摘  要： 針對地震勘探的需求，設(shè)計(jì)了一種通用,、可靠的長距離無線遠(yuǎn)程遙控爆炸系統(tǒng),。該系統(tǒng)基于FPGA+STM32架構(gòu),，不僅效率高、功耗低,、體積小,，并具有很強(qiáng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性。系統(tǒng)收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí),，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積編碼,、Viterbi譯碼，能夠有效地降低系統(tǒng)的誤碼率,。利用現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array,，F(xiàn)PGA）作為主控制器，系統(tǒng)能夠有效地處理數(shù)據(jù),，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離可靠引爆,、控制和采集。

　　關(guān)鍵詞： 無線傳輸,；卷積編碼,；Viterbi譯碼；同步,；FPGA

0 引言

　　隨著無線通信技術(shù)的進(jìn)步,，在各個(gè)領(lǐng)域中對于無線觸發(fā)和控制技術(shù)的需求在逐步提高。在某些特定領(lǐng)域,，不能采用“檢錯(cuò)-重傳”機(jī)制[1],，例如在陸地地震勘探工作中，無線控制下爆炸機(jī)的同步激發(fā)將直接關(guān)系到地層反射回波接收時(shí)刻的準(zhǔn)確性和地震資料的質(zhì)量,，同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸中的可靠性將不僅涉及炸藥等物質(zhì)的浪費(fèi),，更涉及人身安全。

　　現(xiàn)有的無線觸發(fā)控制系統(tǒng)中,，往往使用單片機(jī)、DSP等作為遙控系統(tǒng)的控制單元,。但是由于其自身工作特點(diǎn),，往往對于精確的定時(shí)控制以及并行處理能力上比FPGA弱。FPGA適用于時(shí)序,、組合等各種邏輯電路的應(yīng)用場合,，其內(nèi)部時(shí)鐘延遲可達(dá)納秒級，具有速度快,、集成度高,、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[2]。

　　為此,，本文基于FPGA設(shè)計(jì)了一種新型的無線觸發(fā)控制系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高可靠和同步傳輸,。本文無線遠(yuǎn)程遙控爆炸系統(tǒng)主要由編碼器、譯碼器,、無線收發(fā)電臺和高壓起爆模塊4部分組成,。在對編碼器、譯碼器同步校準(zhǔn)后,，對待發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積編碼,、Viterbi譯碼，并加入Barker碼來實(shí)現(xiàn)幀的同步,，并使用兩條互為備份的數(shù)據(jù)傳送通道同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù),。本文設(shè)計(jì)的無線觸發(fā)采集系統(tǒng)，即使某一數(shù)據(jù)通道出現(xiàn)少量錯(cuò)碼,，系統(tǒng)仍能有效地恢復(fù)出數(shù)據(jù),，并進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

1 無線遠(yuǎn)程遙控爆炸系統(tǒng)簡介

　　無線遠(yuǎn)程遙控爆炸系統(tǒng)包括編碼器,、譯碼器（編碼器,、譯碼器硬件完全相同，只是配置邏輯不同）,、高壓起爆裝置和無線通信電臺,，其主要功能是控制震源激發(fā)和控制數(shù)據(jù)采集的啟動(dòng)并保證震源激發(fā)和數(shù)據(jù)采集啟動(dòng)同步[3]。如圖1所示,，編碼器作為采集系統(tǒng)與譯碼器之間的橋梁,，進(jìn)行發(fā)送、接收數(shù)據(jù),。譯碼器接收編碼器發(fā)來的命令,，控制高壓起爆裝置，并將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至編碼器,。高壓起爆裝置在譯碼器控制下產(chǎn)生高壓,，引爆雷管。無線通信電臺采用互為備份的雙通道通信連接編碼器和譯碼器,。此系統(tǒng)無線傳送速率主要取決于無線收發(fā)電臺,。目前系統(tǒng)近距離傳輸速率能達(dá)到48.59 Mb/s。

　　為了改進(jìn)接收信號質(zhì)量,，本系統(tǒng)引入信道編碼的方法來改善信道質(zhì)量,，具體如圖2所示。發(fā)送端對數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀,、并串轉(zhuǎn)換,、卷積編碼、加入同步幀信息后,，把數(shù)據(jù)發(fā)送至無線通信電臺進(jìn)行調(diào)制,。接收端的無線通信電臺對信號進(jìn)行解調(diào)后發(fā)送數(shù)據(jù)至接收端的FPGA,。接收端的FPGA檢測到幀同步信息后對接下來的數(shù)據(jù)保存，并進(jìn)行Viterbi譯碼,。FPGA對雙通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余校驗(yàn),，并選擇正確的數(shù)據(jù)執(zhí)行相關(guān)操作。

