428XL系列采集设备功耗分析及应用

宫兆媛，陈治庆，赵 忠

(中石化地球物理公司胜利分公司 山东 东营 257000)

0 引 言

采集设备的升级换代一直以降低功耗提高性能为发展方向，功耗是电子产品性能的重要指标。在SERCEL技术手册中，给出了428XL系列采集站、电源站、交叉站在不同传输速率下的理论功耗值，然而通过测试随机选取合格站体的功率，发现实测值与理论值不相同。另外，在实际使用中采集设备存在睡眠、唤醒、工作等不同状态，因此对428XL系列采集设备在各种状态下的实际功耗进行了测试。

1 采集设备功耗值简介

1.1 理论值

428XL系列地面设备主要包括LAUX-428、LAUL-428、FDU-428和DSU3-428等，表1为其理论功耗值[1]261。

表1 428XL系列采集设备理论功耗值

从表1中可以看出，不同类型设备的功耗不同；同类型设备的功耗与传输速率有关，传输速率大则功率越大。另外，交叉站、电源站和采集站不同，有运行和待机两种状态，这两种状态下的功耗值差别很大。

1.2 实验测量值

分别随机抽取50个指标合格的FDU-428、10个LAUX-428和LAUL-428，在室温20 ℃时，用TMS428V4.0测试系统测试其功耗值。表2为FDU-428在传输速率为8 Mbps和16 Mbps时的功耗实测值，由数据可知，传输速率大时，功耗也会大；表3为LAUX-428在运行时各个端口的功耗实测值,由数据可知，4个端口的功耗值差不多；表4为LAUL-428在运行时两个端口的功耗实测值，由数据可知，这两个端口的功耗值差不多。以上所测值均与理论值有差距(表中选取部分测量数据)。

表2 FDU-428实测功耗值 mW

表3 LAUX-428实测功耗值 W

表4 LAUL-428实测功耗值 W

2 不同因素对功耗的影响

2.1 温度对功耗的影响

温度是影响电子产品性能的最重要因素，主要通过影响电源中的电容和半导体元器件，进而影响到电源的性能，甚至使用寿命。温度对AC/DC电路部分影响较大[2]，是因为AC/DC电路大量使用铝电解电容；温度对DC/DC电路部分影响不大，是因为DC/DC电路都大量使用钽电容、瓷片电容等。在交叉站(LAUX)和电源站(LAUL)的电源部分，存在AC/DC和DC/DC转换电路，在FDU的电源部分只有DC/DC转换电路[3]76。为了确定温度对采集设备功耗究的影响程度，进行了实验1。

实验1方法：

1)高温对功耗的影响。将采集设备放入自动控温箱体，恒温65 ℃，2.5 h后用TMS测试台进行功耗测试。

2)低温对功耗的影响。将采集设备放入冰箱的冷冻层，恒温-20 ℃，7 h后用TMS测试台进行功耗测试。

实验1抽取部分实验数据，见表5。

表5 采集设备在不同温度下的功耗值

实验1结论：

1)采集设备的功耗随温度升高而增大，在60 ℃时功耗的增幅排序是LAUX〉LAUL〉FDU，因此温度升高对交叉站功耗的影响最大。

2)采集设备的功耗随温度降低而降低，在-20 ℃时功耗的降幅排序是LAUL〉LAUX〉FDU，因此温度降低对电源站功耗的影响最大。

2.2 运行状态对功耗的影响

交叉站和电源站有三种运行状态[3]196，即睡眠模式(加电待机)、唤醒模式(被主机识别)、工作模式(测试不同指标，模拟放炮采集)；采集站只有工作模式。为确定在不同运行状态下的功耗值的差别，进行了实验2。

实验2方法：仪器主机连接不同型号采集链，用稳压电源提供12.7V输入电压，采用两台福禄克F8846六位半高精度多用表同时触发，分别记录在不同运行状态时的电压和电流值来计算功率值。

为了保证两台数字多用表同时触发记录数据，对其参数进行如下设置：

1)测量起始条件[4]：选择外部触发，数字多用表后面板的TRIG I/O插座被用来连接外部触发信号，当每次在外部触发连接器上检测到低有效的脉冲，数字多用表即开始测量。

2)测量结束条件[4]：设定相同的采样数，一旦达到采样数，测量就结束，因为仪器主机模拟放炮采集记录长度为8s，为了采集到的数据有效可用，设定了15个采样数。

3)数据存储[4]：采用外部存储器，即U盘存储的方式，外部存储器通过多用表前面板的USB端口进行连接，将测量所得数据实时记录在U盘中，数据以逗号分隔 (CSV) 格式保存在 U盘中。

