（1.西北核技能研究所，陕西 西安710024；2.中国科学院西安光学精密机器研究所，陕西 西安710119）
地震勘探是目前探测石油、天然气和煤炭等地下资源的主要手段。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办理了时钟同步问题。实验证明：系统事情稳定，数据传输可靠，性价比较高，具有良好的运用前景。
分布式；W5300；长间隔以太网；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].电子技能运用，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 弁言
地震勘探是目前探测石油、天然气和煤炭等地下资源的最紧张方法[1]。常规的地震勘探事理因此人工方法引发地震波，在地表用检波器检测相应的地震波形，并转换成电旗子暗记通过后级电路采集、处理和存储。再进一步剖析人工地震波的波形数据，推断地下岩层的形态和性子，确定是否储有须要的资源。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运用于各种物探设备中，紧张由地面采集站（基站）、遥测数传电缆和中心掌握站（主站）组成。基站包含地震检波器和数据采集电路，位置由预采集点的详细分布决定。主站的紧张任务是下发各种命令，完成对采集数据的记录和质量监控并实时剖析数据。
全体系统设计的难点[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构造的设计；稳定可靠的远间隔高速数据通信办理方案；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个基站履行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偏差掌握在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。
2 系统硬件设计
本文所述的分布式采集系统硬件紧张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、旗子暗记同步的媒介，基站通过吸收主控盒命令，在规定韶光段完成采集任务，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（包括同步旗子暗记）是完备独立的，主控盒是命令通道的核心。其功能框图如图2所示。主控盒要吸收上位机命令，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。电路大略，对单片机性能的哀求不高，故利用TI公司的MSP430F149作为主控芯片。
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，对付通信速率哀求不高，考虑开拓的便利性，选择USB转串口再与单片机通信的办法。利用CH340T作为USB总线的转接芯片，支持全速USB2.0接口，外围只须要晶振和几个电容，构造大略、事情可靠。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
本设计采取天宝（Trimble）系列的成品GPS吸收机，可以稳定输出具有CMOS电平、与国际折衷时（UTC）韶光同步的高精度秒脉冲。GPS模块在启动后搜集卫星旗子暗记并获取经纬度、年历和星历等信息之后可以供应高精度的秒脉冲，该秒脉冲上升沿与国际折衷时时间精确同步，具有1 ms高电平脉宽，剩余的999 ms为低电平。GPS授时系统没有累积偏差，因此利用GPS秒脉冲掌握分布式数据采集系统上各基站压控晶振，可以有效地办理长稳时钟在永劫光事情后累积偏差严重影响系统同步性的问题。
2.1.3 基站韶光同步模块
当代的分布式数据采集系统一样平常都加入GPS时钟模块实现韶光同步[3]，但是给每个基站都配备GPS模块本钱太高。本文利用电流环传输同步旗子暗记，以较低的本钱实现较高精确的同步性。在主站加入GPS时钟吸收模块，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旗子暗记。电流环事理图[4]如图3所示。
主站的启动命令和GPS秒脉冲校准旗子暗记都是单端旗子暗记，通过VIN接入晶体管的基极，掌握集电极的输出电流(输出电流大于15 mA)。在吸收端通过取样电阻把电流环上的电流旗子暗记转变为差分电压旗子暗记，再利用晶体管电路实现差分电压旗子暗记到单端电压旗子暗记的转换。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因此跨导放大器为核心、通过电流环实现基站同步功能的事理图。转换后的单端电压旗子暗记，通过高速比较器向数字电路部分输出高质量的脉冲旗子暗记，便于接入后级的数字电路。
2.2 基站硬件设计
基站硬件电路紧张完成3个任务：第一是吸收主站用电流环下发的启动命令，配置信息和GPS秒脉冲校准旗子暗记；第二是掌握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。
2.2.1 数据采集模块
数据采集模块有多个采集通道，吸收地震检波器输出的旗子暗记，完成旗子暗记调理、模/数转换和存储（通信）等一系列事情。数据采集模块的框图如图6所示。
旗子暗记经由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旗子暗记在传输过程中引入的滋扰。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引脚外接稳压源掌握, 合营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调制器的旗子暗记的幅值。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掌握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，关照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以太网掌握器及TCP协议栈，可以快捷、稳定地实现网络协议,不须要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吸收后级数据，又要向前级上传数据，基本框图如7所示。
W5300与STM32F207的接口办法采取16 bit总线的直接寻址模式，2片W5300共享10 bit地址总线，通过低有效片选旗子暗记（/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，可以结合实际灵巧分配空间，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
长稳时钟模块紧张用于给ADS1282供应高精度的时钟，是分布式数据采集系统中同步性方案设计的主要环节。现有的高质量时钟源在短韶光内事情，具有很高的稳定性，但是系统在永劫光事情后，累积偏差将导致系统的韶光基准涌现明显的偏差。用闭环掌握[5]的高精度时钟源可以从根本上办理普通时钟源永劫光事情的累积偏差问题。长稳时钟模块的功能框图如图8所示。
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。下位机程序设计紧张包括主控盒程序设计和基站程序设计；上位机程序设计紧张是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转串口电路吸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。在采集事情开始后，每秒向各基站发送一次GPS秒脉冲校准旗子暗记。主控盒程序流程图如图9所示。
3.2 基站程序设计
基站主掌握器STM32F207在基站系统中的任务是：(1)吸收主控盒的采集启动命令(通过同步模块吸收并解析，个中包括采样率和时长配置信息)；(2)初始化ADS1282，配置各项参数。在开始采集数据后吸收ADS1282触发的外部中断，读取数据并存入干系缓冲区；(3)初始化2片W5300，一个设置为做事器，用于吸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，会严重降落网络通信的效率，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，个中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，本站的采样数据和吸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，当创造缓冲区内有整包的数据，则利用ADS1282外部中断间隔向卖力发送数据的W5300的TX_FIFO写入数据，末了发送到前一级基站。基站单片机程序流程图如图10所示。
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，信源采取振幅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，采集韶光为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，末了得到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)，与理论打算的数值同等。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能特色及发展前景[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] 赖琳喷鼻香．基于GPS的长稳时钟研究[D]．西安：西安交通大学，2011．
