摘要：跟着石油勘探的开展，在地震勘探仪器中越来越需求高精度的同步技能来支撑高效收集。依据这种意图，选用FPGA技能规划了一种时钟康复以及体系同步计划，并完结了体系的固件和嵌入式软件规划。经过室炔馐浴⒁巴馐匝橐约吧产使用，证明结合FPGA技能，时钟康复和体系同步技能在地震勘探仪器中具有独特的优势，其精度可达us级，而且安稳，完结便利。
地震勘探仪器是一个高度集成的网络收集体系，在这些地震勘探仪器中，要求体系能长期接连收集，且在这种情况下能到达各个收集样点的严厉时刻同步，而且要求在同步精度上要到达微秒级，因而触及到时钟同步和体系时刻同步的2个技能难点，即时钟康复技能以及体系同步技能这两个中心技能。因而，环绕这两项技能，曾经的地震勘探仪器选用了各式各样的完结办法，可是精度不高，乃至有的体系没有彻底完结这两种技能，对高精度、高效率石油地震勘探的开展晦气。
本项目结合FPCA可编程逻辑技能，对通讯中用到的时钟康复技能以及体系同步办法进行讨论，并规划了一种计划，经过了试验和实践使用检测，证明其精度高，完结灵敏，并取得了杰出的使用作用。
1 通讯中的时钟康复规划
地震勘探仪器的有线体系结构如图1所示。
其包含了主机体系(中心操控体系)，穿插站(经过光纤把数据传输到仪器车的设备)，电源站(给户外站体供给电源的设备)，收集站(用于收集地震数据的设备)，穿插线，摆放电缆这些户外设备。一般主机体系和穿插站之间的数据传输选用光纤(穿插线)传输，电源站和收集站之间的选用铜缆(摆放电缆)传输。
在这些数据传输中，触及到指令的发送以及数据的收发。其间有2个根本的技能需求处理，一个是时钟康复，别的一个便是数据康复，有的体系不需求时钟康复，只需求将数据康复出来即可，可是有的体系需求两个都要康复出来，这需求依据体系的要求而定，本规划需求一起进行时钟康复以及数据康复。
图2是地震勘探仪器中选用的通讯链路结构。
图中数据纠错模块能够用RS前向纠错码，也能够用应对式的纠错操控。假如体系的误码率比较低，纠错模块也能够不必。本规划充分使用体系的特色(即存在下行与上行数据通道)，选用重传操控机制来完结纠错意图。
在地震勘探仪器中，当触及到高效接连收集时分，时钟康复是必不可少的。其需求全网时钟同步，其时钟需求同步到主机体系的GPS时钟。假如不需求震源高效收集，只需求同步到主机时钟即可，此刻能够不必CPS时钟同步。
规划中通讯编码方法选用8B10B，选用此类编码有利于时钟的快速康复，能够防止长1或许0的编码方法。在通讯中，选用的时钟康复技能便是使用锁相环PLL技能，其体系框图如图3所示。
图中的相频检测器为数字鉴相器，完结VCO时钟与输入串行数据的时钟的同步，其包含频率与相位的同步。参阅时钟为中心频率与串行数据随路时钟相同，用于对串行数据时钟的快速确定。
数字鉴相器为锁相环的中心部分。只要完结了频率和相位的精确定位和比较，才干输出操控VCO的信号，然后到达频率和相位共同。数字鉴相器本质上是对输入串行数据进行采样，采样的时刻窗口为一个数据时钟周期，然后依据采样的信息进行时钟相位超前或许滞后判别，然后调理VCO的相位和频率。
数字鉴相器的完结计划如图4所示。
此鉴相器为在1个时钟周期内对输入的数据流进行相位变化检测，并将检测成果(超前或许滞后)由o1和o2进行编码表明。
在本计划规划中，无论是光纤传输仍是铜缆传输，其指令通道都完结了时钟康复功用，因而能到达全网与主机时钟同步，因而能支撑长期接连收集。体系时钟康复由自定义模块完结，其体系结构图如图5所示。
经过此种计划，能让主机体系，穿插站，电源站以及收集站等户外设备都同步到同一个时钟源。
光纤通道的时钟康复由FPGA的IP硬核完结。
2 体系同步
地震勘探仪器的同步需求完结以下几个技能：
1)全网时钟同步;
2)推迟测验;
3)全网时刻同步，即TOD同步;
4)收集开端时刻同步;
对本计划来说，其全网时钟同步已经在时钟康复中完结，下面临其他3个技能点进行规划。
2.1 推迟测验
此推迟测验为测验相邻站体间的指令传输推迟，为指令下行通道的推迟时刻，此值在TOD设置时分需求，推迟测验进程如流程图6所示。
2个站体之间的推迟测验触及的参数包含：
1)大线或光缆推迟;
2)上一站体pps发送处理推迟时刻;
3)站体内部推迟;
2.2 TOD同步设置
TOD设置用于设置全网的时刻共同，其设置流程如图7所示。
图中的TOD值由主机经过指令下传。
2.3 收集开端时刻同步
在上述的TOD设置正确以及时钟过程ticks共同后，就能够进行收集开端时刻的设置，此过程依据施工需求进行设置，由主机指令发动。其设置流程图如下：
图中分为主机体系、主机接口卡以及户外站体3大部分，其间放炮收集和测验收集都需求进行收集开端同步设置。
3 试验及使用作用
本计划规划成功后，经过了试验测验，测验渠道包含：
1)力科SDA13000串行数据剖析仪;
2)安捷伦MS06104A示波器;
体系从以下2个方面进行评价。
①传输功能测验
测验渠道选用力科SDA13000串行数据剖析仪，2节点之间传输间隔为220米，速率为10.24 Mbps，剖析参数包含眼图，颤动等。测验得到的眼图参数如表1。
从表1能够看出，体系传输功能杰出，在时钟康复杰出情况下，进一步提高了体系的传输质量，而且经过了实践使用的证明。
②体系同步精度测验
体系同步精度咱们经过测验收集开端时刻TO来验证，咱们选用测验恣意2个站体之间的TO同步脉冲相位差的方法，此脉冲由主机体系的放炮指令发动，表明收集开端时刻TO的同步。测验仪器为高精度数字示波器，上升沿触发，测验屡次成果，计算如表2。
从表2能够看出，体系同步精度很高，远小于1μs，彻底能满意地震体系收集的要求。
4 定论
经过试验和实践使用，能够看出：
1)全网时钟以及时刻同步能有效地处理长期收集导致的时钟漂移(此会导致收集样点在时刻上的不同步)，因而是地震勘探仪器高效收集的中心根底;
2)选用FPGA逻辑来完结体系同步操控，在精度操控以及资源使用方面具有优势;
3)选用FPGA逻辑来完结数据传输，不但能最大发挥数据传输的功能，一起能完结高效的硬实时功能，时钟康复完结手法灵敏简略。
