近年來，石油天然氣的需求日益增加以及油氣開采日益困難給地球物理勘探帶來的壓力越來越大，因此促進(jìn)了地球物理勘探采集技術(shù)的全面發(fā)展，如全波形、高分辨率、高密度、寬方位角采集等先進(jìn)的地球物理勘探技術(shù)得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用；這些先進(jìn)的采集技術(shù)要求地震儀器具有實(shí)時(shí)道能力更強(qiáng)、采集精度更高、穩(wěn)定性及可靠性更高等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的銅纜交叉線傳輸已經(jīng)不能滿足勘探需求。
引 言
近年來，石油天然氣的需求日益增加以及油氣開采日益困難給地球物理勘探帶來的壓力越來越大，因此促進(jìn)了地球物理勘探采集技術(shù)的全面發(fā)展，如全波形、高分辨率、高密度、寬方位角采集等先進(jìn)的地球物理勘探技術(shù)得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用；這些先進(jìn)的采集技術(shù)要求地震儀器具有實(shí)時(shí)道能力更強(qiáng)、采集精度更高、穩(wěn)定性及可靠性更高等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的銅纜交叉線傳輸已經(jīng)不能滿足勘探需求。
為了解決地震儀器的實(shí)時(shí)道能力和系統(tǒng)同步等問題，設(shè)計(jì)了一種基于PCI-E總線的光纖接口卡。光纖卡安裝在地震儀器主機(jī)中的PCI-E總線上，主機(jī)軟件通過光纖卡與野外站單元通信。光纖卡主要功能是對(duì)上層應(yīng)用模塊發(fā)送出去的命令數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)野外站單元返回的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理和存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；此外，光纖卡的時(shí)鐘通過外部GPS校準(zhǔn)，進(jìn)而校準(zhǔn)整個(gè)地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因此光纖卡在整個(gè)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要作用。
光纖卡設(shè)計(jì)
光纖卡是“連接”主機(jī)軟件上層應(yīng)用模塊和野外站單元的中間模塊，它起著承上啟下的作用，因此光纖卡的穩(wěn)定性、性能和功能對(duì)整個(gè)地震儀器系統(tǒng)的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。光纖卡的關(guān)鍵設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)方面。
1.1 接口設(shè)計(jì)
PCI-Express 1.0a發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)速率可達(dá)2.5 Gb/s[1]。由于技術(shù)的延續(xù)性和開發(fā)的可靠性，考慮兼容性和主機(jī)的處理能力，光纖卡設(shè)計(jì)為PCI-E接口的單端口卡，一張接口卡可以接一根光纖。
在PCI-E系統(tǒng)中，CPU有兩種事務(wù)來訪問其架構(gòu)中的存儲(chǔ)器映射輸入輸出和配置映射輸入輸出位置。一種是程控輸入輸出(Programmed Input Output，PIO)方式，另一種是直接內(nèi)存訪問(Direct Memory Access，DMA)方式，后者在實(shí)現(xiàn)高速外設(shè)和主存儲(chǔ)器之間成批交換數(shù)據(jù)時(shí)，不需要CPU的直接參與，而在RAM與設(shè)備之間完成傳輸時(shí)，該方式可減少CPU的占用率，大大提高了數(shù)據(jù)的吞吐率，使系統(tǒng)的性能大幅度提升。
數(shù)據(jù)從光線口進(jìn)入到緩沖區(qū)，經(jīng)過FPGA進(jìn)行處理，再經(jīng)過PCI總線主控接口將其數(shù)據(jù)包地址映射至緩沖區(qū)，同時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過PCI總線DMA到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，上層應(yīng)用模塊通過緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包地址取得數(shù)據(jù)，接口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。
光纖卡FPGA選用Xilinx公司Virtex-5系列，它提供了PCI-E的IP核，支持以上兩種事務(wù)訪問方式，在核中固化了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的相關(guān)設(shè)計(jì)，向用戶開放事務(wù)層接口，在進(jìn)行PCI-E相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)計(jì)只需要配置相關(guān)參數(shù)即可完成，而將研發(fā)重點(diǎn)放在事務(wù)層設(shè)計(jì)，降低了開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，縮短了研發(fā)周期。
1.2 數(shù)據(jù)包處理
采集和控制模塊、光纖卡管理和數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)(Buffer)之間通過TCP/IP Sockets進(jìn)行通信。采集和控制首先會(huì)與光纖卡管理模塊連接，完成連接后與野外站單元的通信通過光纖卡管理建立起來，此時(shí)上層應(yīng)用模塊可以對(duì)野外站單元進(jìn)行控制。
DMA方式有兩種類型：第三方DMA(third-party DMA)，通過系統(tǒng)主板上的DMA控制器的仲裁來獲得總線和傳輸數(shù)據(jù)；第一方DMA，完全由接口卡上的邏輯電路來完成，與快取內(nèi)存結(jié)合在一起，提高了數(shù)據(jù)的存取及傳輸性能。因此，設(shè)計(jì)中選擇后者來完成數(shù)據(jù)DMA。
光纖口進(jìn)來的數(shù)據(jù)包DMA到PACket Buffers，光纖卡將Packet Buffers的指針地址發(fā)送到采集和控制的處理隊(duì)列，采集和控制根據(jù)指針地址處理對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包或者拷貝數(shù)據(jù)包到采集和控制處理隊(duì)列。
光纖卡的存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)用于DMA處理的scatter-gathers，一個(gè)scatter-gathers(32 B)用于DMA一個(gè)數(shù)據(jù)包，存儲(chǔ)芯片容量為32 MB，一次每個(gè)光纖卡最多能DMA 1 MB個(gè)數(shù)據(jù)包；第一個(gè)scatter-gathers與最后一個(gè)鏈接，形成一個(gè)“環(huán)形”。采集和控制處理數(shù)據(jù)包的速度不能比DMA的速度慢，否則緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)包會(huì)溢出，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。
1.3 GPS同步
GPS能全天候向用戶提供高質(zhì)量的位置、速度及精確的時(shí)鐘信息，其時(shí)鐘同步信號(hào)覆蓋全球，具有實(shí)用性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)。光纖卡利用GPS提供的精確每秒脈沖(PPS)作為同步對(duì)時(shí)的信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)地震儀整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確對(duì)時(shí)和采集同步，其時(shí)間最大誤差在μs級(jí)。
編碼器上的GPS卡向光纖卡輸出PPS信號(hào)，通過串口向主機(jī)輸出時(shí)間信息碼，光纖卡上的時(shí)鐘每經(jīng)過一秒被PPS信號(hào)同步一次，能保證其脈沖前沿與UTC(世界協(xié)調(diào)時(shí))具有1 μs的同步精度。
光纖卡選用恒溫晶振OCXO提供工作時(shí)鐘，該晶振采用精密控溫，使晶體工作在晶體的零溫度系數(shù)點(diǎn)的溫度上，具有很高的頻率精度和穩(wěn)定度，是目前石英晶振器件中頻率穩(wěn)定度最高的一種。GPS的PPS秒脈沖信號(hào)輸入到鑒相鑒定器，鑒相鑒定器在1 s內(nèi)對(duì)時(shí)鐘芯片輸出的12.8 MHz時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，過濾掉干擾數(shù)據(jù)，計(jì)算出相位偏差，將此相位偏差轉(zhuǎn)換為OCXO控制寄存器的變化，以此變化值來調(diào)節(jié)OCXO，使它達(dá)到穩(wěn)定的精度。將輸出的時(shí)鐘通過光纜和大線傳輸?shù)礁髂K從而來實(shí)現(xiàn)整個(gè)地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的同步
