G3i/Aries儀器數(shù)傳電纜通斷檢測(cè)儀的研制

，，，，

(1.東方地球物理勘探有限責(zé)任公司裝備服務(wù)處長(zhǎng)慶作業(yè)部　寧夏　銀川　750005； 2.冀東油田分公司機(jī)動(dòng)設(shè)備處　河北　唐山　063000)

0　引　言

G3i儀器是INOVA公司研發(fā)生產(chǎn)的新一代24位有線遙測(cè)地震勘探儀器。應(yīng)用軟件是基于Windows 64位操作平臺(tái)開(kāi)發(fā)的，操作界面簡(jiǎn)單，易于上手，人機(jī)交互界面良好，軟件功能強(qiáng)大，帶道能力較強(qiáng)，目前系統(tǒng)最大帶道能力為10萬(wàn)道。系統(tǒng)支持滑動(dòng)掃描、DSSS等各種高效采集工作模式。G3i系統(tǒng)主要由中央記錄系統(tǒng)(CRS)和地面設(shè)備組成。地面設(shè)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(guó)內(nèi)外項(xiàng)目中充當(dāng)主力軍，發(fā)展迅猛，設(shè)備投入量大，萬(wàn)道以上大規(guī)模的三維地震勘探項(xiàng)目常態(tài)化。長(zhǎng)慶作業(yè)部的采集設(shè)備和數(shù)傳電纜的維修保障工作量逐年增加，G3i采集站的研究攻關(guān)力度不斷加強(qiáng)，地面采集站體及數(shù)傳電纜的維修手段需不斷創(chuàng)新拓展。

FPGA(Field Programmable Gate Array，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)是專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路芯片，采用一種易于反復(fù)配置的查找表LUT(Look-Up-Table)結(jié)構(gòu)，改變查找表內(nèi)容即可實(shí)現(xiàn)FPGA的重復(fù)配置，從而在相同的電路情況下實(shí)現(xiàn)不同的邏輯功能，給技術(shù)人員提供了很大的創(chuàng)新空間。

FPGA是G3i采集站的大腦，是中樞神經(jīng)控制系統(tǒng)，它接收儀器的指令協(xié)調(diào)采集設(shè)備有條不紊地工作?？梢岳闷淇芍匦麻_(kāi)發(fā)的特性，改造G3i報(bào)廢采集站數(shù)字板電路，編寫專用軟件，通過(guò)FPGA I/O 接口來(lái)控制電路工作，應(yīng)用在電纜的維修測(cè)試中，實(shí)現(xiàn)數(shù)傳電纜故障判斷智能化。電纜一經(jīng)連接，其8根數(shù)傳線對(duì)的通斷情況一目了然；聽(tīng)蜂鳴聲、看顯示，就能區(qū)分出A、B插頭本道線對(duì)的通斷。

1　G3i采集站數(shù)字板FPGA控制原理

G3i采集站數(shù)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(shù)據(jù)傳輸電路、串口電路、電源變換電路及鎖相環(huán)電路組成，這些電路均由FPGA直接或間接地控制，協(xié)調(diào)采集站的正常工作[1]。圖1為G3i采集站FPGA的控制脈絡(luò)[2]。

FPGA控制電源變換電路及鎖相環(huán)電路，提供工作電壓及同步時(shí)鐘，協(xié)調(diào)采集站各部分步調(diào)一致地運(yùn)作。U9 MSP430電源管理模塊芯片在FPGA的作用下，產(chǎn)生主電源，并完成采集站64 V線電壓的檢測(cè)與傳輸。

FPGA與485數(shù)傳通信模塊直接通訊[1，2]，來(lái)控制4通道數(shù)據(jù)傳輸電路。傳輸線對(duì)經(jīng)過(guò)CON1、CON2及脈沖變壓器，通過(guò)發(fā)送與接收兩通路完成數(shù)據(jù)和命令及鬼對(duì)電壓的傳輸，同時(shí)FPGA還處理來(lái)自中央記錄系統(tǒng)(俗稱主機(jī))及主機(jī)方向的命令或數(shù)據(jù)。

