《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于嵌入式以太網(wǎng)的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
付良瑞1，陳耀宏2,，胡祥超1,，朱寶良1
1.西北核技術(shù)研究所，陜西 西安710024,；2.中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西 西安710119
摘要： 地震勘探是目前探測石油、天然氣和煤炭等地下資源的重要手段,。提出了一種可用于地震勘探的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠高精度地采集數(shù)據(jù),，通過以太網(wǎng)長線傳輸后集中處理并存儲數(shù)據(jù),，利用電流環(huán)電路和長穩(wěn)時鐘解決了時鐘同步問題。實驗證明：系統(tǒng)工作穩(wěn)定,，數(shù)據(jù)傳輸可靠,，性價比較高,，具有良好的應(yīng)用前景。
中圖分類號： TN871
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.166610
中文引用格式： 付良瑞,，陳耀宏,，胡祥超，等. 基于嵌入式以太網(wǎng)的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)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.
A distributed data acquisition system based on embedded Ethernet
Fu Liangrui1,，Chen Yaohong2，Hu Xiangchao1,，Zhu Baoliang1
1.Northwest Institute of Nuclear Technology,，Xi′an 710024，China,； 2.Xi′an Institute of Optics and Fine Mechanics,，Chinese Academy of Sciences，Xi′an 710119,，China
Abstract： Seismic exploration is a key method to detect the underground resources such as petroleum, natural gas and coal. This paper proposes a high-precision distributed data acquisition system which can be employed in seismic exploration. Data are centralized processed and stored after long line transmission through Ethernet, meanwhile, the problem of clock synchronization is solved by current loop circuit and long stable clock. The experiment proves that the system is stable, reliable data transmission, superior cost performance, and has useful application prospects.
Key words : distributed,；W5300；long-reach Ethernet,；current loop

0 引言

    地震勘探是目前探測石油,、天然氣和煤炭等地下資源的最主要方法[1]。常規(guī)的地震勘探原理是以人工方法激發(fā)地震波,，在地表用檢波器檢測相應(yīng)的地震波形,，并轉(zhuǎn)換成電信號通過后級電路采集、處理和存儲,。再進(jìn)一步分析人工地震波的波形數(shù)據(jù),，推斷地下巖層的形態(tài)和性質(zhì)，確定是否儲有需要的資源,。所依賴的最關(guān)鍵的設(shè)備是地震勘探儀或地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等物探設(shè)備,。

    分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各類物探設(shè)備中，主要由地面采集站（基站）,、遙測數(shù)傳電纜和中央控制站（主站）組成,。基站包含地震檢波器和數(shù)據(jù)采集電路,，位置由預(yù)采集點的具體分布決定,。主站的主要任務(wù)是下發(fā)各類命令,，完成對采集數(shù)據(jù)的記錄和質(zhì)量監(jiān)控并實時分析數(shù)據(jù)。

    整個系統(tǒng)設(shè)計的難點[2]集中在以下幾個方面：高精度的數(shù)據(jù)采集,；站點之間的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)的設(shè)計,；穩(wěn)定可靠的遠(yuǎn)距離高速數(shù)據(jù)通信解決方案；系統(tǒng)各站點的精確同步,。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

    系統(tǒng)總體框架如圖1所示,，相鄰間距為220 m并均勻分布在一條直線上的12個基站實施精確同步的數(shù)據(jù)采集。每個基站有4個通道,，分辨率為24 bit,，最高采樣率為4 kS/s，各站點之間的同步性誤差控制在50 μs以內(nèi),。各個基站實時采集波形數(shù)據(jù)并匯聚到主站,，主站為工控機(jī)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理,、存儲和顯示功能,。

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2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

    本文所述的分布式采集系統(tǒng)硬件主要分為主控盒和基站兩部分。主控盒充當(dāng)主站與各基站命令交互,、信號同步的媒介,，基站通過接收主控盒命令，在規(guī)定時間段完成采集任務(wù),，并上傳和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),。

