《电子技术应用》

基于嵌入式以太网的分布式数据采集系统

2017年电子技术应用第8期 作者:付良瑞1,陈耀宏2,胡祥超1,朱宝良1
2017/9/1 13:24:00

付良瑞1,陈耀宏2,胡祥超1,朱宝良1

(1.西北核技术研究所,陕西 西安710024;2.中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西 西安710119)


    摘  要: 地震勘探是目前探测石油、天然气和煤炭等地下资源的重要手段。提出了一种可用于地震勘探的分布式数据采集系统,能够高精度地采集数据,通过以太网长线传输后集中处理并存储数据,利用电流环电路和长稳时钟解决了时钟同步问题。实验证明:系统工作稳定,数据传输可靠,性价比较高,具有良好的应用前景。

    关键词: 分布式;W5300长距离以太网;电流环

    中图分类号: TN871

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.166610


    中文引用格式: 付良瑞,陈耀宏,胡祥超,等. 基于嵌入式以太网的分布式数据采集系统[J].电子技术应用,2017,43(8):58-61.

    英文引用格式: Fu Liangrui,Chen Yaohong,Hu Xiangchao,et al. A distributed data acquisition system based on embedded Ethernet[J].Application of Electronic Technique,2017,43(8):58-61.

0 引言

    地震勘探是目前探测石油、天然气和煤炭等地下资源的最主要方法[1]。常规的地震勘探原理是以人工方法激发地震波,在地表用检波器检测相应的地震波形,并转换成电信号通过后级电路采集、处理和存储。再进一步分析人工地震波的波形数据,推断地下岩层的形态和性质,确定是否储有需要的资源。所依赖的最关键的设备是地震勘探仪或地震数据采集系统等物探设备。

    分布式数据采集系统被广泛应用于各类物探设备中,主要由地面采集站(基站)、遥测数传电缆和中央控制站(主站)组成。基站包含地震检波器和数据采集电路,位置由预采集点的具体分布决定。主站的主要任务是下发各类命令,完成对采集数据的记录和质量监控并实时分析数据。

    整个系统设计的难点[2]集中在以下几个方面:高精度的数据采集;站点之间的组网和数据传输结构的设计;稳定可靠的远距离高速数据通信解决方案;系统各站点的精确同步。

1 系统方案设计

    系统总体框架如图1所示,相邻间距为220 m并均匀分布在一条直线上的12个基站实施精确同步的数据采集。每个基站有4个通道,分辨率为24 bit,最高采样率为4 kS/s,各站点之间的同步性误差控制在50 μs以内。各个基站实时采集波形数据并汇聚到主站,主站为工控机,实现数据处理、存储和显示功能。

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2 系统硬件设计

    本文所述的分布式采集系统硬件主要分为主控盒和基站两部分。主控盒充当主站与各基站命令交互、信号同步的媒介,基站通过接收主控盒命令,在规定时间段完成采集任务,并上传和转发数据。

2.1 主控盒硬件设计

    根据分布式数据采集系统的整体设计方案,数据通道与命令通道(包括同步信号)是完全独立的,主控盒是命令通道的核心。其功能框图如图2所示。主控盒要接收上位机命令,连同GPS模块的校准秒脉冲通过同步模块的电流环电路下发到各个基站。电路简单,对单片机性能的要求不高,故使用TI公司的MSP430F149作为主控芯片。 

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2.1.1 USB转串口模块

    主站上位机系统通过USB接口向基站下发启动命令和配置信息,对于通信速率要求不高,考虑开发的便利性,选择USB转串口再与单片机通信的方式。使用CH340T作为USB总线的转接芯片,支持全速USB2.0接口,外围只需要晶振和几个电容,结构简单、工作可靠。CH340T内置了独立的收发缓冲区,支持单工、半双工和全双工异步串行通信,自动支持USB设备挂起,以节约功耗。

