基于FPGA的低功耗無纜地震儀校鐘系統(tǒng)

李君輝，陳祖斌，申茂冬，朱亞東洋，龐廣華

(吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130061)

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人類對(duì)金屬礦產(chǎn)資源的需求與日俱增，磁法勘探、電法勘探、地震勘探、放射性勘探、物探新方法等一系列物探技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。如今地表和淺層的資源越來越少，難以滿足社會(huì)發(fā)展的需要，據(jù)預(yù)測(cè)未來若干年，國(guó)內(nèi)主要金屬礦產(chǎn)資源需求仍將有大幅度增加[1]。深部資源探測(cè)是解決金屬礦供需的根本途徑，地震勘探以其探測(cè)深度大、精度高的特點(diǎn)，是進(jìn)行地球深部探測(cè)的有效的技術(shù)手段之一。

地震勘探儀器是地震勘探的關(guān)鍵設(shè)備，用于完成對(duì)野外地震數(shù)據(jù)的采集和記錄[2]。法國(guó)Sercel公司生產(chǎn)的地震采集系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)外比較認(rèn)可的，尤其是近年來推出的Unite與428XL是目前國(guó)際市場(chǎng)上應(yīng)用較好的主流產(chǎn)品。但是這兩款產(chǎn)品都是依靠GPS工作，在野外GPS失鎖時(shí)內(nèi)部時(shí)鐘只能維持15～25 min．

為了滿足國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)資源的需求，以及提升在深部探測(cè)方面的核心競(jìng)爭(zhēng)力，國(guó)內(nèi)加強(qiáng)了對(duì)地震勘探技術(shù)及儀器的研究。在這種背景下，國(guó)內(nèi)開展了深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)(SinoProbe，2008—2012)，這也是國(guó)內(nèi)歷史上實(shí)施的規(guī)模最大的地球深部探測(cè)計(jì)劃[3]。其中，針對(duì)地球深部目標(biāo)探測(cè)需求，吉林大學(xué)自主研制了無纜自定位地震儀及其相應(yīng)的配套儀器。無纜自定位地震儀采用無通訊鏈路連接方式，各地震采集站獨(dú)立工作，以GPS接收機(jī)輸出的1 PPS脈沖信號(hào)為基準(zhǔn)，采用整秒觸發(fā)的方法同震源同步工作[1]，實(shí)現(xiàn)幾百道甚至成千上萬道同步采集。目前無纜自定位地震儀已經(jīng)研制成型并于2012年12月應(yīng)用在遼寧興城野外實(shí)驗(yàn)中。

如上所述，目前主流的地震儀主要依靠GPS輸出的1PPS脈沖進(jìn)行同步采集，當(dāng)無GPS信號(hào)時(shí)才會(huì)使用系統(tǒng)內(nèi)置的時(shí)鐘模塊作為同步時(shí)標(biāo)，GPS接收機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行無疑會(huì)造成較大的能耗。為了更好地適應(yīng)野外長(zhǎng)時(shí)間工作的需要，盡可能的降低功耗，該系統(tǒng)在原有地震儀的基礎(chǔ)上提出了定時(shí)校鐘的方法，在地震儀工作過程中大部分時(shí)間關(guān)閉GPS，將采集站內(nèi)置時(shí)鐘作為采集站第一同步時(shí)標(biāo)，在滿足采集站同步精度的同時(shí)降低了儀器的功耗。

