基于PICMG2.16的數據獲取系統設計

邱永成，黃龍君，胡 勇，趙凱迪，劉延旭，馬曉偉，張子振

(中海油田服務股份有限公司 物探事業部，天津 300450)

0 引言

隨著海上地震勘探的發展，地震勘探采集技術向著高密度、多分量、超多道的方向發展[1-2]，地球物理勘探技術對地震勘探采集裝備的需求越來越高。與傳統的組合方式比較，多維高密度采集的地震數據量成倍的增長，這對地震記錄儀器的數據采集能力提出了巨大的挑戰。并且這種地震數據量的增長，也對數據的同步控制、實時處理、傳輸等技術提出了很高的要求[3-5]。同時，隨著采集方法和處理技術的發展，采集密度也逐步增大，放炮密度成倍增加，致使采集時間越來越長、勘探成本越來越高，因此傳統的逐炮激發的非連續采集已經不能滿足勘探和數據處理的需求；現行的多船作業[6]，多震源激發[7]等新作業方式和處理技術要求地震數據能夠連續采集，地震數據的記錄能夠實現不同炮的連續重疊記錄。

本文提出了一種適用于海上地震勘探的基于PICMG2.16的數據獲取系統，能夠有效實時地控制、采集、處理和存儲來自地震勘探電纜的高速地震數據，并通過千兆網絡傳送到記錄和顯示設備，實現地震數據的采集同步控制及多纜地震數據的接受和處理功能。通過GPS及北斗授時系統的接口實現和星形命令拓撲結構的實現，提高了系統的同步采集控制精度，并且能夠實現地震數據的連續采集控制和處理。

1 海上地震采集系統

海上地震采集系統如圖1所示。 海上地震采集一般用采集船進行采集[8]，整個采集系統包含兩大部分：水下系統和船載系統[9]。水下系統可以是電纜或者海底電纜，主要完成地震檢波器信號的數字化和傳輸；船載系統主要完成水下系統的采集控制以及水下系統地震數據的接收、處理、記錄和顯示等功能。數據獲取系統是船載系統的核心部分，與水下系統和工作站主機相連，實現所有水下系統采集控制，地震數據的接收、處理等功能，并把所有地震數據傳輸給工作站主機進行記錄和顯示。

2 數據獲取系統設計

2.1 數據率及數據量分析

在設計數據獲取系統時，水下拖纜的數據量是一個很關鍵的參數。在地震采集系統中，水下道間距按照最小的3.125米計算，當采樣率為1 000 Sps，纜長12公里時，單纜總道數為3 840道。當采樣精度為24 bit，則每條纜數據凈荷為：3 840*1 000 Sps*24 bit=92.16 Mbps，4條纜數據凈荷為：92.16 Mbps*4= 368.64 Mbps，24條纜數據凈荷為：92.16 Mbps*24= 2 211.84 Mbps。由此可見，一根千兆以太網(1 000 Mbps)理論上：

1 000 Mbps/92.16 Mbps=10

可以滿足10條纜的數據傳輸能力，但這僅僅是從數據凈荷的角度考慮，并沒有考慮數據傳輸協議的開銷，以及TCP/IP協議的開銷。因此，本方案設計考慮到充分的數據冗余傳輸能力，每條千兆以太網只做最高支持4條纜的數據傳輸。

一般情況下地震勘探系統每炮數據采集的時間小于18 s，以18 s為例，則對于單纜來說，數據凈荷量的大小為：92.16 Mbps*18= 1.66 Gbit，4纜數據凈荷量為：92.16*18*4=6.64 Gbit，24纜數據凈荷量為：92.16*18*24=39.81 Gbit。這意味著，在數據處理電路模塊上進行硬件的時序道序轉換，單纜系統需要的最小內存大小為1.66 Gbit，4纜的則為6.64 Gbit。

因此本系統設計四條纜數據匯集完用一個千兆以太網進行傳輸，且硬件存儲能力需要大于6.6 4 Gbit。

2.2 系統架構設計

根據地震數據的數據量及數據率要求及系統設計指標要求，數據獲取系統可以采用CPCI總線架構來進行設計。CPCI總線具有堅固、可靠、易于擴展、高速等優點，廣泛應用于實時系統控制、工業自動化、實時數據采集等方面[10-11]。本數據獲取系統結構如圖2所示。