2.1.2 GPS模块

    本设计采用天宝(Trimble)系列的成品GPS接收机,可以稳定输出具有CMOS电平、与国际协调时(UTC)时间同步的高精度秒脉冲。GPS模块在启动后搜集卫星信号并获取经纬度、年历和星历等信息之后可以提供高精度的秒脉冲,该秒脉冲上升沿与国际协调时时间精确同步,具有1 ms高电平脉宽,剩余的999 ms为低电平。GPS授时系统没有累积误差,因此使用GPS秒脉冲控制分布式数据采集系统上各基站压控晶振,可以有效地解决长稳时钟在长时间工作后累积误差严重影响系统同步性的问题。

2.1.3 基站时间同步模块

    现代的分布式数据采集系统一般都加入GPS时钟模块实现时间同步[3],但是给每个基站都配备GPS模块成本太高。本文使用电流环传输同步信号,以较低的成本实现较高精确的同步性。在主站加入GPS时钟接收模块,通过以跨导放大器为核心的电流环电路向基站发送启动命令和秒脉冲校准信号。电流环原理图[4]如图3所示。

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    主站的启动命令和GPS秒脉冲校准信号都是单端信号,通过VIN接入晶体管的基极,控制集电极的输出电流(输出电流大于15 mA)。在接收端通过取样电阻把电流环上的电流信号转变为差分电压信号,再利用晶体管电路实现差分电压信号到单端电压信号的转换。电流环电路的核心是晶体管(三极管),本文用跨导放大器OPA861代图3中晶体管。

    图4是以跨导放大器为核心、通过电流环实现基站同步功能的原理图。转换后的单端电压信号,通过高速比较器向数字电路部分输出高质量的脉冲信号,便于接入后级的数字电路。

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2.2 基站硬件设计

    基站硬件电路主要完成3个任务:第一是接收主站用电流环下发的启动命令,配置信息和GPS秒脉冲校准信号;第二是控制2片ADS1282采集地震波形数据并读数;第三是通过一个W5300读取后级基站上传的数据,再把本站采样数据和后级基站的采样数据再用另一个W5300向前一级基站上传。硬件的组成框图如图5所示。

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2.2.1 数据采集模块

    数据采集模块有多个采集通道,接收地震检波器输出的信号,完成信号调理、模/数转换和存储(通信)等一系列工作。数据采集模块的框图如图6所示。

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    信号经过地震检波器接入大线滤波器,大线滤波器由一个差模滤波器级联一个共模滤波器构成来滤除信号在传输过程中引入的干扰。全差动音频放大器OPA1632构成模数转换器ADS1282的前置驱动电路,共模电压通过Vocm引脚外接稳压源控制, 配合ADS1282采样。通过调节ADC驱动电路的反馈电阻和ADS1282内置的程控放大器,可以调节进入Δ-Σ调制器的信号的幅值。ADS1282的输入时钟频率为4.096 MHz,与MCU通过SPI总线实现命令和数据通信。MCU控制ADS1282的同步(SYNC)、复位(/RESET)和低功耗模式选择(/PWDN)等。ADS1282通过/DRDY引脚触发外部中断,通知MCU读取刚采集到的数据。

2.2.2 网络通信模块

    网络通信模块选择WIZnet公司的高性能的网络协议芯片W5300,把以太网接口和协议引入基站系统。W5300芯片内置10M/100M以太网控制器及TCP协议栈,可以快捷、稳定地实现网络协议,不需要MCU(STM-32F207)干预,同时结合网络协议芯片W5300和网络延长器来实现分布式数据采集系统的数据通信。基站网络通信电路既要接收后级数据,又要向前级上传数据,基本框图如7所示。

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    W5300与STM32F207的接口方式采用16 bit总线的直接寻址模式,2片W5300共享10 bit地址总线,通过低有效片选信号(/CS)来选择;其他所有接口是独立的,不会相互影响。W5300有128 KB的存储空间,以8 KB为单位供所有的端口收/发存储器自由分配。所有的采样数据都是单向传输的,可以结合实际灵活分配空间,从而达到较高的通信性能。此外13F-60系列芯片集成了RJ-45端口和10/100MBase-T网络变压器,可以方便地实现RJ-45水晶头和以太网PHY的连接。

