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基于FPGA的时钟恢复以及系统同步方案设计
434 FPGA VCO
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摘要:随着石油勘探的发展,在地震勘探仪器中越来越需要高精度的同步技术来支持高效采集。基于这种目的,采用FPGA技术设计了一种时钟恢复以及系统同步方案,并完成了系统的固件和嵌入式软件设计。通过室內测试、野外试验以及生产应用,证明结合FPGA技术,时钟恢复和系统同步技术在地震勘探仪器中具有独到的优势,其精度可达us级,而且稳定,实现方便。
地震勘探仪器是一个高度集成的网络采集系统,在这些地震勘探仪器中,要求系统能长时间连续采集,且在这种情况下能达到各个采集样点的严格时间同步,而且要求在同步精度上要达到微秒级,因此涉及到时钟同步和系统时间同步的2个技术难点,即时钟恢复技术以及系统同步技术这两个核心技术。因此,围绕这两项技术,以前的地震勘探仪器采用了各种各样的实现方法,但是精度不高,甚至有的系统没有完全实现这两种技术,对高精度、高效率石油地震勘探的发展不利。
本项目结合FPCA可编程逻辑技术,对通信中用到的时钟恢复技术以及系统同步方法进行探讨,并设计了一种方案,经过了试验和实际应用考验,证明其精度高,实现灵活,并取得了良好的应用效果。
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2019-6-18 08:15:35   评论 分享淘帖 邀请回答

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1 通信中的时钟恢复设计
地震勘探仪器的有线系统结构如图1所示。
其包含了主机系统(中央控制系统),交叉站(通过光纤把数据传输到仪器车的设备),电源站(给野外站体提供电源的设备),采集站(用于采集地震数据的设备),交叉线,排列电缆这些野外设备。一般主机系统和交叉站之间的数据传输采用光纤(交叉线)传输,电源站和采集站之间的采用铜缆(排列电缆)传输。
在这些数据传输中,涉及到命令的发送以及数据的收发。其中有2个基本的技术需要解决,一个是时钟恢复,另外一个就是数据恢复,有的系统不需要时钟恢复,只需要将数据恢复出来即可,但是有的系统需要两个都要恢复出来,这需要依据系统的要求而定,本设计需要同时进行时钟恢复以及数据恢复。
图2是地震勘探仪器中采用的通信链路结构。
图中数据纠错模块可以用RS前向纠错码,也可以用应答式的纠错控制。如果系统的误码率比较低,纠错模块也可以不用。本设计充分利用系统的特点(即存在下行与上行数据通道),采用重传控制机制来实现纠错目的。
在地震勘探仪器中,当涉及到高效连续采集时候,时钟恢复是必不可少的。其需要全网时钟同步,其时钟需要同步到主机系统的GPS时钟。如果不需要震源高效采集,只需要同步到主机时钟即可,此时可以不用CPS时钟同步。
设计中通信编码方式采用8B10B,采用此类编码有利于时钟的快速恢复,可以避免长1或者0的编码方式。在通信中,采用的时钟恢复技术就是利用锁相环PLL技术,其系统框图如图3所示。
图中的相频检测器为数字鉴相器,完成VCO时钟与输入串行数据的时钟的同步,其包括频率与相位的同步。参考时钟为中心频率与串行数据随路时钟一样,用于对串行数据时钟的快速锁定。
数字鉴相器为锁相环的核心部分。只有完成了频率和相位的准确定位和比较,才能输出控制VCO的信号,从而达到频率和相位一致。数字鉴相器本质上是对输入串行数据进行采样,采样的时间窗口为一个数据时钟周期,然后根据采样的信息进行时钟相位超前或者滞后判断,从而调节VCO的相位和频率。
数字鉴相器的实现方案如图4所示。
此鉴相器为在1个时钟周期内对输入的数据流进行相位变化检测,并将检测结果(超前或者滞后)由o1和o2进行编码表示。
在本方案设计中,无论是光纤传输还是铜缆传输,其命令通道都实现了时钟恢复功能,因此能达到全网与主机时钟同步,因此能支持长时间连续采集。系统时钟恢复由自定义模块实现,其系统结构图如图5所示。
通过此种方案,能让主机系统,交叉站,电源站以及采集站等野外设备都同步到同一个时钟源。
光纤通道的时钟恢复由FPGA的IP硬核实现。
2019-6-18 08:47:46 评论

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2 系统同步
地震勘探仪器的同步需要实现以下几个技术:
1)全网时钟同步;
2)延迟测试;
3)全网时间同步,即TOD同步;
4)采集开始时刻同步;
对本方案来说,其全网时钟同步已经在时钟恢复中实现,下面对其他3个技术点进行设计。
2.1 延迟测试
此延迟测试为测试相邻站体间的命令传输延迟,为命令下行通道的延迟时间,此值在TOD设置时候需要,延迟测试过程如流程图6所示。
2个站体之间的延迟测试涉及的参数包括:
1)大线或光缆延迟;
2)上一站体pps发送处理延迟时间;
3)站体内部延迟;
2.2 TOD同步设置
TOD设置用于设置全网的时间一致,其设置流程如图7所示。
   
图中的TOD值由主机通过命令下传。
2.3 采集开始时刻同步
在上述的TOD设置正确以及时钟步调ticks一致后,就可以进行采集开始时刻的设置,此步骤根据施工需要进行设置,由主机命令启动。其设置流程图如下:
图中分为主机系统、主机接口卡以及野外站体3大部分,其中放炮采集和测试采集都需要进行采集开始同步设置。
2019-6-18 08:47:56 评论

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3 实验及应用效果
本方案设计成功后,经过了实验测试,测试平台包括:
1)力科SDA13000串行数据分析仪;
2)安捷伦MS06104A示波器;
系统从以下2个方面进行评估。
①传输性能测试
测试平台采用力科SDA13000串行数据分析仪,2节点之间传输距离为220米,速率为10.24  Mbps,分析参数包括眼图,抖动等。测试得到的眼图参数如表1。
从表1可以看出,系统传输性能良好,在时钟恢复良好情况下,进一步提高了系统的传输质量,并且经过了实际应用的证明。
②系统同步精度测试
系统同步精度我们通过测试采集开始时刻TO来验证,我们采用测试任意2个站体之间的TO同步脉冲相位差的方式,此脉冲由主机系统的放炮命令启动,表示采集开始时刻TO的同步。测试仪器为高精度数字示波器,上升沿触发,测试多次结果,统计如表2。
从表2可以看出,系统同步精度很高,远小于1μs,完全能满足地震系统采集的要求。
2019-6-18 08:48:01 评论

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4 结论
通过实验和实际应用,可以看出:
1)全网时钟以及时间同步能有效地解决长时间采集导致的时钟漂移(此会导致采集样点在时间上的不同步),因此是地震勘探仪器高效采集的核心基础;
2)采用FPGA逻辑来实现系统同步控制,在精度控制以及资源利用方面具有优势;
3)采用FPGA逻辑来实现数据传输,不但能最大发挥数据传输的性能,同时能实现高效的硬实时性能,时钟恢复实现手段灵活简单。
2019-6-18 08:48:03 评论

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