地球物理勘探设备中关于采集站的若干问题研究
发布时间：2021-06-21 17:17
地球物理勘探,也称为应用地球物理,是基于对岩石和矿石物理特性差异的研究而建立的一种勘探方法。它通过仪器观测各种地球物理场的分布,并对观测结果进行分析,解决地质问题,在环境工程勘察和地质找矿等领域应用广泛,对于社会经济的发展意义重大。随着科技的不断进步,人们已经建立了一系列地球物理勘探方法,例如瞬变电磁法、重力勘探法、地震勘探法等。地震勘探法的精度和分辨率较高,勘探深度较大,在油气勘探领域应用十分广泛。本实验室设计了一种多层次,分布式的地震勘探数据采集系统。系统主要由主机、交叉站、电源站和采集站组成。采集站直接连接传感器模块读取数据,所有的采集站分区域进行管理,每个区域的采集站由一个电源站进行管理,每个区域的电源站由一个交叉站进行管理,主机只需要管理数量较少的交叉站即可。这种方式增加了系统的可扩展性和可靠性。本文在原有设计的基础上对采集站存在的三个问题进行了研究。一是传感器模块的供电问题。采集站使用开关电源将高压转换成低压为传感器模块供电,传感器模块使用了高精度的模数转换器（Analogto Digital Converter,简称ADC）,开关电源的噪声对ADC性能有多大影响?影响的途...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．２数据采集系统的帧响应过程??接收方会对收到的数据进行循环冗余校验（Ｃｙｃｌｉｃ?Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ?Ｃｈｅｃｋ，简称??ＣＲＣ），只有在校验正确的情况下才会处理该帧，否则会丢弃该帧
集成一个锁相环（Ｐｈａｓｅ?Ｌｏｃｋｅｄ?Ｌｏｏｐ，简称??ＰＬＬ），主要用来进行数字时钟数据恢复，对数据帧进行８ｂ／１０ｂ编解码。通过ＳＰＩ??协议，接收ＭＣＵ发来的命令和数据，将ＭＣＵ打包好的数据帧进行编码发送，??对目的地址与自身不匹配的数据帧进行转发，将目的地址与自身相匹配的帧进行??解码然后传递给ＭＣＵ。??（３）电源模块：采集站由电源站进行供电，采集站供电电压为４５Ｖ，经过??降压模块将电压转换３．３Ｖ，?１．８Ｖ，１．２Ｖ等，为不同的模块供电。采集站的供电??结构图如图２．３所示。???传输??１?８Ｖ??——?ＤＣＤＣ??其他???ＶＣＸ０??４５Ｖ?｜?—?３．３Ｖ???ＤＣＤＣ?????????ＭＣＵ??１?２Ｖ?????ＤＣＤＣ?—：??ＦＰＧＡ??图２．３采集站供电结构图??（４）带驱动电流调节的数据收发器：使用自主设计的带驱动电流调节??ＬＶＤＳ（Ｌｏｗ－Ｖｏｌｔａｇｅ?Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ?Ｓｉｇｎａｌｉｎｇ）收发器实现低功耗的数据传输。传统的??ＬＶＤＳ驱动电流为３．５ｍＡ，会造成能量冗余，为了降低采集站的功耗，设计了可??以调节驱动电流的收发器，使得可以采集站根据数据链路的误码率来动态调节驱??动电流，降低了冗余的功耗。??（５）多路选择器：采集站每个端口都有两个ＬＶＤＳ收发器，其中一个负责??发送数据，一个负责接收数据，收发功能并不固定，多路选择器可以根据ＦＰＧＡ??的控制信号来对ＬＶＤＳ的收发功能进行设置。??（６）与前端传感器模块的接口：采集站通过该接口为传感器模块供电，并??且提供采样时钟，采样同步信号，通过ＳＰＩ接口来接收传感