圖1　G3i采集站數(shù)字板FPGA通訊流程

FPGA與G3i采集站模擬板的CPLD(Complex Programmable Logic Device，即復(fù)雜可編程邏輯器件)直接通訊[1，2]，來(lái)控制地震數(shù)據(jù)采集通路。數(shù)字板通過(guò)CON3、CON4、CON5與模擬板連接，在FPGA的作用下，根據(jù)采集、測(cè)試等不同要求輸出控制信號(hào)對(duì)4個(gè)模擬通路進(jìn)行控制。檢波器拾取的微弱地震信號(hào)經(jīng)采集通路的共模線圈濾除共模干擾后，將采集信號(hào)經(jīng)過(guò)高頻濾波送ADS1282多路選擇器芯片，經(jīng)內(nèi)部的前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字抽取濾波，將采集的模擬地震信號(hào)轉(zhuǎn)換成24位數(shù)字信號(hào)，經(jīng)串行輸出口以256 MHz的傳輸速率送到模擬板的CPLD，并通過(guò)CPLD送到數(shù)字板的FPGA進(jìn)行編排后輸出送入儀器主機(jī)。同時(shí)FPGA與CPLD控制模擬板的測(cè)試信號(hào)處理電路，產(chǎn)生DAC OUT±等信號(hào)源，完成采集站內(nèi)部及外部各類技術(shù)指標(biāo)的檢測(cè)[1，2]。

2　數(shù)傳電纜測(cè)試儀整體設(shè)計(jì)思路

2.1　設(shè)計(jì)思路

利用G3i采集站數(shù)字板FPGA軟件可重新編寫開(kāi)發(fā)的特性，編寫專用軟件，并設(shè)計(jì)硬件電路，通過(guò)FPGA I/O 來(lái)控制接口電路[2]，檢測(cè)G3i和Aries電纜數(shù)傳和模擬本道線對(duì)的通斷。同時(shí)測(cè)線時(shí)使用1602LCD液晶屏直觀顯示線纜的通斷；選擇按鈕電路進(jìn)行G3i和Aries線纜的選擇測(cè)試；蜂鳴器電路進(jìn)行線纜的通斷提示。這就是應(yīng)用G3i采集站數(shù)字板核心芯片F(xiàn)PGA制作G3i /Aries數(shù)傳電纜通斷檢測(cè)儀的總設(shè)計(jì)思路，維修電纜時(shí)檢測(cè)判斷其各線對(duì)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(shù)傳電纜的A端插頭，16根線對(duì)全部接“高電平”，電纜B端插頭16根線對(duì)全部接“低電平”。當(dāng)線芯“通”時(shí)，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(dāng)線芯“斷”時(shí)，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(cè)試功能選擇電路、蜂鳴器電路、液晶顯示電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)G3i /Aries 數(shù)傳電纜測(cè)試轉(zhuǎn)換，以及被測(cè)試線纜狀態(tài)的提示。其電路工作原理如圖3所示[2]。

圖2　G3i /Aries數(shù)傳電纜通斷檢測(cè)儀原理框圖

圖3　檢測(cè)儀電路工作原理圖

3　硬件設(shè)計(jì)

3.1　功能模塊設(shè)計(jì)

3.1.1G3i和Aries數(shù)傳電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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

Aries數(shù)傳電纜也使用銅芯雙絞線，長(zhǎng)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(gè)，兩個(gè)大線插頭各連接4道，為單線8道。電纜內(nèi)部有16根線芯(即8對(duì)雙絞線)，其中R、S，J、K，G、H，E、F為4對(duì)直通數(shù)傳線，P、N，M、L，D、C，B、A為4對(duì)模擬本道線。

3.1.2G3i采集站數(shù)傳通路硬件組成

G3i采集站數(shù)傳電路框圖如圖4[2]所示。

G3i 采集站數(shù)傳通路主要由RS485通信模塊和FPGA

圖4　G3i采集站數(shù)傳電路框圖

構(gòu)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(nèi)部含有24624 邏輯單元， I/O 口數(shù)量為256 個(gè)，采用BGA 封裝。I/O 驅(qū)動(dòng)電壓為3.3 V。G3i儀器采集鏈路上的命令及數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)傳電纜銅芯雙絞線作為介質(zhì)，再經(jīng)由采集站內(nèi)的數(shù)傳通路，在每個(gè)站單元間傳輸[1，2]。我們?cè)O(shè)計(jì)制作的檢測(cè)儀主要是利用RS485與FPGA間的直接通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1.3G3i/Aries數(shù)傳電纜通斷檢測(cè)儀主電路設(shè)計(jì)

根據(jù)G3i和Aries兩種電纜結(jié)構(gòu)，以及上述檢測(cè)儀設(shè)計(jì)原理圖，基于改造G3i采集站數(shù)字板數(shù)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(gè)接口板(兩個(gè)接口板上分別焊接一個(gè)12針G3i大線插座和16針Aries大線插座)，設(shè)計(jì)G3i與Aries轉(zhuǎn)換接口。實(shí)現(xiàn)FPGA I/O管腳與RS485通信模塊、CON5、1602LCD液晶顯示屏各管腳的轉(zhuǎn)換，如圖5所示[2]。

