G3i/Aries仪器数传电缆通断检测仪的研制

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(1.东方地球物理勘探有限责任公司装备服务处长庆作业部　宁夏　银川　750005； 2.冀东油田分公司机动设备处　河北　唐山　063000)

0　引　言

G3i仪器是INOVA公司研发生产的新一代24位有线遥测地震勘探仪器。应用软件是基于Windows 64位操作平台开发的，操作界面简单，易于上手，人机交互界面良好，软件功能强大，带道能力较强，目前系统最大带道能力为10万道。系统支持滑动扫描、DSSS等各种高效采集工作模式。G3i系统主要由中央记录系统(CRS)和地面设备组成。地面设备由采集站、电源站、交叉站、电缆和交叉线、电瓶等组成。

近两年G3i仪器在BGP国内外项目中充当主力军，发展迅猛，设备投入量大，万道以上大规模的三维地震勘探项目常态化。长庆作业部的采集设备和数传电缆的维修保障工作量逐年增加，G3i采集站的研究攻关力度不断加强，地面采集站体及数传电缆的维修手段需不断创新拓展。

FPGA(Field Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)是专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路芯片，采用一种易于反复配置的查找表LUT(Look-Up-Table)结构，改变查找表内容即可实现FPGA的重复配置，从而在相同的电路情况下实现不同的逻辑功能，给技术人员提供了很大的创新空间。

FPGA是G3i采集站的大脑，是中枢神经控制系统，它接收仪器的指令协调采集设备有条不紊地工作。可以利用其可重新开发的特性，改造G3i报废采集站数字板电路，编写专用软件，通过FPGA I/O 接口来控制电路工作，应用在电缆的维修测试中，实现数传电缆故障判断智能化。电缆一经连接，其8根数传线对的通断情况一目了然；听蜂鸣声、看显示，就能区分出A、B插头本道线对的通断。

1　G3i采集站数字板FPGA控制原理

G3i采集站数字板主要由加电控制电路、主电源电路、线电压传输电路、4通道数据传输电路、串口电路、电源变换电路及锁相环电路组成，这些电路均由FPGA直接或间接地控制，协调采集站的正常工作[1]。图1为G3i采集站FPGA的控制脉络[2]。

FPGA控制电源变换电路及锁相环电路，提供工作电压及同步时钟，协调采集站各部分步调一致地运作。U9 MSP430电源管理模块芯片在FPGA的作用下，产生主电源，并完成采集站64 V线电压的检测与传输。

FPGA与485数传通信模块直接通讯[1，2]，来控制4通道数据传输电路。传输线对经过CON1、CON2及脉冲变压器，通过发送与接收两通路完成数据和命令及鬼对电压的传输，同时FPGA还处理来自中央记录系统(俗称主机)及主机方向的命令或数据。

图1　G3i采集站数字板FPGA通讯流程

FPGA与G3i采集站模拟板的CPLD(Complex Programmable Logic Device，即复杂可编程逻辑器件)直接通讯[1，2]，来控制地震数据采集通路。数字板通过CON3、CON4、CON5与模拟板连接，在FPGA的作用下，根据采集、测试等不同要求输出控制信号对4个模拟通路进行控制。检波器拾取的微弱地震信号经采集通路的共模线圈滤除共模干扰后，将采集信号经过高频滤波送ADS1282多路选择器芯片，经内部的前置放大器、A/D转换器和数字抽取滤波，将采集的模拟地震信号转换成24位数字信号，经串行输出口以256 MHz的传输速率送到模拟板的CPLD，并通过CPLD送到数字板的FPGA进行编排后输出送入仪器主机。同时FPGA与CPLD控制模拟板的测试信号处理电路，产生DAC OUT±等信号源，完成采集站内部及外部各类技术指标的检测[1，2]。

