0 引言

    隨著石油勘探開發的精細化，地震勘探方法向著多維、多分量、超多道方向發展^[1-2]，地球物理勘探技術對三維高精度勘探的需求越來越大，推動著高分辨三維地震勘探技術的不斷發展。與傳統的組合方式比較，多維高密度采集的地震數據量成倍增長，這對地震記錄儀器的數據采集能力提出了巨大的挑戰，并且這種地震數據量的增長，也對數據的實時處理、傳輸等技術提出了很高的要求。

    本文提出了一種適用于地震勘探系統設備的基于雙CPCI（Compact PCI）總線的采集接口卡硬件設計方案，能夠有效實時地采集、處理和存儲來自地震勘探拖纜的高速地震數據，并通過兩個高速CPCI總線橋接到主控設備。

1 板卡總體結構

    接口卡整體結構如圖1所示。接口卡主要包括兩路CPCI總線接口、高速串行數據接口和DDR2 SDRAM接口。其中，兩路CPCI接口實現接口卡與上位機之間的數據通信，光接口和電接口實現拖纜地震數據上傳和命令控制的下傳通道，電接口和光接口實現相同的功能，根據實際的應用場合選擇使用電接口或光接口，上傳的地震數據由FPGA進行處理后通過CPCI總線將數據傳輸給上位機進行實時顯示與存儲。 

    板上的FPGA、2個DDR2的存儲單元和PCI接口芯片PCI9054及QL5064構成數據處理單元。2個DDR2的存儲單元完成對接收到的地震數據進行緩存；FPGA完成對接收到的地震數據進行處理，然后通過QL5064的PCI通道把地震數據上傳；PCI9054通道只抽取部分振子數據及各種狀態數據，并通過PCI通道上傳。

2 板卡硬件設計

2.1 CPCI總線接口設計

    Compact PCI(簡稱CPCI)總線既有PCI總線的高帶寬、高性能、即插即用、價格低廉等諸多優點，又有無源背板VME總線的可靠性^[3]。地震數據采集系統需要大數據量的吞吐，并且需要處理多種不同數據的發送，因此本板卡使用了2個CPCI總線控制器，分別為專門用于傳輸地震數據的CPCI總線和用于傳輸振子、拖纜狀態、錯誤狀態以及其他輔助數據的CPCI總線。

2.1.1 QL5064接口

    傳輸地震數據選用了支持64 bit、66 MHz總線標準的QL5064芯片作為板卡的外部接口，這是一款反熔絲設計的芯片，它具有零等待狀態猝發連接能力，可提供高達600 MB/s的PCI數據傳輸率。QL5064以DMA方式與主機內存交換數據；用戶部分包括FPGA邏輯單元和11個RAM塊。PCI內核的后端通過3條64 bit總線與內部FPGA邏輯單元相連接。在本設計中，QL5064芯片的PCI空間共支持3段內存空間，BAR0 大小為64 KB，BAR1和BAR2分別為8 MB。對BAR0的訪問將映射到QL5064內部的控制寄存器。用戶也可以通過 LOCAL BUS訪問內部控制寄存器，包括對內部所有的FIFO直接進行拷貝性讀寫或破壞性讀寫。對BAR1和BAR2的訪問將映射到本地總線端，可用于對本地總線側設備空間進行訪問，由用戶編程定義。BAR1和BAR2可以設定為具有預讀取功能，這可以在Slave Dma模式時提高數據傳輸的效率。

    FPGA程序中與QL5064芯片的接口部分設計成模塊式結構，如圖2所示。接口時轉換成為經常使用的FIFO、RAM、寄存器等內部模塊接口的時序。同時接口支持64 bit、66 MHz的PCI通信，而且接口內部對數據源缺失、DMA_burst、多次DMA等都做了相應處理。

2.1.2 PCI9054接口

    除了原始地震數據外，還需要將振子、拖纜狀態、錯誤狀態等各種狀態及輔助數據上傳到上位機，由于數據量較小且傳輸速率要求較低，因此本設計選用PLX公司的PCI9054來實現總線傳輸。PCI9054的訪問方式選擇DMA方式。PCI9054作為主控設備，通過其內部的DMA控制器來實現局部總線上的數據與CPCI總線上的數據之間的傳輸，其PCI總線端與本地總線端之間的數據傳輸率可達133 MB/s。PCI9054總線控制芯片有3種工作模式，分別為M模式、C模式、J模式。其中，M模式應主要用于MPC850/860；J模式的地址線與數據線復用，完全由PCI總線控制；C模式的地址線和數據線分開使用，適用于有本地端主設備的情形^[4]。

    J模式是一種沒有local master的工作模式，其好處是地址和數據線沒有分開，嚴格仿效PCI總線的時序，只是為了時序的控制，增加了很多的控制信號，這樣為設計者了解PCI協議和更好地控制PCI通信提供了更好的空間。在本設計中使PCI9054工作在J模式。通過設置MODE0（156引腳）和MODE1（157引腳）的值來實現其工作模式的配置，將PCI9054的156腳接高電平、157腳接地后，使其工作于J模式。

