长距离数据传输抗干扰技术研究进展＊

潘飞儒 赵圣麟 李 丽 关作金 叶海峰

1) 珠海市泰德企业有限公司，广东珠海 519082

2) 中国地震局地球物理研究所，北京 100081

地震数据采集记录系统是地震仪器最重要的核心设备之一。它是集数据传感、采集、传输、处理和控制于一体的高精度复杂系统, 其采集精度、数据传输方式直接影响地震仪的性能和观测精度[1]。设计好的数据传输方案既可以降低对电路系统功耗和器件数的要求，也可以降低对电缆的性能要求[2]。同其他设备一样，随着电子和通讯技术的不断发展，地震仪由于不断采用先进、成熟的数据传输技术也得到了飞速发展[1]。

目前地震仪器中常用的有线传输技术主要是低速的串行通讯技术，如RS-232、RS-485等通讯技术。不同的传输技术都起源或产生于不同的应用背景和解决特定的技术问题。因此，不同的技术应用于同一种场合会有不同的效果，特别是在适应环境很广的地震观测中，不同的传输技术在各种不同的特定环境中应用会显露出不同的优势和不足[1]。研究高温高压高湿环境下，长距离数据传输抗干扰技术，设计有效的数据传输方式，组建稳定高效的传输系统是井下甚宽频带地震仪研制项目的重要环节。长距离数据传输抗干扰技术研究主要包括以下几个方面：低功耗、小型化、高分辨率、大动态范围的数据采集核心模块，传输抗干扰技术，数据传输协议及高精度授时等。

1 数据采集模块

数据采集核心模块作为地震仪的 “大脑” ，具有数据采集、通信、控制、供电及环境监测等功能。井下甚宽频带地震仪总控可细分为：系统主控、数据采集、环境监测、通信、控制和供电等（图1）。

图1 地震仪系统总控图Fig. 1 The illustration graph of general control system of seismograph

系统总控采用ARM系统，并内置物理看门狗。数据采集采用32位ADC器件，具有动态范围大、谐波总失真小等特点。

环境监测模块实时对井下甚宽频带地震仪三分向零位、供电电压电流、仪器温度等环境参数进行监控，确保仪器在发生异常时及时报警和控制。考虑着陆器的通信协议为1553B，系统总控将在保留原RS-232通信模式的基础上，增加内置1553B协议模块，实现地面通信测试实验和着陆器收发信机的通信。

仪器控制包括：① 井下甚宽频带地震仪DA标定控制，用来检测地震仪是否处于正常工作状态； ② 开解锁控制，用于地震仪在一起下放过程中的保护； ③ 三分量调零控制，用于地震仪的零位调节，确保地震仪始终处于良好的工作状态。

系统总控采用供电电源，并在内部将其DC-DC设定为±12 V、5 V、3.3 V的4种DC供电。正常工作时，标定、调零、解摆均处于关闭状态。地面输出IRIG时间码，系统总控能直接接收该时间码实现高精度授时，授时精度能达到μs级精度。

地震仪数据按要求通过RS-485实时传输至地面站，三通道微震实时观测数据采样率一般设定为100 sps，同时也包括环境监测辅助通道数据，带宽均约为950 byte/s，每日数据量约82 M；如设定为200 sps，带宽约1 850 byte/s，则每日数据量约达160 M。

数据采集系统采用了高性能、低功耗的RISC处理器/DSP器件；也采用了目前已通过美国航空航天管理局（FAA）安全认证的可用于飞机、航天器等高可靠性的实时操作系统（RTOS）；而且采用了目前国际上Analog Devices公司最新推出的高性能ADC器件。同时采用了高集成度、低功耗设计模式，系统集成了三通道地震数据采集、大容量电子硬盘（TF卡）实现数据存储等[3]，可用于实时串口数据传输、台站状态监测、多路信号标定和系统避雷保护等功能（图2）。

图2 地震数据采集器样机PCB实物图Fig. 2 The printed circuit board （PCB） of a prototype of data acquisition module

2 数据传输技术

参考日本、美国及国内多款井下地震仪的成功经验，采用一体化传感器，模拟信号。AD全部安装于井下，数据存储、IP传输等安装于井上（图3）。

图3 井下综合观测仪器示意图Fig. 3 Illustration graph of downhole integrated seismic observation instrument

考虑到通讯线缆、抗干扰、避雷、多路复用、系统集成等多方面的原因，不再采用以模拟信号的方式进行数据传输。为保证线缆复用，而完全采用数字信号的方式进行数据传输。井下与井上通过RS-485方式实现数据传输；通讯波特率9 600 bps。

RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出；在接收端，接收器将差分信号转换成TTL电平信号，因此，具有抑制共模干扰的能力。同时由于接收器具有高的灵敏度，能检测低达200 mV的电压，使传输信号能在千米以外得到恢复。根据RS-485标准，收发器的最大传输速率为10 Mbps，最大电缆长度为2 000 m，总线上能连接多个收发器（Sipex公司的SP485R允许在一条总线上连接400个收发器），广泛适用于远距离、多站式、分时通讯系统[4]。

