基于光纖的地震儀接口卡設計*

程虎軍，羅蘭兵，顏 良

（英洛瓦（天津）物探裝備有限責任公司，河北 涿州 072750）

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，因此促進了地球物理勘探采集技術的全面發展，如全波形、高分辨率、高密度、寬方位角采集等先進的地球物理勘探技術得到了飛速發展和廣泛應用；這些先進的采集技術要求地震儀器具有實時道能力更強、采集精度更高、穩定性及可靠性更高等特點，傳統的銅纜交叉線傳輸已經不能滿足勘探需求。

為了解決地震儀器的實時道能力和系統同步等問題，設計了一種基于PCI-E總線的光纖接口卡。光纖卡安裝在地震儀器主機中的PCI-E總線上，主機軟件通過光纖卡與野外站單元通信。光纖卡主要功能是對上層應用模塊發送出去的命令數據包進行轉發，對野外站單元返回的數據包進行處理和存儲到數據緩沖區；此外，光纖卡的時鐘通過外部GPS校準，進而校準整個地震數據采集系統，因此光纖卡在整個系統中起著至關重要作用。

1 光纖卡設計

光纖卡是“連接”主機軟件上層應用模塊和野外站單元的中間模塊，它起著承上啟下的作用，因此光纖卡的穩定性、性能和功能對整個地震儀器系統的運行起著至關重要的作用。光纖卡的關鍵設計有以下幾個方面。

1.1 接口設計

PCI-Express 1.0a發送和接收的數據速率可達2.5 Gb/s[1]。由于技術的延續性和開發的可靠性，考慮兼容性和主機的處理能力，光纖卡設計為PCI-E接口的單端口卡，一張接口卡可以接一根光纖。

在PCI-E系統中，CPU有兩種事務來訪問其架構中的存儲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，另一種是直接內存訪問（Direct Memory Access，DMA）方式，后者在實現高速外設和主存儲器之間成批交換數據時，不需要CPU的直接參與，而在RAM與設備之間完成傳輸時，該方式可減少CPU的占用率，大大提高了數據的吞吐率，使系統的性能大幅度提升[2]。

數據從光線口進入到緩沖區，經過FPGA進行處理，再經過PCI總線主控接口將其數據包地址映射至緩沖區，同時數據經過PCI總線DMA到數據緩沖區，上層應用模塊通過緩沖區中的數據包地址取得數據，接口結構設計如圖1所示。

圖1 接口結構設計

光纖卡FPGA選用Xilinx公司Virtex-5系列，它提供了PCI-E的IP核[3-4]，支持以上兩種事務訪問方式，在核中固化了物理層和數據鏈路層的相關設計，向用戶開放事務層接口，在進行PCI-E相關設計時，物理層和數據鏈路層的設計只需要配置相關參數即可完成，而將研發重點放在事務層設計，降低了開發風險，縮短了研發周期。

1.2 數據包處理

采集和控制模塊、光纖卡管理和數據包緩沖區（Buffer）之間通過TCP/IP Sockets進行通信。采集和控制首先會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，此時上層應用模塊可以對野外站單元進行控制，各部分關系之間結構如圖2所示。

圖2 光纖卡關系圖

DMA方式有兩種類型：第三方DMA（third-party DMA），通過系統主板上的DMA控制器的仲裁來獲得總線和傳輸數據；第一方DMA，完全由接口卡上的邏輯電路來完成，與快取內存結合在一起，提高了數據的存取及傳輸性能。因此，設計中選擇后者來完成數據DMA。

光纖口進來的數據包DMA到Packet Buffers，光纖卡將Packet Buffers的指針地址發送到采集和控制的處理隊列，采集和控制根據指針地址處理對應的數據包或者拷貝數據包到采集和控制處理隊列。

光纖卡的存儲器用來存儲用于DMA處理的scattergathers，一個scatter-gathers（32 B）用于DMA一個數據包，存儲芯片容量為32 MB，一次每個光纖卡最多能DMA 1 MB個數據包；第一個scatter-gathers與最后一個鏈接，形成一個“環形”。采集和控制處理數據包的速度不能比DMA的速度慢，否則緩沖區的數據包會溢出，導致系統不穩定。