实验2选取部分实验数据，见表6。

表6 采集设备在不同运行状态下的功耗值

实验2结论：

1)采集设备在不同运行状态下的功耗值是不相同的，FDU在畸变测试时其功耗值最大，DSU3在重力测试时其功耗值最大。

2)交叉站(LAUX)和电源站(LAUL)在睡眠和唤醒模式下功耗差别很大，交叉站在唤醒模式下，它的空载无功功率约为满载时的1/7，因此交叉站在不使用时应将其转为睡眠模式。

2.3 全数字采集单元三分量采集与其中一个分量采集时功耗的差异

DSU3全数字采集单元可对水平X、Y和垂直Z共3个分量实现采集工作，那么，当仅需要对其中一个分量进行数据采集时，采集单元的功耗是多少呢？通过实验3确定DSU3三分量采集与其中一个分量采集时的功耗关系。

实验3方法：

仪器主机连接采集链，用稳压电源提供12.7 V输入电压，采用两台数字多用表同时触发，通过仪器设置分别记录模拟放炮时单分量和三分量在不同传输速率下采集的电压和电流值(仪表设置方法同实验2)。

实验3选取部分实验数据，见表7。

实验3结论：通过对DSU3模拟放炮时三分量采集与单分量采集功率对比得知，两种速率下的功率值基本一致。这说明虽然在仪器设置中只保留了单分量的数据，但是DSU3的3个分量都在工作。DSU3三分量采集时功耗值等于单分量采集时的功耗值。

2.4 其他因素

影响功耗的因素还有很多方面，除了以上分析的三个方面外，采集站、传输电缆的老化，电瓶电压的过高或过低等，都会增加整个系统的功耗。

3 实际应用

3.1 应用1

428XL系列采集设备能够正常工作的温度范围是-40 ℃～+70 ℃。在某些高温特别沙漠地区，日间地表温度可达到70 ℃，这个温度虽然对采集设备构不成损害，但是却出现白天排列不通，到晚上温度下降后才能正常施工的情况。

表7 DSU3在模拟放炮时三分量和单分量的电压、电流及功率值

这正是因为采集设备受温度影响而导致功耗增加造成的。由实验1可知，温度升高对交叉站功耗影响最大，功耗过大会增加耗电量，发热量增多，温度上升，加大散热和供电的负担，电源供电不足会死机，甚至无法正常工作，因此在高温情况下应对采集设备，尤其是交叉站采取降温措施，例如加盖遮阳物等，或是减少两电源站间采集链的数量以降低功耗。

3.2 应用2

为了方便这部分的计算和说明，假设某开发地震项目使用全数字单分量采集，采用以下的施工因素[5]：428仪器主机，采用24L12S400T观测系统，单炮接收总记录道数最大达到9600道，采样率为1ms，记录长度为8s。地面设备是DSU3-428和DSU1-428联合使用，16个排列的DSU3-428，8个排列的DSU1-428。

根据总记录道数9600道，LCI最大实时采集能力可达到每毫秒5 000道[1]265来计算，此工区使用2个LCI并行管理即可，但是在放炮采集时，出现了数据丢失，不能建排放炮采集等现象。

究其原因，涉及到实际功耗值和数据量的问题。由实验3得知，虽然要求只记录单分量数据，但是3个分量都进行了采集，并进行了数据的传输，在仪器主机内通过仪器参数设置，把其他两个分量道数据作了不记录处理。也就是说，虽然记录道数只有9 600道(16×400+8×400)，但是实际接收道数却是22 400道(16×400×3+8×40)，因此需要6个LCI并行管理。另外，排列中的电源站、电瓶等的数量也都应该按照DSU3的标准去配置。

4 结 论

1)采集设备的功耗随温度升高而增大，在60 ℃时功耗的增幅排序是LAUX>LAUL>FDU，因此温度升高对交叉站功耗的影响最大。

2)采集设备的功耗随温度降低而降低，在-20 ℃时功耗的降幅排序是LAUL>LAUX>FDU，因此温度降低对电源站功耗的影响最大。

3)采集设备在不同运行状态下的功耗值是不相同的，FDU在畸变测试时其功耗值是最大的，DSU3在重力测试时其功耗值是最大的。

4)交叉站(LAUX)和电源站(LAUL)在睡眠和唤醒模式下功耗差别很大，交叉站在唤醒模式下，它的空载无功功率约为满载时的1/7，因此交叉站在不使用时应将其转为睡眠模式。

5)DSU3全数字采集单元在8 M和16 M速率下的功率值基本一致。

6)DSU3三分量采集时功耗值等于单分量采集时的功耗值。