摘  要： 針對地震勘探的需求，設計了一種通用、可靠的長距離無線遠程遙控爆炸系統。該系統基于FPGA+STM32架構，不僅效率高、功耗低、體積小，并具有很強的系統穩定性。系統收發數據時，首先對數據進行卷積編碼、Viterbi譯碼，能夠有效地降低系統的誤碼率。利用現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）作為主控制器，系統能夠有效地處理數據，實現了遠距離可靠引爆、控制和采集。

　　關鍵詞： 無線傳輸；卷積編碼；Viterbi譯碼；同步；FPGA

0 引言

　　隨著無線通信技術的進步，在各個領域中對于無線觸發和控制技術的需求在逐步提高。在某些特定領域，不能采用“檢錯-重傳”機制[1]，例如在陸地地震勘探工作中，無線控制下爆炸機的同步激發將直接關系到地層反射回波接收時刻的準確性和地震資料的質量，同時數據傳輸中的可靠性將不僅涉及炸藥等物質的浪費，更涉及人身安全。

　　現有的無線觸發控制系統中，往往使用單片機、DSP等作為遙控系統的控制單元。但是由于其自身工作特點，往往對于精確的定時控制以及并行處理能力上比FPGA弱。FPGA適用于時序、組合等各種邏輯電路的應用場合，其內部時鐘延遲可達納秒級，具有速度快、集成度高、可靠性高等優點[2]。

　　為此，本文基于FPGA設計了一種新型的無線觸發控制系統，實現了數據的高可靠和同步傳輸。本文無線遠程遙控爆炸系統主要由編碼器、譯碼器、無線收發電臺和高壓起爆模塊4部分組成。在對編碼器、譯碼器同步校準后，對待發送數據進行卷積編碼、Viterbi譯碼，并加入Barker碼來實現幀的同步，并使用兩條互為備份的數據傳送通道同時發送數據。本文設計的無線觸發采集系統，即使某一數據通道出現少量錯碼，系統仍能有效地恢復出數據，并進行可靠的數據傳輸。

1 無線遠程遙控爆炸系統簡介

　　無線遠程遙控爆炸系統包括編碼器、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和控制數據采集的啟動并保證震源激發和數據采集啟動同步[3]。如圖1所示，編碼器作為采集系統與譯碼器之間的橋梁，進行發送、接收數據。譯碼器接收編碼器發來的命令，控制高壓起爆裝置，并將采集數據發送至編碼器。高壓起爆裝置在譯碼器控制下產生高壓，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。此系統無線傳送速率主要取決于無線收發電臺。目前系統近距離傳輸速率能達到48.59 Mb/s。

　　為了改進接收信號質量，本系統引入信道編碼的方法來改善信道質量，具體如圖2所示。發送端對數據進行組幀、并串轉換、卷積編碼、加入同步幀信息后，把數據發送至無線通信電臺進行調制。接收端的無線通信電臺對信號進行解調后發送數據至接收端的FPGA。接收端的FPGA檢測到幀同步信息后對接下來的數據保存，并進行Viterbi譯碼。FPGA對雙通道的數據進行冗余校驗，并選擇正確的數據執行相關操作。

2 系統硬件的實現

　　系統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，FPGA選用Altera的EP4CGX30F23I7，主要用來完成對數據的編解碼和對信號的控制。ADS1282為基于△-∑技術的32位高精度低功耗模數轉換芯片，其主要功能是將檢波器的模擬電平信號轉換為數字信號，并將數據送至FPGA進行相關數據處理。DAC1282為TEXAS的一款全集成數模轉換器，此轉換器可提供低失真、數字合成電壓輸出，主要用來將數字信號轉換為模擬信號并通過電纜發送至上位機。

　　STM32F407作為無線遠程遙控爆炸系統板上的備用主控芯片，當FPGA不能正常工作時，隨時可以替代FPGA讓整個系統繼續正常工作。STM32F407ZG系列是基于高性能的ARMCortexTM-M4F的32位RISC內核，工作頻率高達168 MHz[4]。

　　高壓板主要由12 V轉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，高壓板對450 V、100 μF的電容充電。TB_TTL信號電平被FPGA拉高時，高壓板執行點火命令，引爆雷管。FIRE_CONTROL信號電平被FPGA拉高時，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，當充電完成，高壓板將此信號拉低。SH_ON信號電平被FPGA拉高時，高壓板上的電源芯片正常工作，否則進入休眠狀態，減少功耗。當雷管被引爆時，CTB信號被拉低。TB_ACT信號為TB_TTL的反饋信號，當高壓板接收到TB_TTL信號時，將TB_ACT信號拉低送至FPGA。由以上信號按順序執行才能完成正常的引爆操作，否則不能正常進行，由此提高了系統的安全性。

3 系統同步的實現

　　無線觸發控制系統主要延遲包括激發延遲、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]。無線觸發控制系統具體同步時序如圖5所示。整個時序圖包括三部分：數據采集系統、編碼器、譯碼器。編碼器與采集系統之間以遙控起爆線、鐘時斷線、參考脈沖線、模擬信號線4條信號線相連。點火線用來連接編碼器和譯碼器（時間校準時才連接）。具體工作流程為：