3 抗干扰设计

在长距离数据传输中，数据损坏失真及丢失是RS-485通讯系统中常见的问题，通常是阻抗不平衡或电缆的屏蔽保护和接地不够充分导致的传输线效应。RS-485光纤通信通常采用带屏蔽保护的双绞线。传输线效应的发生通常由于两个原因：① 电缆的质量； ② 不合适或不匹配的终端。双绞线的特定阻抗一般为100—120 Ω。大部分最终信号反射或者信号轮廓失真的原因伴随着电缆长度，电缆线上的特定阻抗不均匀。长距离的光纤电缆信号传输更容易产生类似的问题。

3.1 传输电缆的选择和接地处理

3.1.1 RS-485传输线的选择及匹配

井下电缆采用专门设计定制的耐压耐腐蚀多芯屏蔽水下抗拉电缆，其中数字信号传输采用双绞线对，并且每组双绞线对有单独的屏蔽层，防止相互之间的电磁干扰，其外部为聚氨酯防水材料，内芯为聚四氟乙烯材料，以保证良好防水。其中信号芯线为0.3 mm2，电源芯线为0.5 mm2（图4）。设计特性阻抗120±15 Ω，直流电阻≤39.9 Ω/km，绝缘电阻≥500 MΩ·km，工作温度-20℃—+85℃。

图4 定制铠装电缆结构截面图Fig. 4 Cross-section graph of tailor-made armored cable

为了保障信号可以更好的传输，电缆本身应尽可能保证双绞电缆的均匀性和一致性，保障传输电缆中的阻抗一致，可以提高RS-485的抗干扰能力。为此，选择设计和定制了适合井下长距离传输的铠装井下电缆。铠装井下电缆内置RS-485通信电缆，采用屏蔽双绞线，考虑电缆较长，线上的压降可能对井下设备供电产生影响。井下设备的供电采用-48 V直流系统，井下设备的供电输入采用4:1隔离输入电源，保证供电的稳定可靠，且有很好的抗雷击和EMC功能，而且作为负电源系统，机壳接地的条件下，可以减少电化腐蚀。

3.1.2 RS-485接地处理

RS-485通讯不能简单地用一对双绞线将两端连接起来，而忽略了信号地的连接。在一些场合通讯没连接地线也可以使用，但通讯会有很大的隐患，特别是在环境差的地方，比如井下设备如果地线不接，通讯的可靠性就没法保证。不接地线主要会产生以下问题：① 共模干扰问题：RS-485是采用差分方式传递信号，系统只检测两线之间的电位差就可以了，RS-485收发器共模电压范围是-7—+12 V，只有在正常范围内才能正常工作； ② 电磁干扰问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如果没有，就会以辐射的形式返回电源端，使总线形成一个电磁发射源。因此，在设计中不但要考虑接地，还要注意信号和电路布局的隔离[5]。

3.2 RS-485 收发器件的选择

RS-485通讯系统的硬件电路需要合理设计，并选择合适的RS-485收发器件，以保证RS-485通讯的可靠性。在目前市场上众多的RS-485芯片中选择时，应首先考虑满足RS-485通讯基本要求的芯片，如单/双工、最大传输速率、隔离、可驱动节点数等，自带故障保护技术、抗静电、防雷击功能等特性参数，同时还需要考虑芯片的传输可靠性。

基于多种因素的考虑，项目最终选择ADM2687作为井下甚宽频带地震仪的接口芯片。

3.3 收发端与信号端的隔离保护

信号隔离器的原理是将变送器或仪表的信号，通过半导体器件调制转化，然后通过光感或是磁感器件实现隔离转换，进而再实行解调转换回隔离前原信号，同时对隔离后信号的供电电源实行隔离处理，保证转换后的信号、电源、大地之间绝对独立。同时对叠加在测量值上的干扰信号进行滤波，以及根据控制系统输入、输出要求对信号进行匹配。因此，隔离、放大、滤波和匹配是信号隔离器所起的作用[6]。

ADM2687采用isoPower技术实现电源的DC-DC隔离，采用iCoupler技术实现数字信号与传输信号，信号逻辑地与RS-485传输地之间数字信号隔离，从而确保RS-485的通讯端浮地，将传输信号端与仪器端的机壳浮置隔离，可以完全隔断接地环路，从而减弱环路电流的形成，抑制共模干扰的影响。

3.4 RS-485的防静电及防雷击保护

在信息传输中，减少信息所受干扰尤为重要。由于复杂的工作环境中难免会存在各种形式的干扰源，RS-485总线的传输端更需要增加保护措施。

对于野外工作的井下地震仪系统，抗静电或防雷击能力是关键参数。抗静电能力可以保护系统避免模块在焊接、设备运输、使用时遭遇静电而损坏。而系统抗雷击能力可以降低系统在野外工作环境下遭雷击损坏可能性。