1.3 GPS同步

GPS能全天候向用戶提供高質量的位置、速度及精確的時鐘信息，其時鐘同步信號覆蓋全球，具有實用性強、準確性高的特點[5]。光纖卡利用GPS提供的精確每秒脈沖（PPS）作為同步對時的信號，可以實現地震儀整個系統的準確對時和采集同步，其時間最大誤差在μs級。

編碼器上的GPS卡向光纖卡輸出PPS信號，通過串口向主機輸出時間信息碼，光纖卡上的時鐘每經過一秒被PPS信號同步一次，能保證其脈沖前沿與UTC（世界協調時）具有1 μs的同步精度。

光纖卡選用恒溫晶振OCXO提供工作時鐘，該晶振采用精密控溫，使晶體工作在晶體的零溫度系數點的溫度上，具有很高的頻率精度和穩定度，是目前石英晶振器件中頻率穩定度最高的一種。GPS的PPS秒脈沖信號輸入到鑒相鑒定器，鑒相鑒定器在1 s內對時鐘芯片輸出的12.8 MHz時鐘進行計數，過濾掉干擾數據，計算出相位偏差，將此相位偏差轉換為OCXO控制寄存器的變化，以此變化值來調節OCXO，使它達到穩定的精度。將輸出的時鐘通過光纜和大線傳輸到各模塊從而來實現整個地震數據采集系統的同步，同步流程如圖3所示。

圖3 GPS同步流程

2 結構分析

2.1 光纖卡主機

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

光纖卡插在主機PCI插槽中，這種結構的優點是：系統集成度高，模塊之間通信高效；系統的連接更簡潔，提高了系統穩定性。采用此結構也有缺陷，光纖卡及輔助設備控制都由主機完成，消耗了主機的硬件資源，影響主機的處理速度和系統道能力；此外，系統的擴展性受主機PCI插槽數量的限制。

2.2 其他類型

其他類型地震勘探儀器結構，比如采用客戶機（Client）和服務器（Server）結構，客戶端與服務端通過交換機連接。客戶端軟件用來顯示參數并作為操作的接口，操作員通過客戶端完成對整套系統的控制。主機對野外排列的控制通過中繼箱體來實現，中繼箱體通過交換機將野外采集數據返回服務器，服務端的軟件執行計算、存儲和處理本地或者遠程客戶端的任務。

中繼箱體對返回的數據進行了預處理，減輕了主機系統的壓力；系統采用的C/S的架構，將任務分配在客戶端和服務端執行，使得系統的負載更加均勻，能充分發揮系統各個部分的處理能力；系統道能力擴展方便，增加中繼箱體即可擴展；服務器的外設接口沒有特殊要求，選型更加便捷。不足之處是系統結構相對復雜，客戶端和服務端需要針對不同的操作系統開發不同版本的軟件，增加了開發難度和成本。

3 結論

經過野外勘探的多次應用，光纖卡主機取得了良好的應用效果，在地震儀器實時道能力、系統穩定性方面達到了同類先進水平。光纖卡儀器與其他儀器所實現的功能沒有本質區別，只是在設計和實現方式上有所區別。隨著計算機技術的飛速發展，現在已經有了速度更快的PCIE 3.0版本的接口，通過提高存儲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。

[1]PCI Special Interest Group PCI-ExpressTM base specification Revision 1.0a base[S].2003.

[2]董永吉，陳樵，李玉峰，等.Xilinx PCI-Express核總線接口設計與實現[J].電子技術應用，2011，37（8）：135-138.

[3]XILINX INC.Virtex-5 integrated endpoint block for PCI express designs[R].2009.

[4]XILINX INC.Logic core IP endpoint block plus v1.14 for PCI express[R].2010.

[5]張國琴，吳玉蓉.基于GPS校準晶振的高精度時鐘設計[J].儀表技術，2010（4）：23-24.