基于CPCI总线导航控制系统设计与实现
电子技术应用
闫佳琛，张昊楠，张少鹏，崔焘，李昊，郭宇
中海油田服务股份有限公司物探事业部
摘要： 针对海洋地震勘探综合导航系统高精度触发控制、时序控制和实时性的要求，设计了一种基于CPCI总线架构的导航作业控制系统，内置GNSS接收机，由GPS时间、现场可编程阵列FPGA与嵌入式软件实现高精度时钟守护；星型差分线路实现高速串行传输通信，单箱体最多支持24个串口数据接入；高精度触发模块和时刻匹配规则实现对外部设备实时精准控制。重点介绍了系统接口、硬件模块结构、嵌入式软件及实验结果。系统测试表明：该系统满足海洋地震勘探高精度授时和作业时序控制需要，整体基于模块化设计，具有良好扩展和封装性，对其他工控系统开发具有借鉴意义。
中图分类号：TP274+.2 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.246083
中文引用格式： 闫佳琛，张昊楠，张少鹏，等. 基于CPCI总线导航控制系统设计与实现[J]. 电子技术应用，2025，51(5)：93-97.
英文引用格式： Yan Jiachen，Zhang Haonan，Zhang Shaopeng，et al. Design and implementation of navigation control system based on CPCI[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(5)：93-97.
中文引用格式： 闫佳琛，张昊楠，张少鹏，等. 基于CPCI总线导航控制系统设计与实现[J]. 电子技术应用，2025，51(5)：93-97.
英文引用格式： Yan Jiachen，Zhang Haonan，Zhang Shaopeng，et al. Design and implementation of navigation control system based on CPCI[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(5)：93-97.
Design and implementation of navigation control system based on CPCI
Yan Jiachen，Zhang Haonan，Zhang Shaopeng，Cui Tao，Li Hao，Guo Yu
Geophysical Department， China Oilfield Services Limited
Abstract： Aiming at the requirements of high-precision trigger control, timing control, and real-time performance in marine seismic exploration integrated navigation systems, a navigation operation control system based on the CPCI bus architecture has been designed. This system incorporates a built-in GNSS receiver and achieves high-precision clock maintenance through GPS time, FPGA and embedded software. The system utilizes a star topology differential line for high-speed serial transmission interface communication, supporting up to 24 serial port data connections. The high-precision trigger module and time-stamp matching rules enable real-time and precise control of external equipment. This paper focuses on the interface, module structure, embedded software, and experimental results. System test shows that the platform fulfills the requirements for high-precision timing and operation process sequence control in marine seismic exploration. The system is modularly designed, offering excellent scalability and modular encapsulation, and serves as a valuable reference for the development of other industrial control system.
Key words : marine seismic exploration；integrated navigation system；modular design；serial communication
引言
随着“两宽一高”（宽频带、宽方位、高精度）采集技术逐步成为海洋油气勘探主要趋势，多船、混采、连续采集等先进高效的施工方式，对导航装备的授时、定位和触发精度提出了更高要求[1-3]。综合导航系统具有定位解算、控制地震勘探时序流程的重要作用，而导航控制平台作为其硬件部分，连接各类传感器、实时导航软件和其他船载系统，是勘探船的核心接口单元。
本文提出一种适用于海上地震勘探的导航控制系统，内置GNSS（Global Navigation Satellite System）接收机，联合接收北斗、GPS卫星授时信号，正常驯服后时间同步精度小于30 ns，并由FPGA对GNSS接收机输出的NMEA-0183（National Marine Electronics Association 0183）标准数据和秒脉冲进行规则检查，在局域网内提供微秒级时间服务和内部时间戳标记。整个系统基于CPCI（Compact Peripheral Component Interconnect）总线，为数据收发提供性能优良的背板星形拓扑结构[4]，实现各类数据与命令在系统内部的高速传输，高精度触发模块和时刻匹配方法实现了对外部设备实时精准控制，有效保证了海洋地震勘探作业各系统间协同工作的稳定时序。
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作者信息：
闫佳琛，张昊楠，张少鹏，崔焘，李昊，郭宇
（中海油田服务股份有限公司物探事业部，天津 300450）
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