2　数传电缆测试仪整体设计思路

2.1　设计思路

利用G3i采集站数字板FPGA软件可重新编写开发的特性，编写专用软件，并设计硬件电路，通过FPGA I/O 来控制接口电路[2]，检测G3i和Aries电缆数传和模拟本道线对的通断。同时测线时使用1602LCD液晶屏直观显示线缆的通断；选择按钮电路进行G3i和Aries线缆的选择测试；蜂鸣器电路进行线缆的通断提示。这就是应用G3i采集站数字板核心芯片FPGA制作G3i /Aries数传电缆通断检测仪的总设计思路，维修电缆时检测判断其各线对的通断。其原理框图如图2所示[2]。

2.2　工作原理

FPGA I/O直接控制数传电缆的A端插头，16根线对全部接“高电平”，电缆B端插头16根线对全部接“低电平”。当线芯“通”时，A端高电平被拉为低电平，蜂鸣器鸣叫，显示屏显示该线芯“I即通”；当线芯“断”时，A端仍为高电平，蜂鸣器不鸣叫，显示屏显示该线芯“X即断”。

FPGA I/O也直接控制测试功能选择电路、蜂鸣器电路、液晶显示电路，来实现G3i /Aries 数传电缆测试转换，以及被测试线缆状态的提示。其电路工作原理如图3所示[2]。

图2　G3i /Aries数传电缆通断检测仪原理框图

图3　检测仪电路工作原理图

3　硬件设计

3.1　功能模块设计

3.1.1G3i和Aries数传电缆内部结构

G3i数传电缆使用铜芯双绞线，长220 m，两端各连接有12针大线插头，每隔55 m(道距)有一个模拟本道抽头，共4个，两个大线插头各连接2道，为单线4道。电缆内部有12根线芯(即6对双绞线)，其中B、C，D、E，G、H，J、M为4对直通数传线，L、F，K、A为2对模拟本道线。

Aries数传电缆也使用铜芯双绞线，长440 m，两端各连接有16针大线插头，每隔55 m(道距)有一模拟本道抽头，共8个，两个大线插头各连接4道，为单线8道。电缆内部有16根线芯(即8对双绞线)，其中R、S，J、K，G、H，E、F为4对直通数传线，P、N，M、L，D、C，B、A为4对模拟本道线。

3.1.2G3i采集站数传通路硬件组成

G3i采集站数传电路框图如图4[2]所示。

G3i 采集站数传通路主要由RS485通信模块和FPGA

图4　G3i采集站数传电路框图

构成，两块芯片之间直接通讯。RS485 接口芯片采用3.3 V单电源供电，半双工工作模式，功耗低。FPGA芯片内部含有24624 逻辑单元， I/O 口数量为256 个，采用BGA 封装。I/O 驱动电压为3.3 V。G3i仪器采集链路上的命令及数据通过数传电缆铜芯双绞线作为介质，再经由采集站内的数传通路，在每个站单元间传输[1，2]。我们设计制作的检测仪主要是利用RS485与FPGA间的直接通讯来实现。

3.1.3G3i/Aries数传电缆通断检测仪主电路设计

根据G3i和Aries两种电缆结构，以及上述检测仪设计原理图，基于改造G3i采集站数字板数传电路、左右大线插座与扁平线接口电路，以及Aries采集站A、B两个接口板(两个接口板上分别焊接一个12针G3i大线插座和16针Aries大线插座)，设计G3i与Aries转换接口。实现FPGA I/O管脚与RS485通信模块、CON5、1602LCD液晶显示屏各管脚的转换，如图5所示[2]。

图5　检测仪控制信号转换接口对照图

根据检测仪设计需求，使用37个FPGA I/O管脚来控制G3i和Aries电缆双绞铜线芯、蜂鸣器、选择按钮及液晶显示屏。使用7个RS485接口芯片来与FPGA通讯，实现测试电缆硬件功能。利用CON5插座与FPGA直接通讯特性，实现1602LCD的液晶显示功能。

