G3i/Aries儀器數傳電纜通斷檢測儀的研制

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(1.東方地球物理勘探有限責任公司裝備服務處長慶作業部　寧夏　銀川　750005； 2.冀東油田分公司機動設備處　河北　唐山　063000)

0　引　言

G3i儀器是INOVA公司研發生產的新一代24位有線遙測地震勘探儀器。應用軟件是基于Windows 64位操作平臺開發的，操作界面簡單，易于上手，人機交互界面良好，軟件功能強大，帶道能力較強，目前系統最大帶道能力為10萬道。系統支持滑動掃描、DSSS等各種高效采集工作模式。G3i系統主要由中央記錄系統(CRS)和地面設備組成。地面設備由采集站、電源站、交叉站、電纜和交叉線、電瓶等組成。

近兩年G3i儀器在BGP國內外項目中充當主力軍，發展迅猛，設備投入量大，萬道以上大規模的三維地震勘探項目常態化。長慶作業部的采集設備和數傳電纜的維修保障工作量逐年增加，G3i采集站的研究攻關力度不斷加強，地面采集站體及數傳電纜的維修手段需不斷創新拓展。

FPGA(Field Programmable Gate Array，即現場可編程門陣列)是專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路芯片，采用一種易于反復配置的查找表LUT(Look-Up-Table)結構，改變查找表內容即可實現FPGA的重復配置，從而在相同的電路情況下實現不同的邏輯功能，給技術人員提供了很大的創新空間。

FPGA是G3i采集站的大腦，是中樞神經控制系統，它接收儀器的指令協調采集設備有條不紊地工作?？梢岳闷淇芍匦麻_發的特性，改造G3i報廢采集站數字板電路，編寫專用軟件，通過FPGA I/O 接口來控制電路工作，應用在電纜的維修測試中，實現數傳電纜故障判斷智能化。電纜一經連接，其8根數傳線對的通斷情況一目了然；聽蜂鳴聲、看顯示，就能區分出A、B插頭本道線對的通斷。

1　G3i采集站數字板FPGA控制原理

G3i采集站數字板主要由加電控制電路、主電源電路、線電壓傳輸電路、4通道數據傳輸電路、串口電路、電源變換電路及鎖相環電路組成，這些電路均由FPGA直接或間接地控制，協調采集站的正常工作[1]。圖1為G3i采集站FPGA的控制脈絡[2]。

FPGA控制電源變換電路及鎖相環電路，提供工作電壓及同步時鐘，協調采集站各部分步調一致地運作。U9 MSP430電源管理模塊芯片在FPGA的作用下，產生主電源，并完成采集站64 V線電壓的檢測與傳輸。

FPGA與485數傳通信模塊直接通訊[1，2]，來控制4通道數據傳輸電路。傳輸線對經過CON1、CON2及脈沖變壓器，通過發送與接收兩通路完成數據和命令及鬼對電壓的傳輸，同時FPGA還處理來自中央記錄系統(俗稱主機)及主機方向的命令或數據。

圖1　G3i采集站數字板FPGA通訊流程

FPGA與G3i采集站模擬板的CPLD(Complex Programmable Logic Device，即復雜可編程邏輯器件)直接通訊[1，2]，來控制地震數據采集通路。數字板通過CON3、CON4、CON5與模擬板連接，在FPGA的作用下，根據采集、測試等不同要求輸出控制信號對4個模擬通路進行控制。檢波器拾取的微弱地震信號經采集通路的共模線圈濾除共模干擾后，將采集信號經過高頻濾波送ADS1282多路選擇器芯片，經內部的前置放大器、A/D轉換器和數字抽取濾波，將采集的模擬地震信號轉換成24位數字信號，經串行輸出口以256 MHz的傳輸速率送到模擬板的CPLD，并通過CPLD送到數字板的FPGA進行編排后輸出送入儀器主機。同時FPGA與CPLD控制模擬板的測試信號處理電路，產生DAC OUT±等信號源，完成采集站內部及外部各類技術指標的檢測[1，2]。

