模塊7中會產生查詢電流命令，電流查詢命令送入電源協議模塊8轉換成高壓電源設備可以是別的格式，再通過電源通信接口模塊9轉換成RS232信號發送給高壓電源設備，高壓電源設備接收RS232信號並解析到電流查詢命令後，立即對當前輸出電壓值進行測量，高壓電源設備會將當前電流值轉換成RS232信號送給電源通信接口模塊9，在電源通信接口模塊9中完成對RS232信號解析得到測量電流值，然後送給電源協議模塊8，在電源解析模塊8中測量電壓值轉換成FPGA可以識別的格式，然後送入比較狀態機模塊11，在比較狀態機模塊11中完成實際測量電流值和閾值計算模塊13給出的閾值之間的比較。

8.如果步驟11中，電流比較結果異常：比較狀態機模塊12會向監控狀態機模塊11發送一個電源異常信號，監控狀態機模塊11接收到電源異常信號，其內部會從等待電流比較狀態5狀態跳轉到關閉電源狀態，即狀態6，在狀態6中會產生關閉電源信號，然後跳回初始狀態，即狀態0，而將關閉電源信號發送給命令生成模塊7接收到關閉電源信號後會產生關閉電源命令，然後將關閉電源命令送給電源協議模塊8，在電源協議模塊8中將關閉電源命令轉換成高壓電源模塊可以識別的格式，然後送入電源通信接口模塊9，在電源通信接口模塊9將輸入的信號轉換成RS232信號輸出給高壓電源設備，高壓電源設備接收RS232信號，解析到命令後關閉電源輸出。並且會通過第二通信模塊6向物探儀器控制發送電源異常信號，通知操作人員。

9.如果步驟11中的比較結果正常：比較狀態機模塊12會生成一個電流檢測完成信號送給監測控制狀態機模塊11。至此一次監測過程結束。監測控制狀態機模塊11等待下次檢測開始，然後重複循環執行步驟9、10、11、12。

如圖6所示，監測狀態機的正常運行時具體情況如下：

所述監測控制狀態機模塊11生成初始狀態、查詢標誌狀態、電壓查詢狀態、等待電壓比較狀態，電流查詢狀態、等待電流比較狀態和關閉電源狀態的過程為：

初始狀態，為0狀態：復位初始狀態，在這個狀態中，將所有標誌信號置低，該狀態有兩條跳轉路徑：接收到協議解析邏輯模塊10上電開始命令後，會進入查詢標誌狀態，即狀態1中；如果接受到協議解析邏輯模塊10傳來的上電完成命令會進入狀態2；

軟體標誌，為狀態1：在改變狀態中，首先將軟體比較標誌置高，然後無條件跳轉到狀態2；

電壓查詢，為狀態2：在狀態2中，產生電壓查詢命令並輸出，然後跳轉到狀態3；

等待電壓比較，為狀態3：等待電壓比較結果，如果電壓正常，則跳轉到狀態4，進行電流檢測；如果電壓異常，那麼會跳轉到狀態6，產生關閉電源信號；

電流查詢，為狀態4：產生電流查詢信號，隨後跳轉到狀態5；

等待電流比較，為狀態5：首先將電流監測標誌置低，如果電壓正常，則跳轉到狀態1，進行下一輪檢測；如果電壓異常，那麼會跳轉到狀態6，產生關閉電源信號；

關閉電源，狀態6：產生關閉電源信號，然後跳回狀態0。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。