2.1 主控盒硬件設(shè)計

    根據(jù)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，數(shù)據(jù)通道與命令通道（包括同步信號）是完全獨立的,，主控盒是命令通道的核心。其功能框圖如圖2所示,。主控盒要接收上位機(jī)命令,，連同GPS模塊的校準(zhǔn)秒脈沖通過同步模塊的電流環(huán)電路下發(fā)到各個基站。電路簡單,，對單片機(jī)性能的要求不高,，故使用TI公司的MSP430F149作為主控芯片。 

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2.1.1 USB轉(zhuǎn)串口模塊

    主站上位機(jī)系統(tǒng)通過USB接口向基站下發(fā)啟動命令和配置信息,，對于通信速率要求不高,，考慮開發(fā)的便利性，選擇USB轉(zhuǎn)串口再與單片機(jī)通信的方式,。使用CH340T作為USB總線的轉(zhuǎn)接芯片,，支持全速USB2.0接口，外圍只需要晶振和幾個電容,，結(jié)構(gòu)簡單,、工作可靠,。CH340T內(nèi)置了獨立的收發(fā)緩沖區(qū)，支持單工,、半雙工和全雙工異步串行通信,，自動支持USB設(shè)備掛起，以節(jié)約功耗,。

2.1.2 GPS模塊

    本設(shè)計采用天寶（Trimble）系列的成品GPS接收機(jī),，可以穩(wěn)定輸出具有CMOS電平、與國際協(xié)調(diào)時（UTC）時間同步的高精度秒脈沖,。GPS模塊在啟動后搜集衛(wèi)星信號并獲取經(jīng)緯度,、年歷和星歷等信息之后可以提供高精度的秒脈沖，該秒脈沖上升沿與國際協(xié)調(diào)時時間精確同步,，具有1 ms高電平脈寬,，剩余的999 ms為低電平。GPS授時系統(tǒng)沒有累積誤差,，因此使用GPS秒脈沖控制分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上各基站壓控晶振,，可以有效地解決長穩(wěn)時鐘在長時間工作后累積誤差嚴(yán)重影響系統(tǒng)同步性的問題。

2.1.3 基站時間同步模塊

    現(xiàn)代的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般都加入GPS時鐘模塊實現(xiàn)時間同步[3],，但是給每個基站都配備GPS模塊成本太高,。本文使用電流環(huán)傳輸同步信號，以較低的成本實現(xiàn)較高精確的同步性,。在主站加入GPS時鐘接收模塊,，通過以跨導(dǎo)放大器為核心的電流環(huán)電路向基站發(fā)送啟動命令和秒脈沖校準(zhǔn)信號。電流環(huán)原理圖[4]如圖3所示,。

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    主站的啟動命令和GPS秒脈沖校準(zhǔn)信號都是單端信號,，通過VIN接入晶體管的基極，控制集電極的輸出電流(輸出電流大于15 mA),。在接收端通過取樣電阻把電流環(huán)上的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘蛛妷盒盘?，再利用晶體管電路實現(xiàn)差分電壓信號到單端電壓信號的轉(zhuǎn)換。電流環(huán)電路的核心是晶體管(三極管),，本文用跨導(dǎo)放大器OPA861代圖3中晶體管,。

    圖4是以跨導(dǎo)放大器為核心、通過電流環(huán)實現(xiàn)基站同步功能的原理圖,。轉(zhuǎn)換后的單端電壓信號,，通過高速比較器向數(shù)字電路部分輸出高質(zhì)量的脈沖信號，便于接入后級的數(shù)字電路,。

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2.2 基站硬件設(shè)計

    基站硬件電路主要完成3個任務(wù)：第一是接收主站用電流環(huán)下發(fā)的啟動命令,，配置信息和GPS秒脈沖校準(zhǔn)信號；第二是控制2片ADS1282采集地震波形數(shù)據(jù)并讀數(shù),；第三是通過一個W5300讀取后級基站上傳的數(shù)據(jù),，再把本站采樣數(shù)據(jù)和后級基站的采樣數(shù)據(jù)再用另一個W5300向前一級基站上傳,。硬件的組成框圖如圖5所示。