1 校鐘系統(tǒng)原理

石英晶體因切割工藝水平限制而存在中心頻率誤差，通常為 2～50 ppm(1 ppm=10-6)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后會(huì)產(chǎn)生較大的累積偏差。石英晶體振蕩器走時(shí)精度可以通過補(bǔ)償晶體的中心頻率誤差和溫度漂移來提高，目前常用的兩種補(bǔ)償方法為電容補(bǔ)償和數(shù)字補(bǔ)償。電容補(bǔ)償通過調(diào)整晶體振蕩電路的諧振電容值來調(diào)整震蕩頻率向溫度漂移的相反方向變化，數(shù)字補(bǔ)償則是通過增加或者減少分頻器中每s對(duì)振蕩器周期的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)來修正頻率漂移帶來的偏差。由于晶體測(cè)溫的不精確和補(bǔ)償方法精度水平的限制，補(bǔ)償所能達(dá)到的精度仍然很有限。因此該設(shè)計(jì)在數(shù)字補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，結(jié)合無纜地震儀的使用要求，提出了一種利用GPS的高精度授時(shí)定時(shí)校鐘的方法。

GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))是利用美國(guó)的24顆GPS衛(wèi)星所發(fā)射的信號(hào)而建立的覆蓋全球的導(dǎo)航、定位、授時(shí)系統(tǒng)，可提供高精度、全天時(shí)、全天候的導(dǎo)航、定位和授時(shí)服務(wù)。用戶僅需要一個(gè)GPS 接收模塊就可以得到與UTC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步的高精度1PPS脈沖(pulse per second)，以及通過串口輸出的含有與其相對(duì)應(yīng)的絕對(duì)時(shí)刻。其優(yōu)異的授時(shí)性能，使其在同步系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

該校鐘系統(tǒng)便是結(jié)合GPS的1PPS脈沖無累計(jì)誤差和高精度石英晶體振蕩器無隨機(jī)誤差的特性，利用GPS輸出的1PPS脈沖及與其對(duì)應(yīng)的UTC信息，采用定時(shí)的方法校準(zhǔn)、同步各采集站內(nèi)置的時(shí)鐘模塊。具體實(shí)施方案為：當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)設(shè)校鐘時(shí)刻時(shí)，開啟GPS，利用GPS接收機(jī)輸出的1 PPS脈沖信號(hào)，采用直接計(jì)數(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集站內(nèi)置32.768 MHz恒溫晶振的頻率校正；同時(shí)利用1 PPS脈沖進(jìn)行各采集站的秒分頻信號(hào)邊沿校準(zhǔn)；最后，利用ARM解析出的GPS時(shí)間信息校正各采集站內(nèi)部時(shí)鐘。校正成功后，關(guān)閉GPS。此后以校正后輸出的秒分頻信號(hào)作為無纜地震儀采集站的同步時(shí)標(biāo)，同時(shí)采集站內(nèi)部時(shí)鐘依靠該秒分頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能，給地震儀內(nèi)的數(shù)據(jù)采集電路提供精確時(shí)鐘，以便每臺(tái)采集站在同一時(shí)刻下工作。

2 校鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用Cyclone II系列EP2C8Q208C8 FPGA芯片作為校鐘系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理核心，基于Quartus II開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了如圖1所示的校鐘系統(tǒng)。由圖可知，系統(tǒng)主要由GPS接收機(jī)、ARM、串口通信、校鐘控制模塊、分頻模塊、時(shí)鐘模塊和定時(shí)模塊組成。文中將對(duì)主要模塊進(jìn)行介紹。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2．2各分模塊介紹

2．2．1 GPS接收機(jī)

GPS接收機(jī)主要為校鐘系統(tǒng)提供UTC時(shí)刻信息以及與UTC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步的1PPS脈沖。校鐘開啟時(shí)，系統(tǒng)將以此為依據(jù)進(jìn)行校頻、校沿及校準(zhǔn)當(dāng)前時(shí)刻。

設(shè)計(jì)所采用的GPS接收機(jī)為Crescent系列HC12A單頻接收機(jī)，該GPS接收模塊是一款單頻12通道接收機(jī)，支持12通道全視野操作，可進(jìn)行C/A碼與L1全波載波相位測(cè)量，通過單站多星測(cè)時(shí)方法能提供50 ns精度1 PPS(Pulse Per Second)脈沖信號(hào)輸出。其數(shù)據(jù)輸出格式采用 NMEA-0183消息協(xié)議和SLX二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

