海洋中的石油资源含量十分丰富, 据有关数据显示, 海洋石油资源占全球石油总资源的35%^[1]。天然气水合物作为一种新型能源, 具有清洁、环保和利用程度高的特点, 勘查结果表明, 我国东海和南海含有丰富的天然气水合物资源^[2-3]。现如今, 我国的海洋工程建设越来越多, 而海洋工程勘察、海底地质灾害调查是海洋工程建设必不可少的前期工作之一^[4-5]。海洋石油勘探、天然气水合物勘探和海洋工程勘察的常用手段均为海洋地震勘探。因此, 海洋地震勘探装备尤为重要。

近年来, 国内许多企业、研究机构在海洋地震拖缆勘探系统方面进行了大量的研究, 也有一些产品设备问世^[6-9]。而我国海洋地震勘探设备整体技术仍落后, 基本依赖进口的局面没有改变。国外公司对其产品和技术进行了垄断, 小道间距、大作业水深、高精度的产品对我国禁运, 这严重限制了我国海洋地震勘探技术的发展。因此, 发展国产海洋地震勘探设备显得尤为重要, 其具有深远的技术意义和极大的经济和社会价值。

在相关项目的资助下, 笔者设计和研发了海洋多道地震拖缆数据采集包。采集包从数据采集性能和系统功耗着手, 使用高精度32位ADC (模数转换器)转换器和基于ARM Cotex M4内核的低功耗微控制器, 实现了四通道地震信号高精度采集。

1 系统设计 1.1 多道地震拖缆结构简介

海洋地震拖缆勘探系统由多道地震拖缆、船上记录控制系统和震源组成, 如图 1所示。多道地震拖缆拖曳在船尾, 用于接收地震信号, 将接收的地震信号在拖缆内部数字化后上传到船上记录控制系统。船上记录控制系统, 负责拖缆控制、数据接收、存储、显示等。震源用来产生地震波^[10-11]。

多道地震拖缆在结构上可以分为四个主要功能段, 由前至后分别为甲板缆、前弹性段、工作段和后弹性段^[12-13]。其中, 工作段是多道地震拖缆的主体, 主要由水听器、采集包和数传包等组成。工作段分为若干个子段, 子段结构如图 2所示。每个子段长50 m, 等间距分布着4个采集包和16道水听器道。一个采集包管理4道水听器, 道间距3.125 m, 子段之间由数传包相连。子段中的水听器将地震信号转换为电信号, 经采集包数字化后, 上传给数传包。

1.2 四通道采集包总体设计

多道地震拖缆四通道采集包总体设计框图如图 3所示。采集包主要由MCU(微控制器)、RS485通信电路、4路模数转换通道、4路信号调理电路、开关电路、9轴姿态传感器和电压检测电路等模块组成。水听器将地震信号转换为电信号, 通过开关电路后, 传输到信号调理电路。信号调理电路对电信号进行滤波、放大处理。MCU通过SPI(串行外设接口)总线控制4路模数转换器, 完成地震信号数字化。采集包使用4片32位模数转换器, 实现4通道地震信号同步采集, 采样频率1~16 kHz可调。最后, MCU使用RS485总线将数据上传到数传包。采集包采用基于自定义的三层通信模型, 完成与数传包的通信。三层通信模型包含:物理层、链路层和应用层。其中, 物理层为RS485总线, 链路层包含帧起始、地址和校验等信息, 应用层包含数据的类型和采集的数据。

采集包具备自检模式。采集包处于自检模式时, MCU的DAC(数模转换器)外设产生150 Hz的正弦波测试信号。采集包将正弦波测试信号数字化后, 将数据上传。利用自检模式可以验证系统的通信功能、数据采集功能和评估系统内噪声。

该采集包具备姿态监测功能。采集包内嵌9轴姿态传感器, 实时采集陀螺仪、加速度计和磁力计的数据, 采样频率为100 Hz。

1.3 系统硬件设计 1.3.1 主控单元

系统主控制器采用STM32L432。STM32L432单片机为32位ARM Cortex-M4内核的低功耗微控制器, 其最高运行频率高达80 MHz, 采用QFPN32封装, 包含众多外设。该MCU尺寸小, 功耗低, 可以满足多道地震数据采集系统对尺寸与功耗要求较高的应用。主控制器主要控制ADC完成地震信号采集, 并将数据上传到采集包。主控电路主要包含MCU及其复位电路、时钟电路等。

