地球物理学进展  2014, Vol. 29 Issue (1): 434-438   PDF    
引用本文
赵建刚, 邓明, 张启升, 王琪. UDP协议在工程地震仪中的应用[J]. 地球物理学进展, 2014, 29(1): 434-438, doi: 10.6038/pg20140163  
ZHAO Jian-gang, DEND Ming, ZHANG Qi-sheng, WANG Qi. Application of UDP protocol in the engineering seismographs. Progress in Geophysics, 2014, 29(1): 434-438, doi: 10.6038/pg20140163   
UDP协议在工程地震仪中的应用
赵建刚1,2, 邓明1 , 张启升1, 王琪2    
1. 中国地质大学(北京), 北京 100083;
2. 北京探矿工程研究所, 北京 100083
收稿日期: 2013-8-18 修回日期: 2013-11-18 .
基金项目：
作者简介：赵建刚，男，1969年生，中国地质大学（北京）在读博士研究生，从事智能仪器研究.（E-mail：ZhaoJG@cugb.edu.cn）
通讯作者：邓明，男，中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院，博士生导师.（E-mail：dengming@cugb.edu.cn）
摘要：地震勘探仪器是集当代先进技术（传感器技术、电子技术、计算机技术、数据传输技术、通讯技术等）为一体的综合系统.工程地震仪是一种解决工程实际问题的应用较为广泛的地震勘探仪器， 一般用于小范围内矿产， 水文地质， 工程地质等领域.UDP是用户数据报协议简称， 这种简化的UDP协议和服务在很多情况下是足够的.UDP协议不需要建立和维护连接， 所以只需要极小的系统占用.由于这个特点， UDP可以对一些应用程序提供了一个非常有效的通信传输.DZG-1型数字地震仪是采用FPGA芯片作为采集模块控制器， 工控机为主控单元的48道工程地震仪.在仪器的设计与使用过程中， 发现数据传输速度是制约此类仪器发展的重要因素之一.本文以DZG-1型数字地震仪为例， 讨论UDP协议在工程地震仪中的实现， 数据传输速度达50Mbps以上， 解决了数据传输问题.
关键词： 工程地震仪     UDP协议     数据传输     FPGA    
Application of UDP protocol in the engineering seismographs
ZHAO Jian-gang1,2, DEND Ming1 , ZHANG Qi-sheng1, WANG Qi2    
1. China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
2. Beijing Institute of Exploration Engineering, Beijing 100083, China
Abstract: Seismographs set of the most advanced technologies (such as sensor technology, electronics technology, computer technology, data transmission technology, communication technology, etc.) for the integrated system. Engineering seismograph is a widely used seismic instrument, generally used for small scale mining, hydrogeology, engineering geology and other fields. UDP is short for User Datagram Protocol, The simplicity of UDP reduces the overhead from using the protocol and the services may be adequate in many cases. UDP communication consequently does not incur connection establishment and teardown overheads and there is minimal associated end system state. Because of these characteristics, UDP can offer a very efficient communication transport to some applications. DFG-1 digital seismograph uses FPGA chip as the acquisition module controller, IPC (Industrial Personal Computer) as the main control unit, DFG-1 is a 48 channel engineering seismograph. In instrument design and instrument use, we found that the data transmission speed is an important factor restricting the development of such devices. In this paper, DFG-1 digital seismograph, for example, discuss the UDP protocol implementation in the engineering seismograph.Data transmission speed is greater than 50Mbps, To solve the problem of data transmission.
Key words: engineering seismograph     UDP protocol     data transmission     FPGA    

0 引 言

地震勘探仪器是集传感器，控制器，处理器等于一身的综合系统(雷军等，2004；方荣新等，2013).仪器的工作过程一般是利用锤击，爆炸等人工震源作为激励，使用多个检波器检测地面震动，将激励产生的机械震动转换为电压信号，通过采集电缆传输到工程地震仪主机上(柴书常，1999)，通过前置运放滤波电路后，进入到A/D转换器(模拟电压转换为数字信号)(赖明惠等，1988).数字信号会被传输到存储器，经过数据处理软件，输出相应的地震波形(黄先律等，1994；郭建等，2009；袁子龙等，2007).