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2.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

    數(shù)據(jù)采集模塊有多個采集通道,，接收地震檢波器輸出的信號,，完成信號調(diào)理、模/數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲（通信）等一系列工作,。數(shù)據(jù)采集模塊的框圖如圖6所示,。

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    信號經(jīng)過地震檢波器接入大線濾波器，大線濾波器由一個差模濾波器級聯(lián)一個共模濾波器構(gòu)成來濾除信號在傳輸過程中引入的干擾,。全差動音頻放大器OPA1632構(gòu)成模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1282的前置驅(qū)動電路,，共模電壓通過Vocm引腳外接穩(wěn)壓源控制, 配合ADS1282采樣。通過調(diào)節(jié)ADC驅(qū)動電路的反饋電阻和ADS1282內(nèi)置的程控放大器,，可以調(diào)節(jié)進(jìn)入Δ-Σ調(diào)制器的信號的幅值,。ADS1282的輸入時鐘頻率為4.096 MHz，與MCU通過SPI總線實現(xiàn)命令和數(shù)據(jù)通信,。MCU控制ADS1282的同步(SYNC),、復(fù)位(/RESET)和低功耗模式選擇(/PWDN)等。ADS1282通過/DRDY引腳觸發(fā)外部中斷,，通知MCU讀取剛采集到的數(shù)據(jù),。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

    網(wǎng)絡(luò)通信模塊選擇WIZnet公司的高性能的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議芯片W5300，把以太網(wǎng)接口和協(xié)議引入基站系統(tǒng),。W5300芯片內(nèi)置10M/100M以太網(wǎng)控制器及TCP協(xié)議棧,，可以快捷、穩(wěn)定地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,不需要MCU（STM-32F207）干預(yù),，同時結(jié)合網(wǎng)絡(luò)協(xié)議芯片W5300和網(wǎng)絡(luò)延長器來實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信,。基站網(wǎng)絡(luò)通信電路既要接收后級數(shù)據(jù),，又要向前級上傳數(shù)據(jù),，基本框圖如7所示。

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    W5300與STM32F207的接口方式采用16 bit總線的直接尋址模式,，2片W5300共享10 bit地址總線,，通過低有效片選信號（/CS）來選擇,；其他所有接口是獨立的,，不會相互影響。W5300有128 KB的存儲空間,，以8 KB為單位供所有的端口收/發(fā)存儲器自由分配,。所有的采樣數(shù)據(jù)都是單向傳輸?shù)模梢越Y(jié)合實際靈活分配空間,，從而達(dá)到較高的通信性能,。此外13F-60系列芯片集成了RJ-45端口和10/100MBase-T網(wǎng)絡(luò)變壓器,，可以方便地實現(xiàn)RJ-45水晶頭和以太網(wǎng)PHY的連接。

2.2.3 長穩(wěn)時鐘模塊

    長穩(wěn)時鐘模塊主要用于給ADS1282提供高精度的時鐘,，是分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中同步性方案設(shè)計的重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有的高質(zhì)量時鐘源在短時間內(nèi)工作，具有很高的穩(wěn)定性,，但是系統(tǒng)在長時間工作后,，累積誤差將導(dǎo)致系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)出現(xiàn)明顯的偏差。用閉環(huán)控制[5]的高精度時鐘源可以從根本上解決普通時鐘源長時間工作的累積誤差問題,。長穩(wěn)時鐘模塊的功能框圖如圖8所示,。

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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    軟件設(shè)計分為下位機(jī)程序設(shè)計和上位機(jī)程序設(shè)計。下位機(jī)程序設(shè)計主要包括主控盒程序設(shè)計和基站程序設(shè)計,；上位機(jī)程序設(shè)計主要是PC終端程序的設(shè)計,。

