摘  要： 隨著地球物理勘探采集技術(shù)的全面發(fā)展，先進(jìn)的采集技術(shù)要求地震儀器實(shí)時(shí)道能力更強(qiáng)、采集效率更高、穩(wěn)定性及可靠性更高。為了解決地震儀器實(shí)時(shí)道能力和系統(tǒng)同步等問題，設(shè)計(jì)了一種PCI-E接口的光纖卡。介紹了光纖卡的功能以及它在整個(gè)系統(tǒng)中的位置，分析了光纖卡與主機(jī)接口、數(shù)據(jù)處理和GPS同步功能的設(shè)計(jì)。野外勘探生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該光纖卡實(shí)時(shí)道能力強(qiáng)，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。

　　關(guān)鍵詞： 光纖卡；實(shí)時(shí)道能力；PCI-E；GPS同步

0 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。

1 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[2]。

　　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[3-4]，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，各部分關(guān)系之間結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　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)[5]。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，同步流程如圖3所示。

2 結(jié)構(gòu)分析

　　2.1 光纖卡主機(jī)

　　光纖卡主機(jī)采用“一體化”的結(jié)構(gòu)，光纖卡插在主機(jī)PCI插槽上，野外設(shè)備通過光纖與主機(jī)光纖卡接口連接，主機(jī)與野外設(shè)備的通信通過光纖卡來完成，所有的外設(shè)（編碼器、磁帶機(jī)、繪圖儀、磁盤陣列）都連接在主機(jī)上。

　　光纖卡插在主機(jī)PCI插槽中，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)集成度高，模塊之間通信高效；系統(tǒng)的連接更簡(jiǎn)潔，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。采用此結(jié)構(gòu)也有缺陷，光纖卡及輔助設(shè)備控制都由主機(jī)完成，消耗了主機(jī)的硬件資源，影響主機(jī)的處理速度和系統(tǒng)道能力；此外，系統(tǒng)的擴(kuò)展性受主機(jī)PCI插槽數(shù)量的限制。

　　2.2 其他類型

　　其他類型地震勘探儀器結(jié)構(gòu)，比如采用客戶機(jī)（Client）和服務(wù)器（Server）結(jié)構(gòu)，客戶端與服務(wù)端通過交換機(jī)連接?？蛻舳塑浖脕盹@示參數(shù)并作為操作的接口，操作員通過客戶端完成對(duì)整套系統(tǒng)的控制。主機(jī)對(duì)野外排列的控制通過中繼箱體來實(shí)現(xiàn)，中繼箱體通過交換機(jī)將野外采集數(shù)據(jù)返回服務(wù)器，服務(wù)端的軟件執(zhí)行計(jì)算、存儲(chǔ)和處理本地或者遠(yuǎn)程客戶端的任務(wù)。

　　中繼箱體對(duì)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，減輕了主機(jī)系統(tǒng)的壓力；系統(tǒng)采用的C/S的架構(gòu)，將任務(wù)分配在客戶端和服務(wù)端執(zhí)行，使得系統(tǒng)的負(fù)載更加均勻，能充分發(fā)揮系統(tǒng)各個(gè)部分的處理能力；系統(tǒng)道能力擴(kuò)展方便，增加中繼箱體即可擴(kuò)展；服務(wù)器的外設(shè)接口沒有特殊要求，選型更加便捷。不足之處是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，客戶端和服務(wù)端需要針對(duì)不同的操作系統(tǒng)開發(fā)不同版本的軟件，增加了開發(fā)難度和成本。

3 結(jié)論

　　經(jīng)過野外勘探的多次應(yīng)用，光纖卡主機(jī)取得了良好的應(yīng)用效果，在地震儀器實(shí)時(shí)道能力、系統(tǒng)穩(wěn)定性方面達(dá)到了同類先進(jìn)水平。光纖卡儀器與其他儀器所實(shí)現(xiàn)的功能沒有本質(zhì)區(qū)別，只是在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式上有所區(qū)別。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)有了速度更快的PCI-E 3.0版本的接口，通過提高存儲(chǔ)容量和使用傳輸速度更快的PCI-E接口，光纖卡的性能還有很大提高空間。

參考文獻(xiàn)

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　　[2] 董永吉，陳樵，李玉峰，等.Xilinx PCI-Express核總線接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37（8）：135-138.

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　　[5] 張國(guó)琴，吳玉蓉.基于GPS校準(zhǔn)晶振的高精度時(shí)鐘設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2010（4）：23-24.