2.2.3 长稳时钟模块

    长稳时钟模块主要用于给ADS1282提供高精度的时钟,是分布式数据采集系统中同步性方案设计的重要环节。现有的高质量时钟源在短时间内工作,具有很高的稳定性,但是系统在长时间工作后,累积误差将导致系统的时间基准出现明显的偏差。用闭环控制[5]的高精度时钟源可以从根本上解决普通时钟源长时间工作的累积误差问题。长稳时钟模块的功能框图如图8所示。

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3 系统软件设计

    软件设计分为下位机程序设计和上位机程序设计。下位机程序设计主要包括主控盒程序设计和基站程序设计;上位机程序设计主要是PC终端程序的设计。

3.1 主控盒程序设计

    主控盒是分布式数据采集系统命令通道的核心,通过USB转串口电路接收上位机发出的启动命令和配置信息,再通过电流环下发到各个基站。在采集工作开始后,每秒向各基站发送一次GPS秒脉冲校准信号。主控盒程序流程图如图9所示。

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3.2 基站程序设计

    基站主控制器STM32F207在基站系统中的任务是:(1)接收主控盒的采集启动命令(通过同步模块接收并解析,其中包括采样率和时长配置信息);(2)初始化ADS1282,配置各项参数。在开始采集数据后接收ADS1282触发的外部中断,读取数据并存入相关缓冲区;(3)初始化2片W5300,一个设置为服务器,用于接收后级基站上传的数据;另一个设置为客户端,连接前一级基站的W5300,上传所有的数据。

    W5300在TCP模式下每包数据有效字节数最多可达1 460 B,若是每次采集完成都发送一次数据,会严重降低网络通信的效率,同时不便于主站的数据管理。本文设计包数据大小为1 206 B,其中1 200 B是有效的样点数据(单基站两个通道150次采样结果),再加上6 B的包头识别信息,用于标记基站和数据包编号。每个基站都设立相应的缓冲区,本站的采样数据和接收到后级基站采样数据先暂存到缓冲区,单片机在每次读取ADS1282采集结果后会依次查询各个缓冲区的存储状态,当发现缓冲区内有整包的数据,则利用ADS1282外部中断间隔向负责发送数据的W5300的TX_FIFO写入数据,最后发送到前一级基站。基站单片机程序流程图如图10所示。

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4 评测

    根据本文组网方案,对设计的分布式数据采集系统进行测试,信源采用振幅2 V、频率为10 Hz的正弦波,系统配置采样率为4 kS/s,ADS1282内部PGA增益为1,采集时间为20 min。

    实验期间随意切换任意基站显示4个通道的波形图都准确无误,最后得到6个基站数据,并且按样点依次存储成6个文件。查看文件大小,6个文件都是115 200 000 B(ADS1282转换结果由LabVIEW程序解析后按样点重组,每个样点数据占用6 B空间,包括4 B内容和2 B的符号和换行信息),与理论计算的数值一致。实验结果证明,分布式数据采集系统的采样数据传输是稳定可靠的。

参考文献

[1] 韩晓泉.地震勘探仪器的现状及发展趋势[J].物探装备,2008,18(2):5-6.

[2] 陈玉萍.论地震勘探仪器的技术特征及发展前景[J].中国石油和化工标准与质量,2012,9(1):176.

[3] 游雪峰,文玉梅.以太网分布式数据采集同步和实时传输研究[J].仪器仪表学报,2006,27(4):385-386.

[4] Wide bandwidth operational transconductance amplifier[EB/OL].2013[2016-01-18].http://www.ti.com.cn/product/cn/OPA861/technicaldocuments.

[5] 赖琳香.基于GPS的长稳时钟研究[D].西安:西安交通大学,2011.

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