2　數傳電纜測試儀整體設計思路

2.1　設計思路

利用G3i采集站數字板FPGA軟件可重新編寫開發的特性，編寫專用軟件，并設計硬件電路，通過FPGA I/O 來控制接口電路[2]，檢測G3i和Aries電纜數傳和模擬本道線對的通斷。同時測線時使用1602LCD液晶屏直觀顯示線纜的通斷；選擇按鈕電路進行G3i和Aries線纜的選擇測試；蜂鳴器電路進行線纜的通斷提示。這就是應用G3i采集站數字板核心芯片FPGA制作G3i /Aries數傳電纜通斷檢測儀的總設計思路，維修電纜時檢測判斷其各線對的通斷。其原理框圖如圖2所示[2]。

2.2　工作原理

FPGA I/O直接控制數傳電纜的A端插頭，16根線對全部接“高電平”，電纜B端插頭16根線對全部接“低電平”。當線芯“通”時，A端高電平被拉為低電平，蜂鳴器鳴叫，顯示屏顯示該線芯“I即通”；當線芯“斷”時，A端仍為高電平，蜂鳴器不鳴叫，顯示屏顯示該線芯“X即斷”。

FPGA I/O也直接控制測試功能選擇電路、蜂鳴器電路、液晶顯示電路，來實現G3i /Aries 數傳電纜測試轉換，以及被測試線纜狀態的提示。其電路工作原理如圖3所示[2]。

圖2　G3i /Aries數傳電纜通斷檢測儀原理框圖

圖3　檢測儀電路工作原理圖

3　硬件設計

3.1　功能模塊設計

3.1.1G3i和Aries數傳電纜內部結構

G3i數傳電纜使用銅芯雙絞線，長220 m，兩端各連接有12針大線插頭，每隔55 m(道距)有一個模擬本道抽頭，共4個，兩個大線插頭各連接2道，為單線4道。電纜內部有12根線芯(即6對雙絞線)，其中B、C，D、E，G、H，J、M為4對直通數傳線，L、F，K、A為2對模擬本道線。

Aries數傳電纜也使用銅芯雙絞線，長440 m，兩端各連接有16針大線插頭，每隔55 m(道距)有一模擬本道抽頭，共8個，兩個大線插頭各連接4道，為單線8道。電纜內部有16根線芯(即8對雙絞線)，其中R、S，J、K，G、H，E、F為4對直通數傳線，P、N，M、L，D、C，B、A為4對模擬本道線。

3.1.2G3i采集站數傳通路硬件組成

G3i采集站數傳電路框圖如圖4[2]所示。

G3i 采集站數傳通路主要由RS485通信模塊和FPGA

圖4　G3i采集站數傳電路框圖

構成，兩塊芯片之間直接通訊。RS485 接口芯片采用3.3 V單電源供電，半雙工工作模式，功耗低。FPGA芯片內部含有24624 邏輯單元， I/O 口數量為256 個，采用BGA 封裝。I/O 驅動電壓為3.3 V。G3i儀器采集鏈路上的命令及數據通過數傳電纜銅芯雙絞線作為介質，再經由采集站內的數傳通路，在每個站單元間傳輸[1，2]。我們設計制作的檢測儀主要是利用RS485與FPGA間的直接通訊來實現。

3.1.3G3i/Aries數傳電纜通斷檢測儀主電路設計

根據G3i和Aries兩種電纜結構，以及上述檢測儀設計原理圖，基于改造G3i采集站數字板數傳電路、左右大線插座與扁平線接口電路，以及Aries采集站A、B兩個接口板(兩個接口板上分別焊接一個12針G3i大線插座和16針Aries大線插座)，設計G3i與Aries轉換接口。實現FPGA I/O管腳與RS485通信模塊、CON5、1602LCD液晶顯示屏各管腳的轉換，如圖5所示[2]。

圖5　檢測儀控制信號轉換接口對照圖

根據檢測儀設計需求，使用37個FPGA I/O管腳來控制G3i和Aries電纜雙絞銅線芯、蜂鳴器、選擇按鈕及液晶顯示屏。使用7個RS485接口芯片來與FPGA通訊，實現測試電纜硬件功能。利用CON5插座與FPGA直接通訊特性，實現1602LCD的液晶顯示功能。