通讯线路合理防护的基础是正确选用器件。传统的气体或陶瓷放电管虽然耐电流能力强，但其反应速度慢，箝位电压高（约为800 V左右）。而压敏电阻的吸收性能较差，寄生电容大，且低电压的压敏电阻漏电流大，也不适合用于RS-485接口保护。半导体类的防雷过压器件（Sidactor和TVS）虽然反应速度极快，但如前所述其耐高压能力不足，难以独立承担整个线路的保护。目前TED-485半导体类气体防雷管具有反应速度快，寄生电容小（小于1 pF），耐浪涌能力强（＜300A@10/700us）等特性，特别适合用于RS-485接口的初级防护。

图5为以TED-485防雷管为基础构建的初级和次级两级防雷电路，该电路可以实现对RS-485接口的整体防雷击和过压保护。图中Q1、Q2、Q3为TED-485防雷管，分别提供线线间和线地间的防雷击过压保护，TED-485防雷管的快速反应特性使雷击过电压被迅速泄放，而浪涌吸收能量大的特性可以保证泄放过程中防雷管自身不被损坏。泄放过程中产生的瞬态大电流会在电路中感应出一个尖峰电压，此电压幅值随电路和器件选择而有所不同，在数十伏到数百伏之间，脉宽在数十纳秒到数百纳秒之间。由于脉宽窄，该尖峰电压的能量并不大。次级保护使用TVS管，其作用是吸收上述的尖峰电压，将电压可靠地箝位在安全范围内。图中的R1、R2实现对电路的隔离，可以选用能承受很大瞬态功率的小型线绕电阻或小型有机实心电阻。以上电路同时具有了8 kV空气静电放电和4 kV接触静电放电防护。在快速脉冲群（EFT）防护方面，信号线端已通过1 kV的测试。另外，在没有加电源保护的情况下，已通过2 kV的电源端测试。如果将电路中的R1、R2换成耐压和阻值合适的PTC，则具有过流保护功能。至此，该电路在防雷击过压的基础上形成了对RS-485的整体防护[7]。

图5 TED-485防雷管示意图Fig. 5 Illustration graph of TED-485 lightning protection pipe

3.5 降低传输速率，提升RS-485的传输能力和可靠性

理论上，RS-485传输速率越高，信号的衰减就越高。因此，在满足实际传输带宽需求的前提下，适当降低传输速率，可以进一步提升RS-485的传输能力并增强系统的可靠性。井下地震仪，对于6通道数采，采用19.2 kbps可以满足24位100 Hz采样率的传输和控制要求。

4 高精度授时模块

地震监测的时间服务非常关键，要求数据与时间必须一一对应，通常采用GPS授时技术，通过包含有时间信息的GPS数据和秒脉冲模拟信号，保证GPS授时/守时精度优于1 ms。

常规的GPS授时由于GPS天与GPS模块距离很近（通常位于一块电路板上），GPS数据、秒脉冲信号以通用数字电平信号方式输入微处理器MCU处理。这种方式下，由于传输距离短，GPS天线到模块之间传输的是高频的射频信号或常规电平信号，信号随距离对信号传输的影响几乎可以不予考虑。

而井下设备，特别是深井设备，由于GPS天线在地表，授时仪器位于井底，GPS信号在长距离传输条件下受到了严重衰减，导致无法正常授时。因此，长距离授时需选用其他的授时方式，以保证2 000 m深井下的仪器授时。

数字RS-485授时方式可实现数据传输距离大于2 000 m，误差范围为μs级授时。图6为授时原理框图。与常规的授时方式相比，该方式让秒脉冲锁相后精确定时的误差小于1 ms，其延时不到1 μs。图7为用数字示波器实测的两个脉冲的延时，完全能够满足地震监测的需要，而传统的授时方式无法做到这一点[8]。

图6 井下授时原理框图Fig. 6 Block graph of the principle of downhole timing

图7 井下授时信号测试Fig. 7 Test of downhole timing signal

5 结语

井下甚宽频带地震仪传输设计具有以下几个特点：

（1）由于各模块采用各自的传输线缆，各综合设备模块之间无电信号连接，数字传输减少了模块之间的耦合，减少了信号之间的互扰，简化了设计，提高了系统可靠性。

（2）提高了传输线缆的传输容量，由于4芯（2根电源线，1对信号线）即可实现一套设备的传输，16路信号线即可传输4套完全不相关的综合设备的数据，从而提高线缆的传输容量，为实现系统完全双备份提供了基础条件。

（3）数字信号抗干扰能力强，经测试高速数据传输距离可达到2 000 m以上，远远优于模拟传输的性能；数字信号的防雷击能力优于模拟信号。进而提高了系统的可靠性[9]。