?ｃｌｋｘｓ?／－＾－ａ?！??Ｉ?ｉ￣?Ｉ?Ｉ??，ＤＣＤＲ?——?ＣＬＫ?］??！?ｆ??ｙ．??１?￣?广????ｙ??ｙ．???—｜??？?ＲＸ??？?Ｄｅｃｏｄｅ」口－＞?ＦＩＦＯ?—？?Ｅｅｃｏｄｅ?—？?ＴＸ??＾??————Ｊ——————?ｉ????ＴＸ?＜??Ｅｅｃｏｄｅ?＜??ＦＩＦＯ?＜??Ｄｅｃｏｄｅ?＜—?ＲＸ?＜?—ｒ－??Ｉ?２?Ｚ??ＣＬＫ?！??ＣＬＫｘ８?Ｌ?ｄｃｄｒ?ｉ??Ｌ????图２．５采集站ＦＰＧＡ结构图??数字时钟数据恢复（Ｄｉｇｉｔａｌ?Ｃｏｌｃｋ?Ｄａｔｅ?Ｒｅｃｏｖｅｒｙ，简称ＤＣＤＲ）模块主要负??责从收发器接收的二进制数据流中恢复出采样时钟。由于接收端没有和发送端相??同步的时钟对数据进行接收，因此需要从收到的数据中恢复出用于锁存数据的时??钟，使用恢复的时钟对数据进行采样可以得到正确的数据。采集站使用了数字过??采样时钟恢复方法。采集站的数据发送速率为４．０９６Ｍｂｐｓ，在接收端，时钟数据??恢复模块使用３２．７６８ＭＨｚ的时钟对数据进行边沿检测，根据边沿检测的结果调??节分频模块，使用分频模块对３２．７６８ＭＨｚ的时钟进行分频得到数据采样时钟，??最终恢复出来的采样时钟上升沿落在每ｌｂｉｔ数据的中间位置，从而可以正确接收??数据。??ＦＰＧＡ与ＭＣＵ进行数据的交互主要通过ＳＰＩ协议进行。Ｃｏｎｔｒｏｌ?ＲＥＧ是??ＦＰＧＡ内部实现的控制寄存器组，ＭＣＵ可以通过ＳＰＩ协议发送命令对控制寄存??器的值进行修改以控制ＦＰＧＡ的工作状态。??２．２．５采集站工作流程??数据采集系统中交叉站和电源站首先上
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FPGA的8B/10B编码器的设计与实现[J]. 靳鹏. 电子世界. 2018(08)
[2]多道瞬变电磁法（MTEM）国外研究进展[J]. 薛国强,武欣,李海,底青云. 地球物理学进展. 2016(05)
[3]在功耗敏感型应用中,利用高效率超低功耗开关稳压器为精密SAR ADC供电[J]. Alan Walsh. 中国集成电路. 2016(08)
[4]UniQ数据采集系统的技术优势和施工特点[J]. 罗利彬,宋磊. 物探装备. 2015(01)
[5]简单分析SERCEL几种仪器的差异[J]. 李广辉. 装备制造. 2014(S2)
[6]高精度可编程信号发生器的设计与实现[J]. 潘金云,武杰,刘列峰,孙刘洋. 核技术. 2014(07)
[7]地震数据采集核心装备现状及发展方向[J]. 刘振武,撒利明,董世泰,韩晓泉. 石油地球物理勘探. 2013(04)
[8]ADS1282及其在单通道地震数据采集单元中的应用[J]. 王怀秀,朱国维,王栋. 电子设计工程. 2010(10)
[9]一种基于FPGA的8B/10B编解码电路的设计与实现[J]. 武小强,田小平. 西安邮电学院学报. 2010(05)
[10]以太网端口自协商技术分析[J]. 何建超. 光通信技术. 2006(08)
博士论文
[1]地球物理勘探设备中数据采集部分若干关键技术研究[D]. 田楷云.中国科学技术大学 2015
[2]一种可扩展的大规模地球物理勘探数据采集系统研究[D]. 刘列峰.中国科学技术大学 2014
[3]大型地震传感器网络仿真平台的实现[D]. 宋洪治.中国科学技术大学 2011
硕士论文
[1]地球物理勘探数据传输系统中电源站设计[D]. 周猛.中国科学技术大学 2018