工程地震仪工作原理可以用图 1所示示意图来描述，首先由用户在操作界面上根据实际工程情况设置采集道数，采样率，采集增益，触发延时等参数，这些参数会由工控机传送给采集部分的控制器，控制器根据这些参数准备好采集工作.当各部门都准备好进行数据采集时，可以通过手动出发(由工程地震仪引爆)或外部触发(锤击或电火花引爆)来触发采集电路进行数据采集(佟训乾等，2012).工程地震仪的采集部分在接收到触发信号，延时一定时间(由用户设定)后，以设定的采样率、增益开始数据采集.采集模拟信号的过程中，各通道的同步精度和采集精度是衡量工程地震仪性能的重要指标(湘赣，2001；陆其鹄等，2009).由采集模块采集到数据可以先保存在采集模块中，待采集完成后再传输到工控机中进行数据查看及数据处理，也可以在数据采集的同时将所采集的数据传输到工控机中(张元中等，2004).

图 1 DZG-1型数字地震仪原理框图 Fig. 1 Block diagram of DFG-1 digital seismographs

工控机可以运行DOS或windows操作系统，一些在PC机上可以运行的地震数据处理软件一般也可以在工控机上运行，工控机具有可裁剪，稳定，低功耗等特点，所以一般工程地震仪都会使用工控机作为数据处理和与用户交互界面的工具(邓明等，2004；林君，2010).但是由于采集道数比较多，数据采集部分工作很难全部由工控机完成，需要在采集部分加入单片机或FPGA作为采集模块的主控，负责控制AD芯片采集数据，控制采样率，增益和触发同步.单片处理器技术成熟，开发较为容易，但其工作频率仍然较低，在时间同步以及采样控制方面存在较多不足.FPGA(现场可编程门阵列)可以并行控制多个AD芯片，同步精度高，运行速度快.同时SOPC技术也开始得到广泛的应用，可以将软处理器嵌入到FPGA中，降低开发难度(李安宗，2006).SOPC技术将单片机技术和FPGA技术的优点结合在一起，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能(李兰英，2006).

但是随着采集模块的相对独立，又引入了新的问题，采集模块采集到的大量数据需要传输到工控机中，同时工控机的采集命令也要发送到采集模块中.一次数据采集完成后，经过工程师现场初步查看数据质量是否符合要求，决定重新采集或者进行下一点采集.大多数用户要求在采集数据的过程中实时显示采集到的数据波形，或者至少在采集完成后马上看到采集数据，而不愿意等上几十秒甚至更长，所以采集模块与工控机之间必须进行高速数据传输.数据高速上传与控制命令实时下达给工程地震仪的开发带来新的挑战(张启升等，2004).

1 解决方案

一般来讲每一个检波器通道就对应一个A/D转换通道，工程地震仪一般为24道，48道，96道地震仪，其中48道居多，96道多为两台地震仪或采用分布式级联而成.目前24位∑－△采样已经成为主流(王喜珍等，2010；王洪体等，2009)，每一个通道每次采样都会产生24位数据，ADS1274/1278是常用的高精度低成本A/D转换芯片(袁子龙等，2004)，其最高采样率为128 kHz. 按照这个数据计算，一台48道仪器每秒钟数据采集产生的数据量为147.456 Mbit，公式为

C=24(bit)×48(道)×128(kHz)=147.456M(bit/S) ，

采集模块需要把所有通道采集到的数据及时发送到工控机中，高速数据传输的重要性显现出来.为保证用户能及时查看本次采集的数据，要求数据传输速度达50 Mbps以上.工控机作为数据接收端，其可用的接口有USB，串口，以太网接口，并行IO口等等，DZG-1型数字地震仪所选用的高性能工控机，本身就集成了两个百兆以太网接口.除了百兆以太网接口以外，其他接口的传输速度很难达到50 Mbps，因此，最终选定网络传输方案(吴海超等，2012).DZG-1型数字地震仪是采用FPGA芯片作为采集模块的控制器，工控机作为主控单元的48道工程地震仪.方案实现的难点之一就在于使用FPGA实现高速网络传输，本设计所采用的FPGA为ALTERA公司的Cyclone Ⅲ系列中的EP3C25芯片.

ALTERA公司的Cyclone Ⅲ系列为低成本FPGA，具有低功耗高集成度的特点.EP3C25 包含24624个逻辑单元， 608256位RAM存储器，四个锁相环PLLs (phase-locked loops ), 每个锁相环有四路输出，用户最多可以使用215个输入输出接口(用户I/O).Cyclone Ⅲ 系列FPGA支持NiosⅡ 嵌入式处理器，为用户提供了低成本并且可定制的适合用户使用的嵌入式处理器解决方案.嵌入式NiosⅡ 处理器给系统编程带来便捷，使得在FPGA中使用TCP/IP协议极为方便，缩短了研发周期.开发工具使用Quartus Ⅱ软件，内部集成了Signal Tap Ⅱ，可以很方便的调试用于网络数据传输的物理层芯片DM9000C的工作时序.