圖2 數據獲取系統結構圖

圖中主體是一臺機箱DRC(Data Readout Crate數據讀出機箱)，其內部安置有4種規格的電子學插件，分別為同步控制模塊SCM(Synchronizing Controlling Module)、同步接口模塊SCM-r、數據處理模塊SPM(Signal Processing Module)和數據接口模塊SPM-r。其中SCM和SCM-r相互配對，分別為CPCI機箱的前后插板；SPM和SPM-r相互配對，為CPCI機箱的前后插板。DRC系統中，SCM和SCM-r電路只會各有一塊，而SPM和SPM-r則與電纜配置數量有關，一塊SPM負責處理最多4條電纜上傳的數據，一個DRC機箱最多負責6塊SPM共計24條水下電纜的數據處理。4種電子學插件主要功能如下。

SCM主要功能：

同步扇出系統時鐘至各個SPM插件；通過千兆以太網接收主控發送來的系統控制命令(以及配置參數等)，并將其同步扇出至各個SPM插件；接收來自導航、槍控系統的觸發信號，并同步扇出至各個SPM插件；接收各個SPM發送過來的振子、狀態等數據，并進行組裝后通過千兆以太網口發送給主控工作站。

SPM插件主要功能：

接收來自SCM發送過來的同步時鐘、命令；通過千兆以太網口發送本模塊所接收的四條電纜數據，并完成數據的時序道序轉換；抽取本模塊所接收電纜的數據從而形成振子數據，并將振子數據發送給SCM模塊以供監視；發送系統命令到水下電纜系統。

SCM-r插件主要功能：

系統主時鐘插件，其上運行有系統的時鐘源，該時鐘可配置成多種不同的頻率；接口功能，完成SCM網絡的后出線，完成導航、槍控觸發信號的接收，完成板載及外接授時系統(北斗或者GPS)的接收；級聯功能，完成多機箱系統的同步功能。

SPM-r插件主要功能：

電纜通信接口，完成四條電纜的高速串行通信接口及時鐘命令接口；完成高壓直流電源的遠程控制功能；

考慮到系統的同步性和處理的數據量要求，整個數據獲取系統的結構是基于PICMG2.16(Compact PCI)規范的，PICMG 2.16規范定義了基于包交換的數據傳輸架構[12][13]，并且通過定義J3上專用連接線(差分)，實現在機箱背板(PSB：Packet Switching Backplane)上支持高性能的星形拓撲結構。在PICMG 2.16機箱中，其插槽分為兩種類別，即交換槽(Fabric)和節點槽(Node)。最多的情況下，該類機箱能夠支持21個插槽，包含2個交換槽(a和b)以及19個節點槽，從而能夠構成雙星拓撲結構(dual star)。

由以上分析可知，PICMG 2.16版本的機箱，其交換槽(fabric)最高可支持19塊節點板，每塊節點板(Node)支持兩組共8路(LPa_DA±、LPa_DB±、LPa_DC±、LPa_DD±)(LPb_DA±、LPb_DB±、LPb_DC±、LPb_DD±)信號傳遞能力，其中的a和b用于構建雙星拓撲。

由于本設計中，每塊SCM(Fabirc)模塊只需要3條獨立通道連接至SPM(Node)，因此現有的一個交換槽的4路信號通道足夠使用。PICMG 2.16規范還規定了每個信號通道為差分線路，并且能夠支持高達4 Gbps的帶寬，處理速度完全能滿足地震數據的要求。

2.3 系統硬件設計

SCM模塊是一塊6U(233.35×160 mm)大小的電路板，其上包含一片FPGA和一塊PMC千兆以太網扣板，如圖3所示。SCM內部包含GEM、FPGA、GTX、SCM-r等單元的接口，分別用于進行網絡通信、數字信號及時序控制、指令發送、振子數據收集、同步信號及時鐘處理等。FPGA具體選擇Altera公司的5CGXFC5C6F27，支持6對千兆位收發器，FPGA完成對觸發命令的處理和扇出、接收SPM發送過來的振子數據并送至GEM模塊、根據系統配置將時鐘通過PLL調整后進行扇出。

GEM模塊為一個基于SOC技術的FPGA+ARM嵌入式系統(Linux)，其與FPGA之間通過自定義總線接口協議進行數據的交換，GEM將FPGA與主控工作站之間進行普通數據與網絡數據的透明轉發，不做任何解析和處理。

SCM-r模塊是一塊標準的6U(233.35×80 mm)尺寸的CPCI后插板，如圖3所示。SCM-r模塊通過RS232串口(采用MAX3232實現)接收導航、槍控系統的觸發信號，然后直接轉發給SCM模塊。為了實現多機箱的級聯，在SCM-r上設計用于時鐘和指令的擴展通道，從而形成級聯菊花鏈。SCM-r內部包含通信接口、觸發接口、時鐘扇出、授時等單元的接口，分別用于進行數據通信、觸發時序控制、時鐘處理、授時信號處理等。