　　（1）數據采集系統發出點火命令至編碼器，編碼器在接收到點火命令后，延遲1 s，發送TB命令（即鐘時斷信號）至數據采集系統開始采集數據。

　?。?）編碼器在接收到系統發來的點火命令時，經過時間t（t由編碼器、譯碼器間的傳輸延遲決定，t小于1 s）發送起爆命令至譯碼器進行起爆。點火脈沖是譯碼器執行引爆雷管時發出的脈沖。務必使鐘時斷信號與點火信號對齊，這樣才能保證整個系統的同步。

　?。?）編碼器以鐘時斷脈沖為基準計時，1.75 s后在參考脈沖線上發出參考譯碼器鐘時斷信號，再經250 ms發出參考驗證時斷信號，再經250 ms發出參考井口信號標識。

　　（4）譯碼器以點火脈沖為基準，經1.75 s發出譯碼器鐘時斷信號。以雷管實際引爆時刻為基準，經2 s發出驗證時斷信號，再經250 ms發出井口采集數據。編碼器接收到譯碼器發來的數據，將信號轉換成模擬信號，發送至模擬信號線上。通過參考譯碼器鐘時斷信號與譯碼器鐘時斷信號對比，可反映出鐘時斷信號與點火信號之間的時差。通過參考驗證時斷信號與驗證時斷信號，可反映出雷管通電后經多久才能引爆。

　　本系統采用50 MHz時鐘作為EP4CGX30F23I7N的主時鐘，保證計數器計數誤差在20 ns內。遙爆系統工作之前需進行校準，即把編碼器與譯碼器通過點火信號連接到一起，進行模擬起爆。由于無線電波傳播速度為3×108 m/s，數據在空中傳輸的延遲相比于其他延遲可以忽略不計。編碼器準備好待發送數據，計數器開始計時，至接收到譯碼器通過點火信號線發出的點火脈沖結束，通過計數器計數的值計算出耗時作為時間補償Dt。編碼器接收到起爆命令時，需經（1 s-Dt）發送點火命令至譯碼器，這樣才能保證引爆雷管與數據采集系統同步。編碼器工作時，需將參考脈沖信號線上的信號延遲Dt，這樣，整個采集系統完全做到了同步。上述補償時間的計算及校準由系統自動完成。

4 系統測試

　　4．1 模塊測試

　　整個系統已搭建完成，并在實驗室內進行測試。測試時，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。無線遙爆觸發系統采用12 V的直流電源供電。圖6顯示了測試中利用SignalTap Ⅱ截取經卷積編碼后輸出的部分信號波形。其中x為串行輸入數據，yt為卷積編碼后輸出的數據。數據經無線發送后，經Viterbi譯碼，仿真圖形如圖7所示，編碼器發送的數據為208 bit，data_out為譯碼輸出的部分數據，譯碼數據與發送端的高低位順序相反。由于數據經發送后，高低位互換，圖上只截取了經Viterbi譯碼后的高27位的譯碼結果。

　　4．2 系統整體測試

　　首先，進行系統校準。將點火信號線連接好后，進行模擬起爆，系統自動進行校準，經多次測試，時間補償Dt為132.084 1 ms，圖8為示波器捕捉到的鐘時斷信號與點火信號線上的脈沖輸出，經多次測量，鐘時斷脈沖與點火脈沖時間誤差在1 ms以內，很好地完成了同步。其次，在對高壓模塊進行測試時，高壓模塊在譯碼器的控制下，在1 s內將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，沒有出現問題，達到設計指標要求。安全放電回路采用10 k?贅水泥電阻與450 V、100 F電容構成RC回路，放點達到標準要求。

5 結論

　　在無線遙控爆炸觸發系統設計中，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內豐富的邏輯資源以及存儲資源，實現了數據的遠距離同步可靠傳輸。加入備份數據通道后，通過FPGA內部邏輯控制，在硬件上實現了對兩路數據的實時校驗及自動判選，提高了系統的穩定性和可靠性。相比于“備份-重傳”等機制[6]，該方法實現簡單、實時性好，即使某一通道不能正常工作，系統仍能正常進行。目前，該無線遙控方案已通過實驗室聯調。本文提出的互為備份的雙通道編解碼、數據冗余傳輸機制，亦可應用于其他相關無線傳輸領域，以提高遠距離數據傳輸的可靠性和穩定性。

　　參考文獻

　　[1] Zhang Sifeng， Zhang Keli， Cao Ping ，et al. Design and realization of remote synchronous data transmission system based on distributed architecture of serial concurrent bus[C]. 9th International Conference on Electronic Measurement & Instruments， Beijing， China： [s.n.]， 2009，3：358-362.

　　[2] 潘軼群，佟剛．基于FPGA的B碼同步信號源的設計[J]．微型機與應用，2013，32（8）：61-63.

　　[3] 李科．地震勘探遙控爆炸機同步系統關鍵技術研究[D]．吉林：吉林大學，2009，2-3.

　　[4] STM32F405xx and STM32F407xx advanced ARM-based 32-bit MCUs Reference manual[S]. STMicroelectronics，2011.

　　[5] 秦明輝.Shot Pro和Boom Box系統控制時序分析[J].物探裝備，2006，16（3）：190-194，197.

　　[6] 王東旅，楊俊峰，程宏才，等．地震數據采集系統中的數據傳輸系統設計[J]．數據采集與處理，2011，26（4）：494－498．