[2]基于ZYNQ的数据中心接口单元设计[D]. 吕俊杰.中国科学技术大学 2018
[3]基于FPGA的高速8B/10B编解码电路设计[D]. 张平.安徽大学 2016
[4]四阶前馈Σ-ΔADC中噪声与谐波失真分析及验证[D]. 杨健.哈尔滨工业大学 2014
[5]分布式无线数据采集的实现[D]. 解子亮.中国科学技术大学 2011
[6]TEM接收线圈的测试与分析[D]. 梁岩冰.吉林大学 2008
[7]低噪声LDO线性稳压器的设计[D]. 肖涌.贵州大学 2008
本文编号：3241081
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．２数据采集系统的帧响应过程??接收方会对收到的数据进行循环冗余校验（Ｃｙｃｌｉｃ?Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ?Ｃｈｅｃｋ，简称??ＣＲＣ），只有在校验正确的情况下才会处理该帧，否则会丢弃该帧
集成一个锁相环（Ｐｈａｓｅ?Ｌｏｃｋｅｄ?Ｌｏｏｐ，简称??ＰＬＬ），主要用来进行数字时钟数据恢复，对数据帧进行８ｂ／１０ｂ编解码。通过ＳＰＩ??协议，接收ＭＣＵ发来的命令和数据，将ＭＣＵ打包好的数据帧进行编码发送，??对目的地址与自身不匹配的数据帧进行转发，将目的地址与自身相匹配的帧进行??解码然后传递给ＭＣＵ。??（３）电源模块：采集站由电源站进行供电，采集站供电电压为４５Ｖ，经过??降压模块将电压转换３．３Ｖ，?１．８Ｖ，１．２Ｖ等，为不同的模块供电。采集站的供电??结构图如图２．３所示。???传输??１?８Ｖ??——?ＤＣＤＣ??其他???ＶＣＸ０??４５Ｖ?｜?—?３．３Ｖ???ＤＣＤＣ?????????ＭＣＵ??１?２Ｖ?????ＤＣＤＣ?—：??ＦＰＧＡ??图２．３采集站供电结构图??（４）带驱动电流调节的数据收发器：使用自主设计的带驱动电流调节??ＬＶＤＳ（Ｌｏｗ－Ｖｏｌｔａｇｅ?Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ?Ｓｉｇｎａｌｉｎｇ）收发器实现低功耗的数据传输。传统的??ＬＶＤＳ驱动电流为３．５ｍＡ，会造成能量冗余，为了降低采集站的功耗，设计了可??以调节驱动电流的收发器，使得可以采集站根据数据链路的误码率来动态调节驱??动电流，降低了冗余的功耗。??（５）多路选择器：采集站每个端口都有两个ＬＶＤＳ收发器，其中一个负责??发送数据，一个负责接收数据，收发功能并不固定，多路选择器可以根据ＦＰＧＡ??的控制信号来对ＬＶＤＳ的收发功能进行设置。??（６）与前端传感器模块的接口：采集站通过该接口为传感器模块供电，并??且提供采样时钟，采样同步信号，通过ＳＰＩ接口来接收传感
?ｃｌｋｘｓ?／－＾－ａ?！??Ｉ?ｉ￣?Ｉ?Ｉ??，ＤＣＤＲ?——?ＣＬＫ?］??！?ｆ??ｙ．??１?￣?广????ｙ??ｙ．???—｜??？?ＲＸ??？?Ｄｅｃｏｄｅ」口－＞?ＦＩＦＯ?—？?Ｅｅｃｏｄｅ?—？?ＴＸ??＾??————Ｊ——————?ｉ????ＴＸ?＜??Ｅｅｃｏｄｅ?＜??ＦＩＦＯ?＜??Ｄｅｃｏｄｅ?＜—?ＲＸ?＜?—ｒ－??Ｉ?２?Ｚ??ＣＬＫ?！??ＣＬＫｘ８?Ｌ?ｄｃｄｒ?ｉ??Ｌ????图２．５采集站ＦＰＧＡ结构图??数字时钟数据恢复（Ｄｉｇｉｔａｌ?Ｃｏｌｃｋ?Ｄａｔｅ?Ｒｅｃｏｖｅｒｙ，简称ＤＣＤＲ）模块主要负??责从收发器接收的二进制数据流中恢复出采样时钟。由于接收端没有和发送端相??