海上地震勘探綜合導(dǎo)航模擬測試系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

翟慧杰 張昊楠

（中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部，天津 300450）

0 引言

圖1 拖纜綜合導(dǎo)航作業(yè)示意圖

目前，國內(nèi)還沒有一套成熟的海上拖纜勘探綜合導(dǎo)航模擬測試系統(tǒng)，嚴(yán)重制約了拖纜勘探綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)，王斌等人設(shè)計了一套基于Qt多線程多串口的綜合導(dǎo)航模擬上位機軟件，但該軟件缺少硬件支持，無法實現(xiàn)精準(zhǔn)的時序同步及觸發(fā)控制。本文針對海上地震勘探綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)測試需求，設(shè)計了一套模擬測試系統(tǒng)硬件平臺如圖2所示，對系統(tǒng)的設(shè)計方案進行探討，并對硬件電路及嵌入式軟件進行設(shè)計。

圖2 綜合導(dǎo)航系統(tǒng)作業(yè)數(shù)據(jù)及控制流

1 需求分析及總體方案設(shè)計

在作業(yè)過程中，物探船拖曳著槍陣和電纜，沿著設(shè)計的前繪測線航行，前繪測線從起點開始，按照固定距離間隔設(shè)置前繪炮點。當(dāng)物探船的響炮參考點到達前繪炮點的過程中，導(dǎo)航系統(tǒng)觸發(fā)拖纜控制與定位系統(tǒng)，采集水鳥數(shù)據(jù)并發(fā)送給導(dǎo)航系統(tǒng)，在到達前繪炮點時，觸發(fā)槍陣響炮，產(chǎn)生地震波，同時拖纜采集系統(tǒng)開始記錄電纜上采集到的海底底層的反射波。

為滿足測試要求，導(dǎo)航模擬測試硬件平臺需完成10余項導(dǎo)航數(shù)據(jù)的收發(fā)及時序控制，實現(xiàn)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)和時序的同步協(xié)調(diào)處理，并能夠同時支持串口和網(wǎng)口的數(shù)據(jù)通信能力。具體需求如下：

（1）需要具備12個以上串口，6個觸發(fā)口，2個網(wǎng)口，時序控制精度要達到50us；

（2）完成導(dǎo)航數(shù)據(jù)的接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)收發(fā)時序控制和觸發(fā)時序控制；

（3）具備與上位機軟件進行數(shù)據(jù)通信能力，與綜合導(dǎo)航系統(tǒng)進行網(wǎng)絡(luò)通信能力；

（4）具備與INSP的端口進行對接及數(shù)據(jù)通信能力。

海上拖纜勘探綜合導(dǎo)航模擬測試系統(tǒng)由導(dǎo)航模擬測試硬件平臺和上位機軟件兩部分構(gòu)成，其中硬件平臺包括導(dǎo)航模擬測試機箱及嵌入式軟件，應(yīng)用中配合綜合導(dǎo)航系統(tǒng)、INSP、交換機等設(shè)備及系統(tǒng)，以完成整個模擬測試流程。整個系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 導(dǎo)航模擬系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

導(dǎo)航模擬測試機箱是一個自行設(shè)計的小機箱，內(nèi)置一塊觸發(fā)硬件電路板和一個電源模塊，具體連接方式如圖4所示。

圖4 導(dǎo)航模擬測試機箱內(nèi)置模塊的連接

電源模塊的輸入為88～264VAC寬范圍輸入，可將交流電轉(zhuǎn)換成5VDC輸出，供觸發(fā)硬件電路板使用。觸發(fā)硬件電路板提供各種接口，如網(wǎng)口、串口、觸發(fā)口等。

為了保護觸發(fā)硬件電路板和電源模塊，綜合導(dǎo)航模擬測試系統(tǒng)將它們都放置和固定在一個測試機箱內(nèi)，這樣使用起來方便安全且便于攜帶。如圖5所示，機箱正面引出觸發(fā)硬件電路板的所有接口，包括2個網(wǎng)口（RJ45接口）、16個串口（RJ45接口）、6個觸發(fā)口（BNC頭）、12個LED燈等。背面則有一個電源插口，用于接入電源模塊所需的交流電。