2．2．2 ARM

ARM作為系統(tǒng)的主控制模塊，主要負(fù)責(zé)在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)初始化系統(tǒng)(主要為校鐘控制、計(jì)時(shí)、定時(shí)模塊賦初值)，并在系統(tǒng)工作過程中根據(jù)串口模塊的反饋信息進(jìn)行開啟GPS、解析并輸出UTC、輸出預(yù)設(shè)定時(shí)信息等操作。

2．2．3 串口通信

作為ARM與FPGA溝通的“橋梁”，該模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)FPGA與ARM的信息交互，即將FPGA的相關(guān)模塊的狀態(tài)信息反饋給ARM，或根據(jù)ARM的初始化、校時(shí)、更改定時(shí)時(shí)間等指令對(duì)FPGA相應(yīng)模塊進(jìn)行設(shè)置。

2．2．4 時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘模塊由校鐘控制、分頻、計(jì)時(shí)等模塊組成。該模塊具有年、月、日、時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)功能，作為采集站的內(nèi)部時(shí)鐘，為定時(shí)模塊提供精確的當(dāng)前時(shí)刻信息。此外，該模塊可根據(jù)定時(shí)模塊的相關(guān)命令，利用GPS進(jìn)行校頻、校沿以及校準(zhǔn)當(dāng)前時(shí)刻。

2．2．5 定時(shí)模塊

定時(shí)模塊的主要目的是監(jiān)控當(dāng)前時(shí)刻，將其與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的校鐘時(shí)刻、采集開始時(shí)刻與停止時(shí)刻進(jìn)行比較，并根據(jù)判斷值，輸出校鐘控制信號(hào)或采集控制信號(hào)。

3 校鐘系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3．1校鐘

如上所述，該模塊主要依據(jù)GPS接收機(jī)輸出的高精度的1 PPS脈沖信號(hào)以及經(jīng)ARM解析的精確到秒的UTC信息進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)鐘模塊的當(dāng)前時(shí)刻與秒分頻信號(hào)的周期及上升沿，為各采集站輸出精確的同步信號(hào)及當(dāng)前時(shí)刻。該設(shè)計(jì)所采用的校鐘方法分為校頻、校沿與校正時(shí)刻3個(gè)步驟，文中將分別對(duì)3個(gè)步驟加以介紹。

3．1．1 校頻

如圖2所示：通過對(duì)2個(gè)1 PPS脈沖之間的clk脈沖計(jì)數(shù)來校準(zhǔn)恒溫晶振的頻率，當(dāng)計(jì)數(shù)完成后，使其輸出高精度的秒分頻信號(hào)。在計(jì)數(shù)過程中，如果計(jì)數(shù)值超過3 N/2，則表示GPS失鎖，計(jì)量的不是兩個(gè)相鄰1 PPS脈沖之間的clk脈沖個(gè)數(shù)，F(xiàn)PGA將對(duì)計(jì)數(shù)器清零，重新計(jì)數(shù)，直到測(cè)得兩個(gè)相鄰1 PPS脈沖之間的clk脈沖，停止計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)值T1傳遞給分頻模塊。

圖2 校鐘控制流程圖

3．1．2 校沿

校頻操作完成后，分頻模塊輸出高精度的秒分頻信號(hào)。由于多個(gè)采集站輸出的秒分頻信號(hào)的上升沿產(chǎn)生時(shí)刻各不相同，因此，有必要對(duì)秒分頻脈沖進(jìn)行校沿。該系統(tǒng)所采用的方法如圖3所示，當(dāng)1 PPS上升沿來臨時(shí)，對(duì)計(jì)數(shù)器counter1清零，重新計(jì)數(shù)，由于事先已進(jìn)行校頻，因此，下一個(gè)1 PPS上升沿到來時(shí)，分頻計(jì)數(shù)器剛好計(jì)算完一個(gè)周期并輸出上升沿，從而實(shí)現(xiàn)各采集站秒分頻信號(hào)的上升沿同步。