圖3 SCM及SCM-r硬件設計結構圖

SPM模塊是一塊6U(233.35×160 mm)大小的電路板，其上包含一片FPGA、一塊PMC千兆以太網扣板GEM以及兩片大容量DDR內存，分別用于進行網絡通信、數字信號及時序控制、數據緩存、時序道序轉換、指令接收、振子數據發送、同步信號及時鐘處理等，如圖4所示。

對于每塊SPM而言，其所連接的電纜數量是可以動態配置的，系統工作時，SPM板將會自動監測所連接電纜的數量，并完成內存地址的自動分配(電纜與數據的對應關系，可在主控軟件里面進行配置)。為了能夠支持對于多達4條電纜數據的支持，SPM需要支持至少6.4 Gbit的內存，因此選擇大容量的DDR3內存是主要的技術路線，其單片容量可高達16 Gbit。Altera Cyclone V以上的FPGA，其內嵌有硬核的DDR控制器，這極大地提高了內存的讀寫性能，并且也降低了邏輯設計的難度。

SPM-r模塊是一塊標準的6U(233.35×80 mm)尺寸的CPCI后插板，如圖4所示。SPM-r模塊的工作時鐘由SCM-r傳遞過來，其與SPM模塊之間采用千兆位收發器進行數據通信。其上的FPGA接收水下電纜的數據，并轉發給對應的SPM插件；接收來自SPM插件發送過來的系統命令，并轉發給水下電纜；最多支持4條水下電纜。同時，SPM-r具備與高壓電源設備之間的數據交互接口，可用于控制電源或接收器反饋的狀態信息。

圖4 SPM及SPM-r硬件設計結構圖

2.4 系統同步設計

地震采集系統是分布式的采集系統，采集的同步控制是一個很關鍵的因素，同步性能直接影響到采集到的地震數據質量[14-15]。地震采集系統的同步包含兩個層面的含義，首先是指令同步，即指令執行時刻的差異性，屬于相位差異；其次是指令執行后的一致性問題，即時鐘同步，屬于頻率差異。

2.4.1 指令同步

整個地震采集系統工作時，主控系統會向各個處理節點發送控制指令，其中某些指令對于同步性能有一定的要求，比如采集控制，這關系到全局采集時刻的同步，會影響地震波形的采集及重構質量。為實現此目的，首先需要完成命令同步的處理，其過程如下：

圖5 指令同步方案

主控節點接收系統控制指令，并通過網絡發送給SCM的網絡接收端。當該模塊識別出正確的控制指令后，通過SOC片上系統接口，將指令數據發送至硬件處理模塊，從而進行硬件實時的指令扇出處理。該硬件編碼的指令信號，通過DRC機箱背板專用串行總線(千兆收發器)，扇出至SPM插件作進一步的處理。

SPM通過千兆收發器取得指令數據的方法是利用SerDes從編碼的指令bit流中提取，數據率為1.25 Gbps，由于時鐘恢復相位的不確定性問題，正確識別并提取出指令的時刻與發送時刻除了固定延遲skew之外，會引入額外的不確定性，其最大值為一個發送時鐘周期，即10 ns(100 MHz)。識別出來的系統控制指令除了在SPM本地執行外，還需要通過全局時鐘控制，通過指令扇出端口傳送至水下系統。

在圖6中，系統指令經過主控網絡到達SCM后，通過千兆位收發器被發送至SPM，數據率為1.25 Gbps。SPM在提取指令數據的時候，會產生一個時鐘周期的晃動(10 ns)。然而，由于SPM下發至水下系統的時候，發送時鐘是10 MHz的系統同步時鐘，因而數據扇出會被新的低頻時鐘同步，從而消除因千兆收發器接收所帶來的不確定性。

圖6 指令同步誤差分析

這種不確定性其實是可以通過調整修改千兆收發器的恢復時鐘相位來解決的，只不過即便指令相對于MCLK時鐘上出現的誤差，最大也不過是100 ns的不確定性，這對于地震采集而言，是可以忽略的性能誤差。