2 系統(tǒng)硬件的實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)硬件部分包括兩部分,，一部分是編碼器/譯碼器基本單元,，另一部分是高壓起爆單元。本文重點(diǎn)介紹編碼器/譯碼器基本單元,。如圖3所示,，編碼器/譯碼器基本單元主要以FPGA為核心，F(xiàn)PGA選用Altera的EP4CGX30F23I7,，主要用來完成對數(shù)據(jù)的編解碼和對信號的控制,。ADS1282為基于△-∑技術(shù)的32位高精度低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其主要功能是將檢波器的模擬電平信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,，并將數(shù)據(jù)送至FPGA進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理,。DAC1282為TEXAS的一款全集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器，此轉(zhuǎn)換器可提供低失真,、數(shù)字合成電壓輸出,，主要用來將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號并通過電纜發(fā)送至上位機(jī)。

　　STM32F407作為無線遠(yuǎn)程遙控爆炸系統(tǒng)板上的備用主控芯片,，當(dāng)FPGA不能正常工作時(shí),，隨時(shí)可以替代FPGA讓整個(gè)系統(tǒng)繼續(xù)正常工作。STM32F407ZG系列是基于高性能的ARMCortexTM-M4F的32位RISC內(nèi)核,，工作頻率高達(dá)168 MHz[4],。

　　高壓板主要由12 V轉(zhuǎn)400 V隔離電源、光耦和水泥電阻等組成,，與FPGA連接的信號如圖4所示,，CHARGE_EN信號為充電信號。

　　FPGA將CHARGE_EN信號電平拉高時(shí),，高壓板對450 V,、100 μF的電容充電。TB_TTL信號電平被FPGA拉高時(shí),，高壓板執(zhí)行點(diǎn)火命令，引爆雷管,。FIRE_CONTROL信號電平被FPGA拉高時(shí),，高壓板將雷管接通至大電容放電回路。HV_READY信號由高壓板控制,，當(dāng)充電完成,，高壓板將此信號拉低,。SH_ON信號電平被FPGA拉高時(shí)，高壓板上的電源芯片正常工作,，否則進(jìn)入休眠狀態(tài),，減少功耗。當(dāng)雷管被引爆時(shí),，CTB信號被拉低,。TB_ACT信號為TB_TTL的反饋信號，當(dāng)高壓板接收到TB_TTL信號時(shí),，將TB_ACT信號拉低送至FPGA,。由以上信號按順序執(zhí)行才能完成正常的引爆操作，否則不能正常進(jìn)行,，由此提高了系統(tǒng)的安全性,。

3 系統(tǒng)同步的實(shí)現(xiàn)

　　無線觸發(fā)控制系統(tǒng)主要延遲包括激發(fā)延遲、傳輸延遲,、處理延遲,。同步誤差越大，地層深度偏差也就越大[5],。無線觸發(fā)控制系統(tǒng)具體同步時(shí)序如圖5所示,。整個(gè)時(shí)序圖包括三部分：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、編碼器,、譯碼器,。編碼器與采集系統(tǒng)之間以遙控起爆線、鐘時(shí)斷線,、參考脈沖線,、模擬信號線4條信號線相連。點(diǎn)火線用來連接編碼器和譯碼器（時(shí)間校準(zhǔn)時(shí)才連接）,。具體工作流程為：

　?。?）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)出點(diǎn)火命令至編碼器，編碼器在接收到點(diǎn)火命令后,，延遲1 s,，發(fā)送TB命令（即鐘時(shí)斷信號）至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)。

　?。?）編碼器在接收到系統(tǒng)發(fā)來的點(diǎn)火命令時(shí),，經(jīng)過時(shí)間t（t由編碼器、譯碼器間的傳輸延遲決定,，t小于1 s）發(fā)送起爆命令至譯碼器進(jìn)行起爆,。點(diǎn)火脈沖是譯碼器執(zhí)行引爆雷管時(shí)發(fā)出的脈沖。務(wù)必使鐘時(shí)斷信號與點(diǎn)火信號對齊，這樣才能保證整個(gè)系統(tǒng)的同步,。

　?。?）編碼器以鐘時(shí)斷脈沖為基準(zhǔn)計(jì)時(shí)，1.75 s后在參考脈沖線上發(fā)出參考譯碼器鐘時(shí)斷信號,，再經(jīng)250 ms發(fā)出參考驗(yàn)證時(shí)斷信號,，再經(jīng)250 ms發(fā)出參考井口信號標(biāo)識。

　?。?）譯碼器以點(diǎn)火脈沖為基準(zhǔn),，經(jīng)1.75 s發(fā)出譯碼器鐘時(shí)斷信號。以雷管實(shí)際引爆時(shí)刻為基準(zhǔn),，經(jīng)2 s發(fā)出驗(yàn)證時(shí)斷信號,，再經(jīng)250 ms發(fā)出井口采集數(shù)據(jù)。編碼器接收到譯碼器發(fā)來的數(shù)據(jù),，將信號轉(zhuǎn)換成模擬信號,，發(fā)送至模擬信號線上。通過參考譯碼器鐘時(shí)斷信號與譯碼器鐘時(shí)斷信號對比,，可反映出鐘時(shí)斷信號與點(diǎn)火信號之間的時(shí)差,。通過參考驗(yàn)證時(shí)斷信號與驗(yàn)證時(shí)斷信號，可反映出雷管通電后經(jīng)多久才能引爆,。

