428XL系列采集設(shè)備功耗分析及應(yīng)用

宮兆媛，陳治慶，趙 忠

(中石化地球物理公司勝利分公司 山東 東營 257000)

0 引 言

采集設(shè)備的升級(jí)換代一直以降低功耗提高性能為發(fā)展方向，功耗是電子產(chǎn)品性能的重要指標(biāo)。在SERCEL技術(shù)手冊(cè)中，給出了428XL系列采集站、電源站、交叉站在不同傳輸速率下的理論功耗值，然而通過測(cè)試隨機(jī)選取合格站體的功率，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)值與理論值不相同。另外，在實(shí)際使用中采集設(shè)備存在睡眠、喚醒、工作等不同狀態(tài)，因此對(duì)428XL系列采集設(shè)備在各種狀態(tài)下的實(shí)際功耗進(jìn)行了測(cè)試。

1 采集設(shè)備功耗值簡(jiǎn)介

1.1 理論值

428XL系列地面設(shè)備主要包括LAUX-428、LAUL-428、FDU-428和DSU3-428等，表1為其理論功耗值[1]261。

表1 428XL系列采集設(shè)備理論功耗值

從表1中可以看出，不同類型設(shè)備的功耗不同；同類型設(shè)備的功耗與傳輸速率有關(guān)，傳輸速率大則功率越大。另外，交叉站、電源站和采集站不同，有運(yùn)行和待機(jī)兩種狀態(tài)，這兩種狀態(tài)下的功耗值差別很大。

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量值

分別隨機(jī)抽取50個(gè)指標(biāo)合格的FDU-428、10個(gè)LAUX-428和LAUL-428，在室溫20 ℃時(shí)，用TMS428V4.0測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試其功耗值。表2為FDU-428在傳輸速率為8 Mbps和16 Mbps時(shí)的功耗實(shí)測(cè)值，由數(shù)據(jù)可知，傳輸速率大時(shí)，功耗也會(huì)大；表3為L(zhǎng)AUX-428在運(yùn)行時(shí)各個(gè)端口的功耗實(shí)測(cè)值,由數(shù)據(jù)可知，4個(gè)端口的功耗值差不多；表4為L(zhǎng)AUL-428在運(yùn)行時(shí)兩個(gè)端口的功耗實(shí)測(cè)值，由數(shù)據(jù)可知，這兩個(gè)端口的功耗值差不多。以上所測(cè)值均與理論值有差距(表中選取部分測(cè)量數(shù)據(jù))。

表2 FDU-428實(shí)測(cè)功耗值 mW

表3 LAUX-428實(shí)測(cè)功耗值 W

表4 LAUL-428實(shí)測(cè)功耗值 W

2 不同因素對(duì)功耗的影響

2.1 溫度對(duì)功耗的影響

溫度是影響電子產(chǎn)品性能的最重要因素，主要通過影響電源中的電容和半導(dǎo)體元器件，進(jìn)而影響到電源的性能，甚至使用壽命。溫度對(duì)AC/DC電路部分影響較大[2]，是因?yàn)锳C/DC電路大量使用鋁電解電容；溫度對(duì)DC/DC電路部分影響不大，是因?yàn)镈C/DC電路都大量使用鉭電容、瓷片電容等。在交叉站(LAUX)和電源站(LAUL)的電源部分，存在AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換電路，在FDU的電源部分只有DC/DC轉(zhuǎn)換電路[3]76。為了確定溫度對(duì)采集設(shè)備功耗究的影響程度，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)1。

實(shí)驗(yàn)1方法：

1)高溫對(duì)功耗的影響。將采集設(shè)備放入自動(dòng)控溫箱體，恒溫65 ℃，2.5 h后用TMS測(cè)試臺(tái)進(jìn)行功耗測(cè)試。

2)低溫對(duì)功耗的影響。將采集設(shè)備放入冰箱的冷凍層，恒溫-20 ℃，7 h后用TMS測(cè)試臺(tái)進(jìn)行功耗測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)1抽取部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表5。