1.3.2 模数转换接口

模数转换器使用ADS1263, 其为32位高精度Δ-Σ转换器, 最高转换频率高达38.4 kHz。ADS1263是具有集成PGA(可编程增益放大器)、电压基准和内部故障监视器的低噪声、低漂移Δ-Σ ADC。多道地震拖缆四通道采集包共使用4片ADS1263, 每一个ADC完成一道地震信号采集。集成PGA可调放大倍数有1、2、4、8、16和32。使用内部集成PGA可以有效提高ADC的有效位数。经测试, 采样率1 kHz, PGA放大倍数32时, 可以测量的最小噪声为0.2 μV。

1.3.3 信号调理电路

针对地震信号幅度小、噪声干扰强的特点, 设计了由仪表放大器和RC网络构成的信号调理电路。仪表放大器选用AD8224, 其为一款JFET输入型双通道高性能仪表放大器。地震信号经过仪表放大器放大, 放大倍数为2倍。信号被放大后, 使用RC滤波电路滤除干扰信号。

1.3.4 RS485通信接口

RS485通信接口使用SN65HVD73。SN65HVD73为全双工RS485总线驱动器, 其最高速率高达20 Mbps, 功耗最高250 mW。RS-485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合, 传输距离远, 抗共模干扰能力强, 抗噪声干扰性能好。RS485通信接口为通信模型的物理层接口, 提供数据和命令的物理通道。

1.3.5 姿态采集

姿态传感器使用MPU9250。MPU9250包含3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力计。该传感器自带数字运动处理器(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎, 可以整合九轴传感器数据, 输出完整的四元数^[14]。姿态采集电路采用IIC通信方案, 其中MPU9250的中断引脚接入到单片机的外部中断脚, MPU9250通过中断的方式触发MCU实时读取姿态数据。

1.4 系统软件设计

采集包软件包括主程序、地震数据采集任务、数据打包上传任务和命令解析任务等。

1.4.1 主程序

主程序首先完成MCU外设、姿态传感器和32位模数转换器的初始化。主程序完成初始化后, 进入一个大循环。在大循环中, 根据不同条件, 完成系统状态数据采集、系统姿态数据采集、命令处理和数据发送等任务。程序流程图如图 4所示。

状态数据包含了系统当前的运行状态, 表征系统当前工作是否正常。状态数据包括:系统状态、系统电压、系统温度和通信误码。其中系统状态包括4片ADC、9轴姿态传感器等外设的工作状态。

MCU控制姿态传感器MPU9250, 完成姿态数据的采集。姿态数据包括3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁力计和DMP处理得到的四元数。微控制器获取到姿态数据后, 将姿态数据保存到发送队列, 等待发送。

命令处理任务用来处理上位机发送来的控制命令。系统命令如下:开关控制、AD同步复位、AD采样率配置和触发采集, 以及若干调试命令。主控制器接收到正确命令帧后, 启动命令处理子程序。在命令处理子程序中, 首先判断命令的类型, 根据命令类型执行相应的功能函数。

1.4.2 地震数据采集任务

地震数据采集任务的设计为系统软件设计的重点, 主要体现在地震信号同步采集。

系统采用SPI总线以时分复用方式控制4路模数转换器, 完成数据采集。系统在初始化4片ADC芯片时, 将4片ADC的参数设置相同。然后同时设置ADC的START引脚为高电平, 实现4片ADC的同步采集。同时, 使用时钟同步机制和同步控制命令实现多个采集包的同步采集。当采集到一次数据后, 使用SPI总线, 依次读取4片ADC采集到的地震数据, 并计算校验和是否正确。若校验和正确, 将数据保存到RAM中, 等待数据打包上传任务将数据打包发送到数传包。

1.4.3 数据打包上传任务

数据打包上传任务, 判断队列中是否有数据, 如果有, 则将数据打包, 然后将数据上传到数传包。数据打包上传任务使用循环冗余校验技术, 提高了系统的差错检测能力。同时, 采集包采用环形队列缓冲区和DMA(存储器直接访问)传输技术, 实现数据上传。其流程如图 5所示。

