文獻標識碼： 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. 基于嵌入式以太網的分布式數據采集系統[J].電子技術應用，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.
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]。常規的地震勘探原理是以人工方法激發地震波，在地表用檢波器檢測相應的地震波形，并轉換成電信號通過后級電路采集、處理和存儲。再進一步分析人工地震波的波形數據，推斷地下巖層的形態和性質，確定是否儲有需要的資源。所依賴的最關鍵的設備是地震勘探儀或地震數據采集系統等物探設備。
分布式數據采集系統被廣泛應用于各類物探設備中，主要由地面采集站（基站）、遙測數傳電纜和中央控制站（主站）組成。基站包含地震檢波器和數據采集電路，位置由預采集點的具體分布決定。主站的主要任務是下發各類命令，完成對采集數據的記錄和質量監控并實時分析數據。
整個系統設計的難點[2]集中在以下幾個方面：高精度的數據采集；站點之間的組網和數據傳輸結構的設計；穩定可靠的遠距離高速數據通信解決方案；系統各站點的精確同步。
1 系統方案設計
系統總體框架如圖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據采集。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。各個基站實時采集波形數據并匯聚到主站，主站為工控機，實現數據處理、存儲和顯示功能。
2 系統硬件設計
本文所述的分布式采集系統硬件主要分為主控盒和基站兩部分。主控盒充當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，在規定時間段完成采集任務，并上傳和轉發數據。
2.1 主控盒硬件設計
根據分布式數據采集系統的整體設計方案，數據通道與命令通道（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命令，連同GPS模塊的校準秒脈沖通過同步模塊的電流環電路下發到各個基站。電路簡單，對單片機性能的要求不高，故使用TI公司的MSP430F149作為主控芯片。
2.1.1 USB轉串口模塊
主站上位機系統通過USB接口向基站下發啟動命令和配置信息，對于通信速率要求不高，考慮開發的便利性，選擇USB轉串口再與單片機通信的方式。使用CH340T作為USB總線的轉接芯片，支持全速USB2.0接口，外圍只需要晶振和幾個電容，結構簡單、工作可靠。CH340T內置了獨立的收發緩沖區，支持單工、半雙工和全雙工異步串行通信，自動支持USB設備掛起，以節約功耗。
2.1.2 GPS模塊
本設計采用天寶（Trimble）系列的成品GPS接收機，可以穩定輸出具有CMOS電平、與國際協調時（UTC）時間同步的高精度秒脈沖。GPS模塊在啟動后搜集衛星信號并獲取經緯度、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調時時間精確同步，具有1 ms高電平脈寬，剩余的999 ms為低電平。GPS授時系統沒有累積誤差，因此使用GPS秒脈沖控制分布式數據采集系統上各基站壓控晶振，可以有效地解決長穩時鐘在長時間工作后累積誤差嚴重影響系統同步性的問題。
2.1.3 基站時間同步模塊
現代的分布式數據采集系統一般都加入GPS時鐘模塊實現時間同步[3]，但是給每個基站都配備GPS模塊成本太高。本文使用電流環傳輸同步信號，以較低的成本實現較高精確的同步性。在主站加入GPS時鐘接收模塊，通過以跨導放大器為核心的電流環電路向基站發送啟動命令和秒脈沖校準信號。電流環原理圖[4]如圖3所示。
主站的啟動命令和GPS秒脈沖校準信號都是單端信號，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上的電流信號轉變為差分電壓信號，再利用晶體管電路實現差分電壓信號到單端電壓信號的轉換。電流環電路的核心是晶體管(三極管)，本文用跨導放大器OPA861代圖3中晶體管。
圖4是以跨導放大器為核心、通過電流環實現基站同步功能的原理圖。轉換后的單端電壓信號，通過高速比較器向數字電路部分輸出高質量的脈沖信號，便于接入后級的數字電路。
2.2 基站硬件設計
基站硬件電路主要完成3個任務：第一是接收主站用電流環下發的啟動命令，配置信息和GPS秒脈沖校準信號；第二是控制2片ADS1282采集地震波形數據并讀數；第三是通過一個W5300讀取后級基站上傳的數據，再把本站采樣數據和后級基站的采樣數據再用另一個W5300向前一級基站上傳。硬件的組成框圖如圖5所示。
2.2.1 數據采集模塊
數據采集模塊有多個采集通道，接收地震檢波器輸出的信號，完成信號調理、模/數轉換和存儲（通信）等一系列工作。數據采集模塊的框圖如圖6所示。