G3i仪器数传电缆4对数传4对模拟本道共16根线芯占用一面屏幕显示；而Aries电缆4对数传8对模拟本道共24根线芯，占用两面屏幕显示。缺省显示“X”，线通变为“I”，“X”不变表示线断。 G3i采集站和Aries本道线对是有极性的，编程时将缺省显示的“X”优化为“+、-”。 被测G3i/Aries电缆线芯状态显示如图6所示。

图6　被测G3i/Aries电缆线芯状态显示

3.2　直流电源设计

FPGA主要是3.3 V供电，其它两组1.8 V和2.8 V电压也是由3.3 V产生的；而且所选用的RS485、1602LCD、蜂鸣器电路等也都是3.3 V供电。考虑到检测仪的便携，以及电源的安全性、耐用性，选用了3.7 V手机锂电池作为检测仪电源，同时设计充电电路，改造G3i采集站数字板主电源电路[2]，使其产生稳定的3.3 V电压，给所有模块供电。原理如图7[2]所示。

断开G3i采集站主电源部分电路，将3.7 V电源接到U49-5脚，则U49-1脚输出稳定的3.3 V电压提供给电路板，以供FPGA、RS485、显示屏等各芯片使用。

4　软件设计编写

根据工作原理和控制信号对照图，运用Verilog HDL[3，4](硬件描述语言)编写电缆通断检测软件，通过编程器烧录到G3i采集站FPGA中，实现检测数传电缆通断的目的。检测仪软件运行流程如图8所示。软件部分代码语言见图9。

图7　电源电路原理框图

图8　检测仪软件运行流程图

5　检测仪运行电缆通断测试

5.1　G3i/Aries电缆数传线测试

将被测G3i或Aries数传电缆A、B两个大线插头连接在检测仪相应大线插座上，打开电源开关，系统加电初始化， 软件会控制G3i/Aries线型选择电路、1602LCD液晶显示电路和蜂鸣器电路工作，运行所连接即所选电缆的通断测试(G3i还是Aries电缆)。首先对8根数传直通线通断情况进行检测，受FPGA芯片控制，电缆A大线插头8根数传线芯为高电平，B插头数传线芯全部接地，数传电缆A、B两个大线插头一经连接，其8根线芯的通断状态全部显示在液晶屏上。

5.2　G3i/Aries电缆模拟本道线测试

G3i电缆有4个本道8根线芯，Aries电缆有8个本道16根线芯。如图10所示，受FPGA芯片控制，电缆A、B大线插头端本道线芯为高电平，用接地探头逐一探测L-、F+、K-、A+本道抽头，线芯通，则蜂鸣器鸣叫；线芯不通，蜂鸣器不鸣叫，且被测本道线通断状态会在液晶屏上显示。Aries电缆本道线测试原理与之相同。维修人员将不通的故障线芯进行标注，以待后期维修注塑。

图9　软件代码语言界面

图10　G3i数传电缆本道测试电路图

6　结束语

应用G3i采集站FPGA设计的检测仪，既能测试G3i数传电缆，也能测试Aries数传电缆， 一机两用；维修检测电缆完全智能化。电缆两端与检测仪连接后，其 8根数传线对的通断情况在显示屏上同时显示“IIIIIIII”(全通),或“IIXIIIXI”(某某线断)；测试本道线对时，本道测试孔上的探笔逐一触及8个本道(Aries)或4个本道(G3i)线对，只听蜂鸣声、看显示，不用展开线缆就能判断区分出A、B大线插头本道线对的通断，节约时间及人力，提高维修效率。这两年作业部电缆检测维修工作中一直在使用，效果非常好。

[1] Inova公司.G3i Recording System Training Manual[Z]. 2011

[2] Inova公司.G3i RAM Digital电路图[Z]. 2013

[3] 夏宇闻.Verilog数字系统设计教程(第2版). 北京：北京航空航天大学出版社. 2008.

[4] J.BHASKER. Verilog HDL综合实用教程[M].孙海平，等译.北京：清华大学出版社，2004.