表5 采集設(shè)備在不同溫度下的功耗值

實(shí)驗(yàn)1結(jié)論：

1)采集設(shè)備的功耗隨溫度升高而增大，在60 ℃時(shí)功耗的增幅排序是LAUX〉LAUL〉FDU，因此溫度升高對(duì)交叉站功耗的影響最大。

2)采集設(shè)備的功耗隨溫度降低而降低，在-20 ℃時(shí)功耗的降幅排序是LAUL〉LAUX〉FDU，因此溫度降低對(duì)電源站功耗的影響最大。

2.2 運(yùn)行狀態(tài)對(duì)功耗的影響

交叉站和電源站有三種運(yùn)行狀態(tài)[3]196，即睡眠模式(加電待機(jī))、喚醒模式(被主機(jī)識(shí)別)、工作模式(測(cè)試不同指標(biāo)，模擬放炮采集)；采集站只有工作模式。為確定在不同運(yùn)行狀態(tài)下的功耗值的差別，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)2。

實(shí)驗(yàn)2方法：儀器主機(jī)連接不同型號(hào)采集鏈，用穩(wěn)壓電源提供12.7V輸入電壓，采用兩臺(tái)福祿克F8846六位半高精度多用表同時(shí)觸發(fā)，分別記錄在不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的電壓和電流值來計(jì)算功率值。

為了保證兩臺(tái)數(shù)字多用表同時(shí)觸發(fā)記錄數(shù)據(jù)，對(duì)其參數(shù)進(jìn)行如下設(shè)置：

1)測(cè)量起始條件[4]：選擇外部觸發(fā)，數(shù)字多用表后面板的TRIG I/O插座被用來連接外部觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)每次在外部觸發(fā)連接器上檢測(cè)到低有效的脈沖，數(shù)字多用表即開始測(cè)量。

2)測(cè)量結(jié)束條件[4]：設(shè)定相同的采樣數(shù)，一旦達(dá)到采樣數(shù)，測(cè)量就結(jié)束，因?yàn)閮x器主機(jī)模擬放炮采集記錄長(zhǎng)度為8s，為了采集到的數(shù)據(jù)有效可用，設(shè)定了15個(gè)采樣數(shù)。

3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[4]：采用外部存儲(chǔ)器，即U盤存儲(chǔ)的方式，外部存儲(chǔ)器通過多用表前面板的USB端口進(jìn)行連接，將測(cè)量所得數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄在U盤中，數(shù)據(jù)以逗號(hào)分隔 (CSV) 格式保存在 U盤中。

實(shí)驗(yàn)2選取部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表6。

表6 采集設(shè)備在不同運(yùn)行狀態(tài)下的功耗值

實(shí)驗(yàn)2結(jié)論：

1)采集設(shè)備在不同運(yùn)行狀態(tài)下的功耗值是不相同的，F(xiàn)DU在畸變測(cè)試時(shí)其功耗值最大，DSU3在重力測(cè)試時(shí)其功耗值最大。

2)交叉站(LAUX)和電源站(LAUL)在睡眠和喚醒模式下功耗差別很大，交叉站在喚醒模式下，它的空載無功功率約為滿載時(shí)的1/7，因此交叉站在不使用時(shí)應(yīng)將其轉(zhuǎn)為睡眠模式。

2.3 全數(shù)字采集單元三分量采集與其中一個(gè)分量采集時(shí)功耗的差異

DSU3全數(shù)字采集單元可對(duì)水平X、Y和垂直Z共3個(gè)分量實(shí)現(xiàn)采集工作，那么，當(dāng)僅需要對(duì)其中一個(gè)分量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，采集單元的功耗是多少呢？通過實(shí)驗(yàn)3確定DSU3三分量采集與其中一個(gè)分量采集時(shí)的功耗關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)3方法：

儀器主機(jī)連接采集鏈，用穩(wěn)壓電源提供12.7 V輸入電壓，采用兩臺(tái)數(shù)字多用表同時(shí)觸發(fā)，通過儀器設(shè)置分別記錄模擬放炮時(shí)單分量和三分量在不同傳輸速率下采集的電壓和電流值(儀表設(shè)置方法同實(shí)驗(yàn)2)。

實(shí)驗(yàn)3選取部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表7。

實(shí)驗(yàn)3結(jié)論：通過對(duì)DSU3模擬放炮時(shí)三分量采集與單分量采集功率對(duì)比得知，兩種速率下的功率值基本一致。這說明雖然在儀器設(shè)置中只保留了單分量的數(shù)據(jù)，但是DSU3的3個(gè)分量都在工作。DSU3三分量采集時(shí)功耗值等于單分量采集時(shí)的功耗值。