　　本系統(tǒng)采用50 MHz時(shí)鐘作為EP4CGX30F23I7N的主時(shí)鐘,，保證計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)誤差在20 ns內(nèi)。遙爆系統(tǒng)工作之前需進(jìn)行校準(zhǔn),，即把編碼器與譯碼器通過點(diǎn)火信號連接到一起,，進(jìn)行模擬起爆。由于無線電波傳播速度為3×108 m/s,，數(shù)據(jù)在空中傳輸?shù)难舆t相比于其他延遲可以忽略不計(jì),。編碼器準(zhǔn)備好待發(fā)送數(shù)據(jù)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí),，至接收到譯碼器通過點(diǎn)火信號線發(fā)出的點(diǎn)火脈沖結(jié)束,，通過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的值計(jì)算出耗時(shí)作為時(shí)間補(bǔ)償Dt。編碼器接收到起爆命令時(shí),，需經(jīng)（1 s-Dt）發(fā)送點(diǎn)火命令至譯碼器,，這樣才能保證引爆雷管與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步。編碼器工作時(shí),，需將參考脈沖信號線上的信號延遲Dt,，這樣，整個(gè)采集系統(tǒng)完全做到了同步,。上述補(bǔ)償時(shí)間的計(jì)算及校準(zhǔn)由系統(tǒng)自動(dòng)完成,。

4 系統(tǒng)測試

　　4．1 模塊測試

　　整個(gè)系統(tǒng)已搭建完成,，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行測試。測試時(shí),，將編碼器與無線模塊連接到一起，譯碼器與無線模塊連接到一起,。無線遙爆觸發(fā)系統(tǒng)采用12 V的直流電源供電,。圖6顯示了測試中利用SignalTap Ⅱ截取經(jīng)卷積編碼后輸出的部分信號波形。其中x為串行輸入數(shù)據(jù),，yt為卷積編碼后輸出的數(shù)據(jù),。數(shù)據(jù)經(jīng)無線發(fā)送后，經(jīng)Viterbi譯碼,，仿真圖形如圖7所示,，編碼器發(fā)送的數(shù)據(jù)為208 bit，data_out為譯碼輸出的部分?jǐn)?shù)據(jù),，譯碼數(shù)據(jù)與發(fā)送端的高低位順序相反,。由于數(shù)據(jù)經(jīng)發(fā)送后，高低位互換,，圖上只截取了經(jīng)Viterbi譯碼后的高27位的譯碼結(jié)果,。

　　4．2 系統(tǒng)整體測試

　　首先，進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn),。將點(diǎn)火信號線連接好后,，進(jìn)行模擬起爆，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行校準(zhǔn),，經(jīng)多次測試,，時(shí)間補(bǔ)償Dt為132.084 1 ms，圖8為示波器捕捉到的鐘時(shí)斷信號與點(diǎn)火信號線上的脈沖輸出,，經(jīng)多次測量,，鐘時(shí)斷脈沖與點(diǎn)火脈沖時(shí)間誤差在1 ms以內(nèi)，很好地完成了同步,。其次,，在對高壓模塊進(jìn)行測試時(shí)，高壓模塊在譯碼器的控制下,，在1 s內(nèi)將12 V直流電壓提升至402 V,，以2 ?贅的水泥電阻模擬雷管爆炸，電路正常工作,，沒有出現(xiàn)問題,，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。安全放電回路采用10 k?贅?biāo)嚯娮枧c450 V,、100 F電容構(gòu)成RC回路,，放點(diǎn)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,。

5 結(jié)論

　　在無線遙控爆炸觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了基于卷積編碼,、Viterbi譯碼的編碼和互為備份的雙通道傳輸方案,，利用了FPGA內(nèi)豐富的邏輯資源以及存儲資源，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離同步可靠傳輸,。加入備份數(shù)據(jù)通道后,，通過FPGA內(nèi)部邏輯控制，在硬件上實(shí)現(xiàn)了對兩路數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)校驗(yàn)及自動(dòng)判選,，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,。相比于“備份-重傳”等機(jī)制[6]，該方法實(shí)現(xiàn)簡單,、實(shí)時(shí)性好,，即使某一通道不能正常工作，系統(tǒng)仍能正常進(jìn)行,。目前,，該無線遙控方案已通過實(shí)驗(yàn)室聯(lián)調(diào)。本文提出的互為備份的雙通道編解碼,、數(shù)據(jù)冗余傳輸機(jī)制,，亦可應(yīng)用于其他相關(guān)無線傳輸領(lǐng)域，以提高遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性,。

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