G3i儀器數傳電纜4對數傳4對模擬本道共16根線芯占用一面屏幕顯示；而Aries電纜4對數傳8對模擬本道共24根線芯，占用兩面屏幕顯示。缺省顯示“X”，線通變為“I”，“X”不變表示線斷。 G3i采集站和Aries本道線對是有極性的，編程時將缺省顯示的“X”優化為“+、-”。 被測G3i/Aries電纜線芯狀態顯示如圖6所示。

圖6　被測G3i/Aries電纜線芯狀態顯示

3.2　直流電源設計

FPGA主要是3.3 V供電，其它兩組1.8 V和2.8 V電壓也是由3.3 V產生的；而且所選用的RS485、1602LCD、蜂鳴器電路等也都是3.3 V供電。考慮到檢測儀的便攜，以及電源的安全性、耐用性，選用了3.7 V手機鋰電池作為檢測儀電源，同時設計充電電路，改造G3i采集站數字板主電源電路[2]，使其產生穩定的3.3 V電壓，給所有模塊供電。原理如圖7[2]所示。

斷開G3i采集站主電源部分電路，將3.7 V電源接到U49-5腳，則U49-1腳輸出穩定的3.3 V電壓提供給電路板，以供FPGA、RS485、顯示屏等各芯片使用。

4　軟件設計編寫

根據工作原理和控制信號對照圖，運用Verilog HDL[3，4](硬件描述語言)編寫電纜通斷檢測軟件，通過編程器燒錄到G3i采集站FPGA中，實現檢測數傳電纜通斷的目的。檢測儀軟件運行流程如圖8所示。軟件部分代碼語言見圖9。

圖7　電源電路原理框圖

圖8　檢測儀軟件運行流程圖

5　檢測儀運行電纜通斷測試

5.1　G3i/Aries電纜數傳線測試

將被測G3i或Aries數傳電纜A、B兩個大線插頭連接在檢測儀相應大線插座上，打開電源開關，系統加電初始化， 軟件會控制G3i/Aries線型選擇電路、1602LCD液晶顯示電路和蜂鳴器電路工作，運行所連接即所選電纜的通斷測試(G3i還是Aries電纜)。首先對8根數傳直通線通斷情況進行檢測，受FPGA芯片控制，電纜A大線插頭8根數傳線芯為高電平，B插頭數傳線芯全部接地，數傳電纜A、B兩個大線插頭一經連接，其8根線芯的通斷狀態全部顯示在液晶屏上。

5.2　G3i/Aries電纜模擬本道線測試

G3i電纜有4個本道8根線芯，Aries電纜有8個本道16根線芯。如圖10所示，受FPGA芯片控制，電纜A、B大線插頭端本道線芯為高電平，用接地探頭逐一探測L-、F+、K-、A+本道抽頭，線芯通，則蜂鳴器鳴叫；線芯不通，蜂鳴器不鳴叫，且被測本道線通斷狀態會在液晶屏上顯示。Aries電纜本道線測試原理與之相同。維修人員將不通的故障線芯進行標注，以待后期維修注塑。

圖9　軟件代碼語言界面

圖10　G3i數傳電纜本道測試電路圖

6　結束語

應用G3i采集站FPGA設計的檢測儀，既能測試G3i數傳電纜，也能測試Aries數傳電纜， 一機兩用；維修檢測電纜完全智能化。電纜兩端與檢測儀連接后，其 8根數傳線對的通斷情況在顯示屏上同時顯示“IIIIIIII”(全通),或“IIXIIIXI”(某某線斷)；測試本道線對時，本道測試孔上的探筆逐一觸及8個本道(Aries)或4個本道(G3i)線對，只聽蜂鳴聲、看顯示，不用展開線纜就能判斷區分出A、B大線插頭本道線對的通斷，節約時間及人力，提高維修效率。這兩年作業部電纜檢測維修工作中一直在使用，效果非常好。

[1] Inova公司.G3i Recording System Training Manual[Z]. 2011

[2] Inova公司.G3i RAM Digital電路圖[Z]. 2013

[3] 夏宇聞.Verilog數字系統設計教程(第2版). 北京：北京航空航天大學出版社. 2008.

[4] J.BHASKER. Verilog HDL綜合實用教程[M].孫海平，等譯.北京：清華大學出版社，2004.