    DMA訪問方式下，CPCI總線向本地總線傳輸數據時，本地時序如圖3所示。

2.2 存儲器設計

    板卡使用了兩套存儲器，每套存儲器使用4片MT47H32M16CC，實現64 bit數據寬度的256 MB存儲空間，兩套存儲器共使用8片。在FPGA程序中，DDR2接口模塊由FPGA廠商提供的IP加上根據自己的模塊要求進行的改動形成，主要完成將FPGA中的數據存入MT47H32M16CC芯片的功能。由于DDRII的時鐘速度快，而數據存入的時鐘速度慢，并且DDRII_IP的時序表明，數據及地址并不是同時出現在總線上的，因此在DDRII接口處增加了異步時鐘FIFO來暫存數據，并解決數據跨時鐘域傳輸的問題；另外，還增加了數據寫完成標志來配合乒乓切換及數據的DMA。DDR2接口IP的讀寫時序如圖4和圖5所示。

    由于DDR2內存的數據位寬為64 bit，且DDR2接口IP核的Burst長度為2，因此每個地址對應的為2個64 bit×2(DDR2為上升沿和下降沿采數據，因此在FPGA接口出來的數據位寬為64 bit×2=128 bit)。

    由圖中可以看出，在寫過程中地址和數據不是同時輸出至IP核的Local總線端的，而是先輸入地址，然后由DDR2接口模塊的Local_wdata_req來取數據，于是可以利用FIFO緩存數據和地址，使地址和數據在FIFO的輸入側同時輸入，而輸出側則按照IP核的時序進行。

    同時，通過一個狀態機控制數據從FIFO讀出到DDR2接口；每一個地址對應2個128 bit的數據，因此只需要控制地址FIFO中地址的數據量就可以控制存入DDR2接口的數據量而無需通過數據FIFO的empty信號來控制(DDR2接口的local_wdata_req信號與FIFO接口的讀信號相連即可)。

2.3 高速通信接口設計

    本設計中使用了兩路高速通信接口，如圖6所示，一路是光接口，一路是電接口；電接口和光接口實現相同的功能，根據實際的應用場合是光纖還是電纜選擇使用相應的接口。命令經FPGA發出，通過并/串芯片將8 bit信號轉換成10 bit的高速串行信號，經過電纜驅動器或者光模塊發送給拖纜采集終端；而地震數據由拖纜采集終端采集，經過電纜均衡器或者光模塊進入并串芯片，將10 bit串行信號轉換成8 bit并行信號后進入FPGA進行處理。

    光模塊采用安捷倫公司的HFCT-5208AM，完成外部光信號與板內PECL格式的高速差分信號之間的雙向轉換。設計時需要注意光模塊的SD信號是PECL格式，在本板將其接入FPGA，用于指示光模塊是否檢測到光信號輸入，但FPGA的該輸入引腳使用TTL/CMOS電平，因此需將SD信號先經過一個運放進行比較，將運放的輸出再接入FPGA。

    電傳輸時，由于趨膚效應和介質損耗^[5-6]，高速信號在傳輸過程中會發生衰減。因此，當傳輸距離較長時，往往要使用電纜驅動器和均衡器來保證高速數據傳輸的準確性。電纜驅動器將信號以最大功率耦合到電纜上，可以延長高速數據的傳輸距離；電纜均衡器可以對傳輸的信號進行高頻補償。本設計中，驅動器和均衡器分別用國半的CLC001和CLC012，匹配電路如圖7和圖8所示。

    LVDS串行器/解串器分別選用Cypress公司的CY7B923和CY7B933，這組芯片的數據傳輸速率可大于600 Mb/s；并/串轉換器CY7B923的串行輸出共有3路：OUTA、OUTB、OUTC，3路輸出的信號相同。在本設計中將OUTA、OUTB分別接到光模塊的輸出和電信號的輸出，即光信號和電信號同時輸出，由遠端拖纜決定接收哪種信號。串/并轉換器CY7B933的串行輸入有INA和INB 2路，在本設計中這兩路分別連接光模塊的輸入和電信號的輸入，兩者同時送到串/并轉換器，由軟件控制CY7B933將其中一路轉為并行信號后送到FPGA。

3 海上生產應用

    在經過長期的實驗室內部測試和調試等過程后，本文所設計的地震數據采集接口卡應用于物探船上，進行了多次實際的海上試驗和地震勘探采集作業。其中2016年在南海海域進行了二維采集作業，作業過程中接口卡上傳給上位機的拖纜地震數據為：作業采集道數2 304道，記錄長度12 s，采樣率1 ms，因此拖纜的實時數據率為69 Mb/s。作業過程中基于本設計的地震數據采集接口卡運行穩定，這充分驗證和證明了本地震數據采集接口卡能夠正確地采集拖纜的地震數據，并通過雙CPCI總線上傳給上位機進行處理，滿足海上地震勘探的數據采集處理要求。

4 結論

    海上地震勘探儀器向著多道數方向發展，但隨之而來的是數據量的增加和傳輸速度的提高，這就帶來了接口卡的采集速度、處理能力的挑戰。本文提出的地震數據采集接口卡具有雙CPCI總線結構，保證了地震數據和各種狀態數據的實時上傳，同時解決了地震數據及狀態數據相互影響的問題，有利于提高地震數據采集傳輸的穩定性和可靠性。

    室內和海上多次生產應用證明，本文提出的接口卡能夠滿足海上地震勘探儀器對船載采集接口的實時采集、處理和存儲要求，對其他相關的采集接口卡的設計具有一定的參考價值。

參考文獻

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作者信息:

邱永成，謝榮清，郭  軼

(中海油田服務股份有限公司 物探事業部，天津300450)