信號經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一個共模濾波器構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構成模數轉換器ADS1282的前置驅動電路，共模電壓通過Vocm引腳外接穩壓源控制, 配合ADS1282采樣。通過調節ADC驅動電路的反饋電阻和ADS1282內置的程控放大器，可以調節進入Δ-Σ調制器的信號的幅值。ADS1282的輸入時鐘頻率為4.096 MHz，與MCU通過SPI總線實現命令和數據通信。MCU控制ADS1282的同步(SYNC)、復位(/RESET)和低功耗模式選擇(/PWDN)等。ADS1282通過/DRDY引腳觸發外部中斷，通知MCU讀取剛采集到的數據。
2.2.2 網絡通信模塊
網絡通信模塊選擇WIZnet公司的高性能的網絡協議芯片W5300，把以太網接口和協議引入基站系統。W5300芯片內置10M/100M以太網控制器及TCP協議棧，可以快捷、穩定地實現網絡協議,不需要MCU（STM-32F207）干預，同時結合網絡協議芯片W5300和網絡延長器來實現分布式數據采集系統的數據通信。基站網絡通信電路既要接收后級數據，又要向前級上傳數據，基本框圖如7所示。
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/發存儲器自由分配。所有的采樣數據都是單向傳輸的，可以結合實際靈活分配空間，從而達到較高的通信性能。此外13F-60系列芯片集成了RJ-45端口和10/100MBase-T網絡變壓器，可以方便地實現RJ-45水晶頭和以太網PHY的連接。
2.2.3 長穩時鐘模塊
長穩時鐘模塊主要用于給ADS1282提供高精度的時鐘，是分布式數據采集系統中同步性方案設計的重要環節。現有的高質量時鐘源在短時間內工作，具有很高的穩定性，但是系統在長時間工作后，累積誤差將導致系統的時間基準出現明顯的偏差。用閉環控制[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。長穩時鐘模塊的功能框圖如圖8所示。
3 系統軟件設計
軟件設計分為下位機程序設計和上位機程序設計。下位機程序設計主要包括主控盒程序設計和基站程序設計；上位機程序設計主要是PC終端程序的設計。
3.1 主控盒程序設計
主控盒是分布式數據采集系統命令通道的核心，通過USB轉串口電路接收上位機發出的啟動命令和配置信息，再通過電流環下發到各個基站。在采集工作開始后，每秒向各基站發送一次GPS秒脈沖校準信號。主控盒程序流程圖如圖9所示。
3.2 基站程序設計
基站主控制器STM32F207在基站系統中的任務是：(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。在開始采集數據后接收ADS1282觸發的外部中斷，讀取數據并存入相關緩沖區；(3)初始化2片W5300，一個設置為服務器，用于接收后級基站上傳的數據；另一個設置為客戶端，連接前一級基站的W5300，上傳所有的數據。
W5300在TCP模式下每包數據有效字節數最多可達1 460 B，若是每次采集完成都發送一次數據，會嚴重降低網絡通信的效率，同時不便于主站的數據管理。本文設計包數據大小為1 206 B，其中1 200 B是有效的樣點數據（單基站兩個通道150次采樣結果），再加上6 B的包頭識別信息，用于標記基站和數據包編號。每個基站都設立相應的緩沖區，本站的采樣數據和接收到后級基站采樣數據先暫存到緩沖區，單片機在每次讀取ADS1282采集結果后會依次查詢各個緩沖區的存儲狀態，當發現緩沖區內有整包的數據，則利用ADS1282外部中斷間隔向負責發送數據的W5300的TX_FIFO寫入數據，最后發送到前一級基站。基站單片機程序流程圖如圖10所示。
4 評測
根據本文組網方案，對設計的分布式數據采集系統進行測試，信源采用振幅2 V、頻率為10 Hz的正弦波，系統配置采樣率為4 kS/s，ADS1282內部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確無誤，最后得到6個基站數據，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轉換結果由LabVIEW程序解析后按樣點重組，每個樣點數據占用6 B空間，包括4 B內容和2 B的符號和換行信息)，與理論計算的數值一致。實驗結果證明，分布式數據采集系統的采樣數據傳輸是穩定可靠的。
參考文獻
[1] 韓曉泉．地震勘探儀器的現狀及發展趨勢[J]．物探裝備，2008，18(2)：5-6．
[2] 陳玉萍．論地震勘探儀器的技術特征及發展前景[J]．中國石油和化工標準與質量，2012，9(1)：176．
[3] 游雪峰，文玉梅．以太網分布式數據采集同步和實時傳輸研究[J]．儀器儀表學報，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的長穩時鐘研究[D]．西安：西安交通大學，2011．
作者信息：
付良瑞1，陳耀宏2，胡祥超1，朱寶良1
（1.西北核技術研究所，陜西 西安710024；2.中國科學院西安光學精密機械研究所，陜西 西安710119）