3.1 主控盒程序設(shè)計

    主控盒是分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)命令通道的核心，通過USB轉(zhuǎn)串口電路接收上位機(jī)發(fā)出的啟動命令和配置信息,，再通過電流環(huán)下發(fā)到各個基站,。在采集工作開始后，每秒向各基站發(fā)送一次GPS秒脈沖校準(zhǔn)信號,。主控盒程序流程圖如圖9所示,。

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3.2 基站程序設(shè)計

    基站主控制器STM32F207在基站系統(tǒng)中的任務(wù)是：(1)接收主控盒的采集啟動命令(通過同步模塊接收并解析，其中包括采樣率和時長配置信息),；(2)初始化ADS1282,，配置各項參數(shù)。在開始采集數(shù)據(jù)后接收ADS1282觸發(fā)的外部中斷,，讀取數(shù)據(jù)并存入相關(guān)緩沖區(qū),；(3)初始化2片W5300，一個設(shè)置為服務(wù)器,，用于接收后級基站上傳的數(shù)據(jù),；另一個設(shè)置為客戶端，連接前一級基站的W5300,，上傳所有的數(shù)據(jù),。

    W5300在TCP模式下每包數(shù)據(jù)有效字節(jié)數(shù)最多可達(dá)1 460 B，若是每次采集完成都發(fā)送一次數(shù)據(jù),，會嚴(yán)重降低網(wǎng)絡(luò)通信的效率,，同時不便于主站的數(shù)據(jù)管理。本文設(shè)計包數(shù)據(jù)大小為1 206 B,，其中1 200 B是有效的樣點數(shù)據(jù)（單基站兩個通道150次采樣結(jié)果）,，再加上6 B的包頭識別信息，用于標(biāo)記基站和數(shù)據(jù)包編號。每個基站都設(shè)立相應(yīng)的緩沖區(qū),，本站的采樣數(shù)據(jù)和接收到后級基站采樣數(shù)據(jù)先暫存到緩沖區(qū),，單片機(jī)在每次讀取ADS1282采集結(jié)果后會依次查詢各個緩沖區(qū)的存儲狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)緩沖區(qū)內(nèi)有整包的數(shù)據(jù),，則利用ADS1282外部中斷間隔向負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)的W5300的TX_FIFO寫入數(shù)據(jù),，最后發(fā)送到前一級基站?；締纹瑱C(jī)程序流程圖如圖10所示,。

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4 評測

    根據(jù)本文組網(wǎng)方案，對設(shè)計的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行測試,，信源采用振幅2 V,、頻率為10 Hz的正弦波，系統(tǒng)配置采樣率為4 kS/s,，ADS1282內(nèi)部PGA增益為1,，采集時間為20 min。

    實驗期間隨意切換任意基站顯示4個通道的波形圖都準(zhǔn)確無誤,，最后得到6個基站數(shù)據(jù),，并且按樣點依次存儲成6個文件。查看文件大小,，6個文件都是115 200 000 B(ADS1282轉(zhuǎn)換結(jié)果由LabVIEW程序解析后按樣點重組,，每個樣點數(shù)據(jù)占用6 B空間，包括4 B內(nèi)容和2 B的符號和換行信息),，與理論計算的數(shù)值一致,。實驗結(jié)果證明，分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣數(shù)據(jù)傳輸是穩(wěn)定可靠的,。

參考文獻(xiàn)

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[2] 陳玉萍．論地震勘探儀器的技術(shù)特征及發(fā)展前景[J]．中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,，2012,，9(1)：176．

[3] 游雪峰，文玉梅．以太網(wǎng)分布式數(shù)據(jù)采集同步和實時傳輸研究[J]．儀器儀表學(xué)報,，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] 賴琳香．基于GPS的長穩(wěn)時鐘研究[D]．西安：西安交通大學(xué)，2011．



作者信息：

付良瑞1,，陳耀宏2,，胡祥超1，朱寶良1

（1.西北核技術(shù)研究所,，陜西 西安710024,；2.中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,，陜西 西安710119）

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