同步的时钟对数据进行接收，因此需要从收到的数据中恢复出用于锁存数据的时??钟，使用恢复的时钟对数据进行采样可以得到正确的数据。采集站使用了数字过??采样时钟恢复方法。采集站的数据发送速率为４．０９６Ｍｂｐｓ，在接收端，时钟数据??恢复模块使用３２．７６８ＭＨｚ的时钟对数据进行边沿检测，根据边沿检测的结果调??节分频模块，使用分频模块对３２．７６８ＭＨｚ的时钟进行分频得到数据采样时钟，??最终恢复出来的采样时钟上升沿落在每ｌｂｉｔ数据的中间位置，从而可以正确接收??数据。??ＦＰＧＡ与ＭＣＵ进行数据的交互主要通过ＳＰＩ协议进行。Ｃｏｎｔｒｏｌ?ＲＥＧ是??ＦＰＧＡ内部实现的控制寄存器组，ＭＣＵ可以通过ＳＰＩ协议发送命令对控制寄存??器的值进行修改以控制ＦＰＧＡ的工作状态。??２．２．５采集站工作流程??数据采集系统中交叉站和电源站首先上
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FPGA的8B/10B编码器的设计与实现[J]. 靳鹏. 电子世界. 2018(08)
[2]多道瞬变电磁法（MTEM）国外研究进展[J]. 薛国强,武欣,李海,底青云. 地球物理学进展. 2016(05)
[3]在功耗敏感型应用中,利用高效率超低功耗开关稳压器为精密SAR ADC供电[J]. Alan Walsh. 中国集成电路. 2016(08)
[4]UniQ数据采集系统的技术优势和施工特点[J]. 罗利彬,宋磊. 物探装备. 2015(01)
[5]简单分析SERCEL几种仪器的差异[J]. 李广辉. 装备制造. 2014(S2)
[6]高精度可编程信号发生器的设计与实现[J]. 潘金云,武杰,刘列峰,孙刘洋. 核技术. 2014(07)
[7]地震数据采集核心装备现状及发展方向[J]. 刘振武,撒利明,董世泰,韩晓泉. 石油地球物理勘探. 2013(04)
[8]ADS1282及其在单通道地震数据采集单元中的应用[J]. 王怀秀,朱国维,王栋. 电子设计工程. 2010(10)
[9]一种基于FPGA的8B/10B编解码电路的设计与实现[J]. 武小强,田小平. 西安邮电学院学报. 2010(05)
[10]以太网端口自协商技术分析[J]. 何建超. 光通信技术. 2006(08)
博士论文
[1]地球物理勘探设备中数据采集部分若干关键技术研究[D]. 田楷云.中国科学技术大学 2015
[2]一种可扩展的大规模地球物理勘探数据采集系统研究[D]. 刘列峰.中国科学技术大学 2014
[3]大型地震传感器网络仿真平台的实现[D]. 宋洪治.中国科学技术大学 2011
硕士论文
[1]地球物理勘探数据传输系统中电源站设计[D]. 周猛.中国科学技术大学 2018
[2]基于ZYNQ的数据中心接口单元设计[D]. 吕俊杰.中国科学技术大学 2018
[3]基于FPGA的高速8B/10B编解码电路设计[D]. 张平.安徽大学 2016
[4]四阶前馈Σ-ΔADC中噪声与谐波失真分析及验证[D]. 杨健.哈尔滨工业大学 2014
[5]分布式无线数据采集的实现[D]. 解子亮.中国科学技术大学 2011
[6]TEM接收线圈的测试与分析[D]. 梁岩冰.吉林大学 2008
[7]低噪声LDO线性稳压器的设计[D]. 肖涌.贵州大学 2008
本文编号：3241081
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