MTEM勘探系统中主机接口的设计

发布时间：2017-08-20 00:10

  本文关键词：MTEM勘探系统中主机接口的设计

  更多相关文章： 多通道瞬变电磁法 主机 可靠数据传输 千兆以太网 FPGA 硬件应答 硬件排序 分布式管理

【摘要】：瞬变电磁法是一种重要的地球物理勘探方法。相比传统瞬变电磁法,多通道瞬变电磁法利用编码发射、多道观测和类地震数据处理等技术,大幅度提升了探测精度和探测深度,是电磁法领域的研究热点之一。 在多通道瞬变电磁法勘探系统中,主机是数据处理中心,也是系统管理中心。多道观测使得多通道海量采集数据需要回传给主机,主机需要在保证数据可靠性的基础上具有高数据率。另外,主机需要对海量采集数据进行预处理以方便类地震数据处理,比如时序到道序的转换。同时,主机还需要对多个采样通道进行高效的管理。传统主机通常利用网卡配合RUDP/TCP等可靠传输协议实现,其中协议栈需要对每个报文进行处理,数据率受报文长度和CPU性能制约。另外,传统主机一般利用软件实现采集数据的排序,大量的数据解析和数据拷贝使得排序效率较低。同时,传统主机与多个采样通道使用星型连接,一对多的管理模式降低了系统管理效率。 本文利用FPGA在数据处理速度上的优势,设计了主机上层应用程序与多通道MTEM勘探系统的接口,称为主机接口。主机接口分为主机接口卡和与其配合驱动和管理软件两个部分。在主机接口卡的设计中,主机接口卡基于千兆以太网物理层数据传输技术,利用FPGA实现了地球物理勘探专用的可靠传输协议,省去了协议栈的数据处理,减少了内存拷贝的次数。另外,主机接口卡在FPGA中配合DDR存储器实现了采集数据时序道序转换的功能,减少了软件的工作量,提高了排序效率。在驱动和管理软件的设计中,管理软件基于分布式管理思想,利用以太网物理地址寻址技术,实现了适合地球物理勘探系统的系统管理API,减轻了上层应用程序的管理压力,提高了管理效率。 测试表明,利用该主机接口实现的新型主机在任何报文长度下都拥有99.9%的以太网带宽利用率,同时CPU占用率为25%左右。而传统主机在短报文(256bytes)传输时,以太网带宽利用率低于55%,但CPU占用率却达到50%以上。
【关键词】：多通道瞬变电磁法 主机 可靠数据传输 千兆以太网 FPGA 硬件应答 硬件排序 分布式管理
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH763.1
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-16
• 第一章 绪论16-22
• 1.1 引言16
• 1.2 瞬变电磁法16-17
• 1.3 多通道扩展17-18
• 1.4 国内外发展18-19
• 1.5 本文主要研究内容19
• 1.6 论文结构19-22
• 第二章 主机接口设计背景22-34
• 2.1 MTEM勘探系统拓扑22
• 2.2 MTEM勘探技术指标22-24
• 2.2.1 单道数据率22-23
• 2.2.2 单站单道与单站多道23-24
• 2.2.3 最大采样道数24
• 2.3 主机接口与MTEM数据采集系统24-26
• 2.3.1 MTEM数据采集系统结构24-25
• 2.3.2 主机接口结构25-26
• 2.4 主机接口的需求与选择26-34
• 2.4.1 数据率需求26-28
• 2.4.2 可靠性需求28-29
• 2.4.3 数据排序需求29-31
• 2.4.4 系统管理需求31-34
• 第三章 主机接口卡设计34-54
• 3.1 功能结构34-35
• 3.2 FPGA逻辑设计35-48
• 3.2.1 模块化设计与FIFO35
• 3.2.2 帧格式35-36
• 3.2.3 以太网路由模块36-37
• 3.2.4 硬件确认模块37-40
• 3.2.5 DDR读写模块40-42
• 3.2.6 硬件排序模块42-44
• 3.2.7 PCI-e DMA控制模块44-48
• 3.3 MCU软件设计48-54
• 3.3.1 系统配置48-49
• 3.3.2 系统升级49-54
• 第四章 驱动和管理软件设计54-64
• 4.1 驱动54-56
• 4.1.1 设备初始化54-55
• 4.1.2 读写实现55-56
• 4.2 管理软件56-64
• 4.2.1 多线程设计与队列57
• 4.2.2 库结构57-58
• 4.2.3 系统管理58-64
• 第五章 测试与对比64-72
• 5.1 测试方法64-68
• 5.1.1 新型主机测试方法64-65
• 5.1.2 基于RUDP的传统主机测试方法65-67
• 5.1.3 基于TCP的传统主机测试方法67-68
• 5.2 测试结果68-69
• 5.3 分析与对比69-72
• 5.3.1 有效数据率69
• 5.3.2 带宽利用率69
• 5.3.3 CPU占用率69-72
• 第六章 总结与展望72-74
• 6.1 主要研究工作和创新性结果72-73
• 6.2 存在的问题和有待进一步研究的内容73-74
• 参考文献74-76
• 附录A 主机接口卡实物图76-78
• 附录B MTEM数据采集系统原型照片78-80
• 致谢80-82
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王琳,商周,王学伟;数据采集系统的发展与应用[J];电测与仪表;2004年08期

2 薛国强;李貅;底青云;;瞬变电磁法理论与应用研究进展[J];地球物理学进展;2007年04期

3 周平;施俊法;;瞬变电磁法(TEM)新进展及其在寻找深部隐伏矿中的应用[J];地质与勘探;2007年06期

4 龙世渚，，曹汉房;自动选择重发方案的改进[J];华中理工大学学报;1994年11期

5 张琳琳;张涌;;PCI-E设备模块设计及其WDF驱动开发[J];科学技术与工程;2012年01期

6 张文叶,刘杰,刘新焕;一种提高TCP/IP网络协议传输速率的方法[J];计算机工程与设计;2005年05期

7 李秋成;;国外电缆遥测地震系统发展中的问题和趋势[J];石油仪器;1991年02期

8 戴萧嫣;王立恒;李圣昆;张时华;;基于LVDS的长线传输模块设计[J];通信技术;2009年11期

9 方桂娟;数据通信中的重发差错控制系统[J];三明大学学报(综合版);1998年S1期

10 冯培忠,曲选辉,吴小飞;关于我国矿产资源利用现状及未来发展的战略思考[J];中国矿业;2004年06期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 马毅超;大规模陆上地震仪器中高速可靠数据传输方法的研究[D];中国科学技术大学;2011年

2 张杰;一种高速数据存储方法的研究[D];中国科学技术大学;2013年

本文编号：703651