圖5 導(dǎo)航模擬測試機箱的機械結(jié)構(gòu)

2.2 觸發(fā)硬件電路模塊設(shè)計

觸發(fā)硬件電路板采用子母板結(jié)構(gòu)：一塊處理母板、一塊串口子板以及兩塊網(wǎng)口子板，采用扣板式結(jié)構(gòu)，處理母板與網(wǎng)口子板采用倒扣板式結(jié)構(gòu)，即母板的正面與子板的正面相對；處理母板與串口子板采用背扣板式結(jié)構(gòu)，即母板的背面與子板的背面相對。其互連結(jié)構(gòu)如圖6所示，此結(jié)構(gòu)布局可以減小母板尺寸，將所有接口都放在同一側(cè)，便于硬件系統(tǒng)開發(fā)。

圖6 觸發(fā)硬件電路模塊的互連結(jié)構(gòu)

觸發(fā)硬件電路模塊的總體硬件架構(gòu)如圖7所示。

圖7 觸發(fā)硬件電路模塊的總體硬件架構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

導(dǎo)航模擬軟件由上位機軟件以及ARM開發(fā)板上的嵌入式軟件組成，使用網(wǎng)絡(luò)通信方式連接，ARM與FPGA之間則通過相關(guān)的接口控制器進行連接，從而使整個軟件同步的進行工作。導(dǎo)航模擬軟件的數(shù)據(jù)以及命令通訊連接關(guān)系如下圖所示：

圖8 導(dǎo)航模擬軟件通信連接圖

在上圖中，上位機與嵌入式軟件之間由主進程MainProcess與console相連接，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)以及命令之間的交互。上位機的MainProcess進程作為客戶端，嵌入式軟件作為服務(wù)端。而ARM與FPGA之間的數(shù)據(jù)以及命令通訊則依靠UART以及SRAM接口控制器。其中，上位機主要用于向ARM發(fā)送導(dǎo)航數(shù)據(jù)和接收頭段數(shù)據(jù)，以及相關(guān)命令；嵌入式軟件主要用于數(shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)發(fā)，在整個系統(tǒng)中僅作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以及少量的數(shù)據(jù)處理的工作，含有兩個主要部分，分別是主進程，負(fù)責(zé)與上位機通訊，協(xié)議解析，導(dǎo)航數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)緩存等；導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理線程負(fù)責(zé)將導(dǎo)航數(shù)據(jù)幀通過SRAME發(fā)送給FPGA，并在導(dǎo)航數(shù)據(jù)幀緩存的數(shù)據(jù)過少的情況下通知上位機進行數(shù)據(jù)發(fā)送。

ARM嵌入式軟件將導(dǎo)航數(shù)據(jù)中的鳥數(shù)據(jù)進行緩存，而將其余導(dǎo)航數(shù)據(jù)下傳至網(wǎng)口子板上的FPGA，再由該FPGA將導(dǎo)航數(shù)據(jù)發(fā)送給處理母板進行進一步的格式、內(nèi)容和時序的處理。當(dāng)處理母板收到槍控觸發(fā)后，發(fā)送一個觸發(fā)命令至網(wǎng)口子板上的FPGA，再由該FPGA將觸發(fā)命令上傳給ARM嵌入式軟件，而ARM嵌入式軟件收到觸發(fā)命令后，就立即將緩存的鳥數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至綜合導(dǎo)航系統(tǒng)。

4 結(jié)語

本模擬測試系統(tǒng)硬件平臺在室內(nèi)進行了包含二維及三維在內(nèi)的多條數(shù)據(jù)的模擬測試（見圖9），測試結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)時序正確，可滿足綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的室內(nèi)測試要求。該硬件平臺配合上位機軟件，結(jié)合綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，可為我公司自研“海源”數(shù)字震源控制系統(tǒng)、“海亮”地震采集系統(tǒng)的室內(nèi)測試提供導(dǎo)航測試環(huán)境，節(jié)省了大量海試成本，具備較好的實用價值。

圖9 室內(nèi)模擬測試圖