圖3 校沿與秒分頻信號(hào)輸出流程圖

3．1．3 校準(zhǔn)當(dāng)前時(shí)刻

由于累積誤差的存在，系統(tǒng)經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，各采集站內(nèi)部時(shí)鐘的當(dāng)前時(shí)刻值可能會(huì)有差異，因此，校沿操作完成后，有必要對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的當(dāng)前時(shí)刻進(jìn)行校正。其過程如下：在校頻過程中，串口通訊模塊向ARM請(qǐng)求并接收ARM解析出的當(dāng)前時(shí)刻信息，然后在下一個(gè)秒分頻信號(hào)上升沿到來前，將時(shí)刻信息傳遞給系統(tǒng)時(shí)鐘模塊。

3．2定時(shí)

為了降低無纜地震儀的功耗，延長(zhǎng)系統(tǒng)的工作時(shí)間，地震儀采用定時(shí)校鐘設(shè)計(jì)，使GPS長(zhǎng)時(shí)間的處于關(guān)閉狀態(tài)，只有在特定時(shí)刻開啟一段時(shí)間。因此需要在系統(tǒng)中加入一個(gè)定時(shí)模塊，將當(dāng)前時(shí)刻與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的希望需要校時(shí)的時(shí)刻進(jìn)行比較，當(dāng)前時(shí)刻到達(dá)預(yù)設(shè)時(shí)刻時(shí)，通知相關(guān)模塊，進(jìn)行校鐘。ARM可以存儲(chǔ)多個(gè)校鐘時(shí)刻，當(dāng)一次校正完成后，定時(shí)模塊通過串口接收下次校鐘時(shí)刻信息，從而達(dá)到多次校鐘的目的。詳細(xì)過程請(qǐng)參考圖4。

此外，此模塊通過比較當(dāng)前時(shí)間與系統(tǒng)預(yù)設(shè)采集時(shí)間，判斷采集系統(tǒng)是否采集。同樣，可以在ARM模塊中預(yù)設(shè)多組采集的開始時(shí)刻與停止時(shí)刻，當(dāng)采集完成一次后，定時(shí)模塊可以通過串口模塊接收下組時(shí)間窗信息，達(dá)到分段采集的目的。詳細(xì)流程如圖4所示。

圖4 定時(shí)模塊設(shè)計(jì)流程圖

4 誤差分析與仿真測(cè)試

4．1誤差分析

秒分頻信號(hào)的誤差主要來源于校準(zhǔn)時(shí)所產(chǎn)生的絕對(duì)時(shí)間偏差和走時(shí)所產(chǎn)生的累積偏差，分別記為ΔT1和ΔT2。

絕對(duì)時(shí)間偏差包括GPS 秒脈沖自身誤差以及分頻得到的秒分頻信號(hào)邊沿誤差。由于GPS 衛(wèi)星信號(hào)既不會(huì)老化，也不會(huì)漂移，因此，GPS接收機(jī)的1 PPS脈沖同步誤差恒為±50 ns．同樣由于設(shè)計(jì)的原因(詳情見圖4)，秒分頻信號(hào)邊沿誤差最大為一個(gè)時(shí)鐘脈沖周期±30 ns．綜上所述，絕對(duì)時(shí)間偏差為：

ΔT1=±(50+30)ns

(1)

同理，GPS 1 PPS脈沖與恒溫晶振時(shí)鐘之間的相位差是隨機(jī)的，2個(gè)IPPS脈沖之間的計(jì)數(shù)值會(huì)有一個(gè)±1的誤差，因此，1 s內(nèi)恒溫晶振所產(chǎn)生的積累偏差為：1/32.768 MHz(±30 ns)。即時(shí)鐘校正后運(yùn)行時(shí)間為nmin，則其走時(shí)累積偏差為：

ΔT2=±30×60 n=±1 800n(ns)

(2)