圖5　檢測(cè)儀控制信號(hào)轉(zhuǎn)換接口對(duì)照?qǐng)D

根據(jù)檢測(cè)儀設(shè)計(jì)需求，使用37個(gè)FPGA I/O管腳來(lái)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(gè)RS485接口芯片來(lái)與FPGA通訊，實(shí)現(xiàn)測(cè)試電纜硬件功能。利用CON5插座與FPGA直接通訊特性，實(shí)現(xiàn)1602LCD的液晶顯示功能。

G3i儀器數(shù)傳電纜4對(duì)數(shù)傳4對(duì)模擬本道共16根線芯占用一面屏幕顯示；而Aries電纜4對(duì)數(shù)傳8對(duì)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?yōu)椤癐”，“X”不變表示線斷。 G3i采集站和Aries本道線對(duì)是有極性的，編程時(shí)將缺省顯示的“X”優(yōu)化為“+、-”。 被測(cè)G3i/Aries電纜線芯狀態(tài)顯示如圖6所示。

圖6　被測(cè)G3i/Aries電纜線芯狀態(tài)顯示

3.2　直流電源設(shè)計(jì)

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(chǎn)生的；而且所選用的RS485、1602LCD、蜂鳴器電路等也都是3.3 V供電?？紤]到檢測(cè)儀的便攜，以及電源的安全性、耐用性，選用了3.7 V手機(jī)鋰電池作為檢測(cè)儀電源，同時(shí)設(shè)計(jì)充電電路，改造G3i采集站數(shù)字板主電源電路[2]，使其產(chǎn)生穩(wěn)定的3.3 V電壓，給所有模塊供電。原理如圖7[2]所示。

斷開(kāi)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(wěn)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(shè)計(jì)編寫

根據(jù)工作原理和控制信號(hào)對(duì)照?qǐng)D，運(yùn)用Verilog HDL[3，4](硬件描述語(yǔ)言)編寫電纜通斷檢測(cè)軟件，通過(guò)編程器燒錄到G3i采集站FPGA中，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)傳電纜通斷的目的。檢測(cè)儀軟件運(yùn)行流程如圖8所示。軟件部分代碼語(yǔ)言見(jiàn)圖9。

圖7　電源電路原理框圖

圖8　檢測(cè)儀軟件運(yùn)行流程圖

5　檢測(cè)儀運(yùn)行電纜通斷測(cè)試

5.1　G3i/Aries電纜數(shù)傳線測(cè)試

將被測(cè)G3i或Aries數(shù)傳電纜A、B兩個(gè)大線插頭連接在檢測(cè)儀相應(yīng)大線插座上，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)加電初始化， 軟件會(huì)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(yùn)行所連接即所選電纜的通斷測(cè)試(G3i還是Aries電纜)。首先對(duì)8根數(shù)傳直通線通斷情況進(jìn)行檢測(cè)，受FPGA芯片控制，電纜A大線插頭8根數(shù)傳線芯為高電平，B插頭數(shù)傳線芯全部接地，數(shù)傳電纜A、B兩個(gè)大線插頭一經(jīng)連接，其8根線芯的通斷狀態(tài)全部顯示在液晶屏上。

5.2　G3i/Aries電纜模擬本道線測(cè)試

G3i電纜有4個(gè)本道8根線芯，Aries電纜有8個(gè)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(cè)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(cè)本道線通斷狀態(tài)會(huì)在液晶屏上顯示。Aries電纜本道線測(cè)試原理與之相同。維修人員將不通的故障線芯進(jìn)行標(biāo)注，以待后期維修注塑。

圖9　軟件代碼語(yǔ)言界面

圖10　G3i數(shù)傳電纜本道測(cè)試電路圖

6　結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用G3i采集站FPGA設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀，既能測(cè)試G3i數(shù)傳電纜，也能測(cè)試Aries數(shù)傳電纜， 一機(jī)兩用；維修檢測(cè)電纜完全智能化。電纜兩端與檢測(cè)儀連接后，其 8根數(shù)傳線對(duì)的通斷情況在顯示屏上同時(shí)顯示“IIIIIIII”(全通),或“IIXIIIXI”(某某線斷)；測(cè)試本道線對(duì)時(shí)，本道測(cè)試孔上的探筆逐一觸及8個(gè)本道(Aries)或4個(gè)本道(G3i)線對(duì)，只聽(tīng)蜂鳴聲、看顯示，不用展開(kāi)線纜就能判斷區(qū)分出A、B大線插頭本道線對(duì)的通斷，節(jié)約時(shí)間及人力，提高維修效率。這兩年作業(yè)部電纜檢測(cè)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(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程(第2版). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社. 2008.

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