2.4.2 時鐘同步

當水下系統進入采集模式后，如果采集模塊工作在各自時鐘下，由于時鐘的差異性，會導致長時間運行后采樣時刻的不同步，為此需要所有采集模塊工作在同一個同步時鐘頻率下，從而保證長期運行的同步性能。否則，就需要在固定的時間間隔，由水上系統發送同步指令到水下所有采集模塊，并將其內部的采集執行單元進行同步處理。為了處理這些問題，本設計中，通過數據采集箱體向水下系統扇出全局性同步時鐘，從而從根本上解決采集同步的問題。

為保證系統級采集時鐘的精確同步，需要在室內系統將源時鐘MCLK進行精確扇出。具體實現方案如圖7所示。

圖7 時鐘同步分發方案

整個系統的時鐘源有3種選擇:1)通過GPS的秒脈沖信號馴化SCM-r電路上的板載恒溫時鐘源(gps-CLK)；2)未經過外界馴化的本地時鐘(local-CLK)；3)接收來自外部的時鐘。這3個時鐘頻率均為10 MHz，并被分別送至SCM-r電路上的時鐘扇出模塊送至機箱內所有的插件，該時鐘通過CPCI背板分別送至SCM、SPM以及SPM-r，從而使得整個DRC機箱內部所有電子學插件均能夠獲得10 MHz全局同步時鐘，此為全局主時鐘MCLK。

SPM-r電路在接收到主時鐘MCLK后，將其送至指令時鐘處理模塊，并按照分時復用的機制，將MCLK時鐘和SPM傳遞過來的指令數據，通過專用接口在單根傳輸線上逐級下傳至水下系統中的每個時鐘接收點，從而完成系統級時鐘的同步分發。

為了實現單根傳輸線上進行指令和時鐘的傳輸，本設計采用時分復用傳輸指令和時鐘的方法，時鐘和指令被復用到一條傳輸通道上，通過時間片的方式進行二者之間的切換。在指令時鐘線路上，當發送命令的時候，線路上為指令的編碼信號，而當需要發送時鐘的時候，則為時鐘信號。為此，需要對整個系統的工作協議進行仔細的設計，通過指令時鐘狀態機進行控制，從而保證時分復用的可靠和穩定。

2.4.3 級聯同步

當系統規模擴大導致一個數據讀出機箱不夠用的時候，可通過擴展機箱來提高系統對多纜的支持能力。常規情況下，一塊SPM插件支持4條拖纜，一個DRC機箱放置4塊SPM插件，這樣一個機箱共支持16條拖纜。當纜數增加時，通過擴充DRC機箱來提高對纜的支持能力，但這需要機箱之間具備指令及時鐘的同步能力。為解決此問題，可以在SCM-r同步插件上，增加指令輸入輸出的接口、時鐘輸入輸出的接口。在需要進行多機箱同步時，通過這些擴展接口，將SCM-r的指令和時鐘進行級聯從而構成菊花鏈結構，分別形成指令和時鐘的兩條菊花鏈結構。此時，系統存在一個主SCM-r模塊(Master)，其是指令及時鐘的源頭，當主模塊(通過其SCM前插板)接收到來自主控工作站指令或外部TB信號的時候，處理本級機箱對其進行處理或扇出外，還會通過擴展的指令扇出接口，將該指令通過菊花鏈傳送至從SCM-r模塊，并沿著菊花鏈傳輸至每一個節點，從而實現指令在多機箱之間的傳遞過程。與此類似，主SCM-r模塊通過時鐘扇出接口，將時鐘送至時鐘菊花鏈上每一個從模塊，并進一步扇出至該機箱內部每個時鐘接收點。

該菊花鏈進行時鐘及指令級聯方案，可保證室內系統架構的靈活性和擴展性，從而保證多機箱、多纜的靈活支持能力。然而，由于菊花鏈的級聯結構，會導致其上各個節點之間存在延遲(主要是指令的處理延遲)，為減小該延遲所帶來的影響，可以減小指令進入各個SCM-r內部的處理時間，并使其控制在亞微秒的量級，因而指令的扇出可以利用高速串行方式進行。如扇出波特率為40 Mbps時，則指令的延遲時間可以控制在百納秒量級。對時鐘扇出的處理存在類似的問題，但由于該延遲較小(納秒量級)，因而也是可以忽略的。