綜上所述，可得采集站內(nèi)部時(shí)鐘同步誤差為：

ΔT=ΔT1+ΔT2=±(80+1 800n)ns

(3)

因此，若采集前5 min完成一次校鐘操作，則同步誤差為：

ΔT=ΔT1+ΔT2=±(80+1 800×5)=9 080 ns

(4)

同理，若采集前1 s完成一次校鐘操作，則同步誤差為：

ΔT=ΔT1+ΔT2=±(80+1 800/60)=110 ns

(5)

無纜地震儀采集站所要求時(shí)鐘同步精度為0.01 ms．通過計(jì)算可以看出，只要采集前5 min內(nèi)如果能成功完成一次校鐘操作，即能滿足采集站所要求的時(shí)鐘同步精度，如果，采集前一秒能完成一次校鐘操作，則采集站內(nèi)部時(shí)鐘同步誤差僅為0.11 μs，比系統(tǒng)要求的誤差提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)。

4．2仿真測(cè)試

系統(tǒng)仿真基于Quartus Ⅱ開發(fā)平臺(tái)，采用VHDL硬件描述語言編寫校正程序，并進(jìn)行時(shí)序仿真，仿真結(jié)果如下。

圖5為系統(tǒng)校鐘部分仿真圖，從圖中可以看出，剛開始時(shí)，分頻得到的秒分頻信號(hào)脈沖s_sig周期小于1 s，上升沿也與1 PPS脈沖邊沿存在偏差，而且當(dāng)前時(shí)刻pr_time也與UTC時(shí)間不同。當(dāng)pr_time等于系統(tǒng)預(yù)設(shè)的校鐘時(shí)刻adjust_time時(shí)，校鐘控制信號(hào)adjust變?yōu)楦唠娖?，系統(tǒng)開始完成較頻、校沿以及校正當(dāng)前時(shí)刻等操作，同時(shí)修改下次校正時(shí)刻。很明顯，通過校鐘操作，秒分頻信號(hào)s_sig的周期變?yōu)? s，上升沿基本上與1 PPS脈沖上升沿吻合，當(dāng)前時(shí)刻也與UTC時(shí)刻一致。

圖5 系統(tǒng)校正仿真波形圖

圖6為分段采集仿真波形圖，仿真圖中預(yù)先設(shè)置時(shí)間窗，圖中pr_time到達(dá)預(yù)設(shè)的start_sample時(shí)，采集信號(hào)sample輸出高電平，系統(tǒng)開始采集。維持到預(yù)設(shè)的stop_sample時(shí)，采集信號(hào)sample又變回低電平，采集結(jié)束。同時(shí)，系統(tǒng)更改采集的開始時(shí)刻與結(jié)束時(shí)刻，設(shè)置下次采集的時(shí)間窗。

5 結(jié)束語

根據(jù)野外地質(zhì)勘探的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了基于FPGA的定時(shí)校鐘系統(tǒng)。首次提出了低功耗無纜地震儀定時(shí)校鐘設(shè)計(jì)，即通過定時(shí)開啟GPS，降低了系統(tǒng)的功耗，延長(zhǎng)了系統(tǒng)在野外穩(wěn)定工作的時(shí)間。通過在線修改校鐘時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)多次校鐘，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；同時(shí)提出了無纜地震儀在線可更改采集開始時(shí)刻與結(jié)束時(shí)刻的方法，實(shí)現(xiàn)了分段采集的功能，可以一次布置，多次采集，提高了野外工作的效率。最后，通過時(shí)序仿真和分析驗(yàn)證，表明該設(shè)計(jì)完全能夠滿足無纜地震采集系統(tǒng)對(duì)于較高的同步精度的要求，使無纜自定位地震儀在野外復(fù)雜環(huán)境中更具優(yōu)勢(shì)。

圖6 分段采集仿真波形圖

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作者簡(jiǎn)介：李君輝(1989—)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈卣鹛綔y(cè)技術(shù)及儀器。E-mail：bhdxljh@126．com