数据打包上传任务先判断环形缓冲队列是否有新数据, 如果有数据, 检测串口是否处在忙状态。如果串口空闲, 则将数据按照规定的协议打包, 其中, 校验字节使用CRC8校验码。打包完成后, 启动UART传输数据。

UART传输使用DMA传输技术, DMA控制器将打包的数据传输给UART。从而, 数据传输子程序占用极少数的CPU资源, 提高了MCU的效率。

1.4.4 命令解析任务

命令解析任务的设计为系统软件设计的难点, 系统使用有限状态机完成命令解析, 状态转换图如图 6所示。MCU每接收到一个字节的数据后, 会触发MCU的串口中断。在中断服务程序中将接收到的数据存入缓冲区, 并解析数据。系统上电后, 状态机处于空闲状态。当接收到一个字节, 并判断此字节为帧起始后, 状态机进入帧起始状态。若又接收到正确的地址后, 状态机进入地址状态, 若地址不正确, 则返回到空闲状态。在地址状态时, 串口接收到命令后, 状态机进入命令状态。命令状态的下一个状态为字节数状态。若字节数为0, 状态机进入校验状态; 若字节数不为0, 状态机进入数据状态。状态机处于数据状态时, 接收完所有的数据后, 状态机进入校验状态。在校验状态中, 完成CRC8数据校验。若校验正确, 保存命令和数据, 然后状态机回到空闲状态; 若校验不正确, 标记错误, 状态机回到空闲状态。

2 测试与分析 2.1 系统功耗

采集包的功耗直接影响了地震拖缆的整体性能, 因此, 采集包的功耗控制显得尤为重要。测试表明:采样率越大, 采集包的功耗越大。当采样率为1 kHz时, 采集包功耗仅为462 mW; 当采样率为16 kHz时, 功耗为628 mW。

2.2 系统噪声和动态范围

将采集包设置为噪声测试模式, 即此时采集包的信号输入端短接至地, 采集包采集4 096个采样点, 然后计算均方根值, 得到系统噪声。表 1给出了不同采样率和增益下的系统噪声。系统在1 kHz采样, 放大倍数为64倍时, 系统噪声仅为0.9 μV。

动态范围(Dynamic Range, DR):表征系统可以达到的最大值和最小值之间的范围, 采集包可以测量的信号的最大值为±1.25 V, 则

${\rm{DR}} = 20\lg \frac{{{U_{{\rm{Signal}}\;{\rm{MAX}}}}}}{{{U_{{\rm{Noise}}\;{\rm{RMS}}}}}} = 20\lg \frac{{2.5\;{\rm{V}}}}{{0.9\;{\rm{ \mathsf{ μ} V}}}} = 129{\rm{dB, }}$

(1)

其中, DR为动态范围, U_{Signal MAX}为系统可以测量的最大值, U_{Noise RMS}为系统的最小噪声。由此, 可计算出采集包的动态范围可达129 dB。

2.3 自检功能测试

采集控制软件将采集包设置为自检模式。此时, 采集包产生标准正弦波信号模拟地震输入信号, 采集包将标准正弦波信号数字化后, 将数据上传到数传包, 完成系统自检, 得到如图 7所示的四通道测试波形。由图 7可知, 采集包获取的波形为正弦波, 其VPP为2.28 V。测试结果说明采集包的数据采集和数据传输功能正常。

2.4 该系统与同类系统对比

表 2为本文系统与同类系统的性能对比。由表可知, 本文系统的ADC类型和动态范围优于其它同类系统; 功耗水平也较低。从对比结果可知, 该采集包性能达到了同类系统的性能, 能够满足海洋地震勘探的要求。

3 结论

本文描述的海洋多道地震拖缆四通道采集包, 采用基于ARM Cotex M4内核的低功耗微控制器, 降低了系统功耗。采集包的模数转换器, 使用32位精密Δ-Σ ADC, 提高了信号采集精度和动态范围。系统通信协议使用循环冗余校验技术, 改善了系统差错检测能力。测试表明, 该采集包自噪声小、动态范围大、功耗小, 能有效实现4通道地震信号同步采集, 对海洋地震勘探宽范围高精度信号采集研究具有一定的参考意义。