2.5 連續采集實現

在海上地震勘探中,包括拖纜采集、海底電纜采集、海底節點采集等作業方式，連續采集可以使得炮間距減小、覆蓋次數增加、采集效率提高，已經成為最主要的采集方法[16-18]。要實現連續采集的必要條件是系統級同步能力，否則當系統連續運行一段時間后，各個采集點之間會出現跑偏的現象，從而在數據處理時無法對齊數據，影響數據質量；另外還需要保證每一炮數據能夠實時上傳，使得連續兩炮數據采集中不存在延遲現象，這就要通過乒乓緩存來達到[19]。為實現這一點，同步是關鍵，包括儀器系統與導航系統的同步、纜間同步、纜內采集模塊的同步。在本系統中通過授時系統的標準UTC時間實現與導航系統的同步，纜間及纜內同步采用3.4節提到的指令同步和時鐘同步方案實現，確保了整個系統的同步滿足連續采集的要求。

連續采集的工作流程如圖8所示，其中DQ&OCM指的是室內記錄與主控軟件系統，包括用戶界面和存儲系統。SPM指的是數據獲取系統中的地震數據處理模塊。Cable則表示水下系統，包括電纜中所有的采集傳輸模塊。

系統有兩種工作模式，其一為配置模式，在這個模式下，整個系統不進行數據的采集和上傳，僅僅允許下發各種配置。另外一種是采集模式，在這個模式下，系統連續不斷的采集、上傳并存儲數據。兩種模式的切換為兩條指令：開始采集和停止采集。

剛進入連續采集模式的時候，SCM啟用連續采集模式，解析北斗或者GPS授時系統的時間信息，接收授時系統的時鐘信號，并同步扇出到水下系統的采集模塊；此時系統僅僅是抽取數據，顯示振子。當下達開始儲存的命令之后，SPM開始進行時序道序轉換和緩存數據，并把第一個數據根據SCM獲取的時間信息打上時間戳，當緩存數據達到預先配置的大小的時候，SPM這一固定長度的數據讀出并發送給上位機工作站，同時繼續進行時間戳標記和數據緩存，連續運行直到退出采集。由于SPM采用了兩片緩存的乒乓架構，所以發送數據并不會影響接收數據的緩存，每次開始發送數據的時間間隔也是固定的。

時間間隔 = 每次緩存的數據大小/(每次采樣的數據大小×總通道數×采樣率)，在接收到結束儲存的指令后，SPM會將最后一次緩存的數據上傳，然后停止數據緩存工作。

3 試驗結果與分析

為了測試本文所設計的地震數據獲取系統的同步性能，進行了如下的測試。

利用示波器測試各個SPM-r板的每個電纜接口發出的指令之間的時間差。測試時包含1塊SCM板、1塊SCM-r板、4塊SPM板、4塊SPM-r板。給SPM-r板的每個電纜接口都連接一個水下數據采集板，使用信號發生器作為外觸發激勵源來產生TTL觸發信號。SCM-r板收到TTL觸發信號后會給4塊SPM-r板的16個接口同時發送一條命令，利用示波器測量不同接口之間的命令時間差就能判斷系統的同步性，每種測量10次取平均值RMS。

表1為數據獲取系統的同步測試，可以看出單SPM-r的不同水下接口之間的同步誤差在2 ns以內，不同SPM-r的水下接口之間的同步誤差在20 ns之內；整個數據獲取系統各個水下接口之間的同步誤差小于20 ns。

表1 系統同步測試

為了驗證系統的實際作業性能，對本文所述的數據獲取系統進行了海上試驗。圖9為數據獲取系統在東方明珠船上進行海上試驗所采集到的地震數據剖面圖。水下系統連接了4段電纜24個采集模塊，所有采集模塊的采集同步滿足要求，系統連續運行了50個小時，采集了160 km的二維地震數據。測試結果驗證了設計的預期，數據獲取系統的同步性、數據采集處理和傳輸的性能能夠滿足要求。

圖9 數據采集剖面圖

4 結束語

海上地震勘探儀器向著高密度的方向發展，隨之而來的就是數據量成倍的增加和傳輸速度的提高，這就帶來了數據獲取系統的同步控制和數據接收處理能力的挑戰[20]。本文提出的地震數據獲取系統基于PICMG2.16結構，利用背板的星形總線和時鐘扇出網絡保證了系統的同步誤差在ns量級，能夠滿足地震數據的采集要求；同時解決了大容量地震數據的采集、處理和傳輸的問題，設計的數據獲取系統結構緊湊集成度高，單箱體能夠滿足24纜地震數據的采集控制和數據處理要求，并且通過機箱的級聯能夠支持更多纜數。

經過室內系統的測試和海上現場作業的試驗證明，本文提出的數據獲取系統能夠滿足地震數據采集的要求，具有同步性高、集成度高等優點，對相關的數據采集控制系統的設計具有一定的參考價值。