DM9000CIEP是一款工业级网络芯片，温度范围-40 度~85 度，支持10/100 M 以太网物理层，集成MAC+PHY.支持IEEE802.3 协议，传输距离在100 m~150 m 之间，广泛应用于工控，航天领域.

2 软硬件设计

DM9000CIEP 支持8位数据接口模式和16位数据接口模式，本设计选择了16位数据接口模式，DM9000C与FPGA的接口如图所示，SD0-SD 15是16位数据总线， IOR、IOW、CS、CMD(SA2)和RST 都是控制线，对于DM9000C来说是输入，低电平有效，而INT是输出，高电平有效.

在电路设计过程中，要注意遵循芯片的技术文档要求.图 2中的晶振选择25 MHz的无源两脚直插晶振，起振电容使用22 pF贴片陶瓷电容，在PCB(印制电路板)上，晶振走线尽量短，线宽粗一些.去耦电容及上拉电阻的选择都是按照芯片技术文档的要求选择，PCB结构的设计也是参照芯片手册.尽量避免出现过孔，发送差分数据线于接收差分数据线尽量不要交叉.考虑到网络接口需要经常插拔，所以将带有LED显示的RJ45网络接口放在了电路板边缘.图 2中的C61应为1 uF/2 KV高压电容，可以有效避免瞬间高压给电路板带来的损害，保证操作人员的安全(陈凯等，2009；王猛等，2009).

图 2 DM9000C外围电路原理图 Fig. 2 DM9000C external circuit schematic

DM9000C上电复位后，会自动进入低功耗休眠模式，首先唤醒PHY，普通功能寄存器第0位是PHY供电控制位，向其写入“1” 停止给PHY供电，向其写入“0” 开始给PHY供电.设置网络控制寄存器0×01可以实现软件复位，写入后10 us 以后将会自动清除，设置网络控制寄存器0×00可以使用内部PHY全双工模式.清除网络状态寄存器并且设置中断屏蔽寄存器，RX控制寄存器来完成初始化过程.可以通过LED指示灯观测到DM9000C是否已成功初始化.

UDP协议的全称是用户数据报协议，是面向报文的传输协议，不需要建立连接，由应用程序交下来的报文，添加首部以后就可以下发到IP层.再加上IP头，就能交给物理层网络芯片发送到传输线上了.由于UDP协议不需要建立连接，所以也就不需要维护连接，发送端直接将数据报发送出去，而不管接收端接到与否，或者接收是否正确.这种不可靠协议带来的优点是数据传输速度快，发送端和接收端消耗主机资源较小.在数据链路质量较好的情况下，数据出错的概率是很小的.

DZG-1型数字地震仪在每个采集板上都有16 M的FIFO存储器，因此可以在数据传输跟不上的时候将采集到的数据暂时存储在存储器中，而不至于丢失.在允许传输数据的情况下，采集板将FIFO中的数据传输给主控板，主控板会将数据打包，数据前加信息码，记录通道信息，数据后加校验码，以便在接收端验证数据传输是否出错.将打包好的数据包传递到UDP发送模块，通过网线传送到工控机上.工控机上运行的上位机软件能够接收到主控板发送过来的所有UDP数据报，通过报头识别出是否为数据报，然后校验整个数据报在传输过程中是否出错，出错则提示用户检查连线是否正确.工控机接收到数据报按照通道信息分组，按照SEG2的格式存储，以便用户查看处理.另外，上位机软件还能实时将接收到的数据画成简单的示意图，供仪器操作者查看数据质量，及时排除工程中存在的问题.

3 结 论

DZG-1型数字地震仪已经处于小批量试产阶段，在其中使用的FPGA作为主控芯片的控制板，工作稳定可靠.控制板与工控机之间的UDP协议给仪器提供了良好的数据传输支持，在较低采样率的情况下，采集数据可以实时传输到工控机上，用户可以实时观察到检波器上的振动波形.即使在高采样率的情况下，用户也能在采集完成后极短的时间内查看到地震波数据.基于UDP的传输协议提高了地震仪的操作性和实用性.图 3 为某次实验结果，仪器工作稳定，数据传输准确完整.

图 3 某次室外实验仪器显示地震波形图 Fig. 3 A seismic waveform display on experimental instrument outdoor
致 谢 感谢中国地质大学(北京)邓明教授给予指导和关心，感谢张启升老师和其他工作组成员的帮助和支持，感谢编辑和审稿专家的辛勤工作.
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