2.4 其他因素

影響功耗的因素還有很多方面，除了以上分析的三個(gè)方面外，采集站、傳輸電纜的老化，電瓶電壓的過高或過低等，都會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 應(yīng)用1

428XL系列采集設(shè)備能夠正常工作的溫度范圍是-40 ℃～+70 ℃。在某些高溫特別沙漠地區(qū)，日間地表溫度可達(dá)到70 ℃，這個(gè)溫度雖然對(duì)采集設(shè)備構(gòu)不成損害，但是卻出現(xiàn)白天排列不通，到晚上溫度下降后才能正常施工的情況。

表7 DSU3在模擬放炮時(shí)三分量和單分量的電壓、電流及功率值

這正是因?yàn)椴杉O(shè)備受溫度影響而導(dǎo)致功耗增加造成的。由實(shí)驗(yàn)1可知，溫度升高對(duì)交叉站功耗影響最大，功耗過大會(huì)增加耗電量，發(fā)熱量增多，溫度上升，加大散熱和供電的負(fù)擔(dān)，電源供電不足會(huì)死機(jī)，甚至無法正常工作，因此在高溫情況下應(yīng)對(duì)采集設(shè)備，尤其是交叉站采取降溫措施，例如加蓋遮陽物等，或是減少兩電源站間采集鏈的數(shù)量以降低功耗。

3.2 應(yīng)用2

為了方便這部分的計(jì)算和說明，假設(shè)某開發(fā)地震項(xiàng)目使用全數(shù)字單分量采集，采用以下的施工因素[5]：428儀器主機(jī)，采用24L12S400T觀測(cè)系統(tǒng)，單炮接收總記錄道數(shù)最大達(dá)到9600道，采樣率為1ms，記錄長(zhǎng)度為8s。地面設(shè)備是DSU3-428和DSU1-428聯(lián)合使用，16個(gè)排列的DSU3-428，8個(gè)排列的DSU1-428。

根據(jù)總記錄道數(shù)9600道，LCI最大實(shí)時(shí)采集能力可達(dá)到每毫秒5 000道[1]265來計(jì)算，此工區(qū)使用2個(gè)LCI并行管理即可，但是在放炮采集時(shí)，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)丟失，不能建排放炮采集等現(xiàn)象。

究其原因，涉及到實(shí)際功耗值和數(shù)據(jù)量的問題。由實(shí)驗(yàn)3得知，雖然要求只記錄單分量數(shù)據(jù)，但是3個(gè)分量都進(jìn)行了采集，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)的傳輸，在儀器主機(jī)內(nèi)通過儀器參數(shù)設(shè)置，把其他兩個(gè)分量道數(shù)據(jù)作了不記錄處理。也就是說，雖然記錄道數(shù)只有9 600道(16×400+8×400)，但是實(shí)際接收道數(shù)卻是22 400道(16×400×3+8×40)，因此需要6個(gè)LCI并行管理。另外，排列中的電源站、電瓶等的數(shù)量也都應(yīng)該按照DSU3的標(biāo)準(zhǔn)去配置。

4 結(jié) 論

1)采集設(shè)備的功耗隨溫度升高而增大，在60 ℃時(shí)功耗的增幅排序是LAUX>LAUL>FDU，因此溫度升高對(duì)交叉站功耗的影響最大。

2)采集設(shè)備的功耗隨溫度降低而降低，在-20 ℃時(shí)功耗的降幅排序是LAUL>LAUX>FDU，因此溫度降低對(duì)電源站功耗的影響最大。

3)采集設(shè)備在不同運(yùn)行狀態(tài)下的功耗值是不相同的，F(xiàn)DU在畸變測(cè)試時(shí)其功耗值是最大的，DSU3在重力測(cè)試時(shí)其功耗值是最大的。

4)交叉站(LAUX)和電源站(LAUL)在睡眠和喚醒模式下功耗差別很大，交叉站在喚醒模式下，它的空載無功功率約為滿載時(shí)的1/7，因此交叉站在不使用時(shí)應(yīng)將其轉(zhuǎn)為睡眠模式。

5)DSU3全數(shù)字采集單元在8 M和16 M速率下的功率值基本一致。

6)DSU3三分量采集時(shí)功耗值等于單分量采集時(shí)的功耗值。