楊 柳,彭長宇
(1.成都大學實驗技術中心,四川成都 610106;2.成都大學教務處,四川成都 610106)
傳統(tǒng)工程勘探中,一般采用有線方式傳輸采集到的數(shù)據(jù),由導線帶來的時間同步誤差較小,在研制儀器的過程中可不必考慮非同步效應[1].隨著工程勘探環(huán)境的日益復雜,無線數(shù)據(jù)采集技術以其可移動性、架設簡單、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點在實際作業(yè)中表現(xiàn)出極大優(yōu)勢[2,3],但由此帶來了無線傳輸?shù)耐骄葐栴},提高時間同步精度成為物探裝備研制的關鍵技術[4],而在相關性很強的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,高精度時間同步是許多應用的必需條件[1,2].
目前,工程地質(zhì)勘探中的數(shù)據(jù)采集技術,面臨著各通道之間的時間同步難題.基于此,本文提出采用專用射頻芯片,實現(xiàn)工程地質(zhì)勘探測量中彈性波信號的無線數(shù)據(jù)采集,并在微控制器(MCU)的指揮下配合時間同步協(xié)議,以提高數(shù)據(jù)采集的時間同步精度.
系統(tǒng)設計包括數(shù)據(jù)采集與無線傳輸2個環(huán)節(jié),其原理框圖如圖1所示.本文重點研究無線傳輸系統(tǒng),從提高無線時間同步精度的目標出發(fā),著重對其結(jié)構(gòu)組成、時間同步誤差來源、提高時間同步精度措施、硬件、軟件設計等進行論述.
圖1 系統(tǒng)采集、傳輸原理框圖
圖1中左半部分為無線采集卡,其功能是實現(xiàn)彈性波信號的數(shù)字量化并進行無線傳輸.它由檢波器(38 Hz垂直檢波器)拾取彈性波信號,由信號調(diào)理電路進行信號的變換,調(diào)理電路主要包括前置放大器和單轉(zhuǎn)差分信號電路,以匹配ADC的輸入特性.ADC接收來自信號調(diào)理電路輸入的差分信號,在MCU的控制下進行模數(shù)轉(zhuǎn)換;Vref電路為AD采樣提供高精度穩(wěn)定參考電壓基準;無線模塊實現(xiàn)采集卡與主機的雙向通信,包括轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字信號發(fā)送和命令的接收.
圖1中右半部分為主機接收站,MCU通過無線模塊完成對各采集卡的控制并進行數(shù)據(jù)接收,采用FT245BM芯片實現(xiàn)與PC機的USB2.0實時傳輸[5],信號處理部分在上位機通過VC編程實現(xiàn).
此外,根據(jù)工程地質(zhì)勘探施工環(huán)境的不同,我們選用個數(shù)不等的無線采集卡,配合主機完成勘探任務.同時,整個系統(tǒng)從降噪、穩(wěn)定參考電壓等方法上保證了ADC的有效分辨率,系統(tǒng)采用專用無線模塊nRF905[6]實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸,打破傳統(tǒng)工程勘探有線傳輸?shù)膯我痪置?為工程地質(zhì)勘探施工帶來極大便利.
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程為:主機向各采集卡(從機)發(fā)送命令,各采集卡接收到命令之后進行指令解析,判斷出是采集命令后啟動采集程序,并記錄當前采集時間,當接收到主機的數(shù)據(jù)回傳命令時,對應采集卡將采集的數(shù)據(jù)打包、壓縮,加上報頭(自身ID號)一并發(fā)送.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖如圖2所示.
圖2 系統(tǒng)工作原理圖
分析數(shù)據(jù)采集過程可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生時間不同步的2個環(huán)節(jié):一是各采集卡接收主機指令時間不一致;二是各采集卡解析指令(采集和回傳數(shù)據(jù)指令)時間不一致,此導致采集卡采集到的信息并不是一個時刻點的.造成第一個時延差的因素較多,如主機到各從機的物理距離不一致(這個條件在近距離無線傳輸中可以忽略),選用的無線模塊通過不斷切換頻點來與各模塊通信(切換產(chǎn)生主要時延差)等.而造成第二個時延差的主要環(huán)節(jié)在于無線模塊本身解析指令存在時延差,其大小一般在μs級.
時間同步誤差產(chǎn)生的后果是給后續(xù)數(shù)據(jù)處理和解釋帶來較大誤差,嚴重的情況將導致錯誤的結(jié)論.
要解決時間同步問題,理論上必須做到2點:一是保證各采集模塊接收到主機指令的時間差為零;二是保證各無線模塊對主機指令的解析耗時一致.我們在系統(tǒng)的實際設計時,采取了如下的具體措施:
(1)針對第一個時延差(即采集卡接收主機指令時間不一致).此系統(tǒng)選用的nRF905模塊具有獨特的地址匹配監(jiān)測AM(Address Match)功能[7],當接收到與自身地址號(也就是數(shù)據(jù)采集通道號)相同的信息時,產(chǎn)生一個硬件中斷信號,通知MCU進行處理,其響應時間極短(提高單片機時鐘頻率后可忽略不計).另外,主機向各從機發(fā)送指令時,不必切換頻點,只需更換報頭(AM1、AM2…),以此來節(jié)省大量指令時間,達到控制時延差的目的.
(2)針對第二個時延差(無線模塊本身解析指令時延差),系統(tǒng)設計了時間同步模式預調(diào)整進程,即每次采集之前啟動時間同步模式進程,進行時間同步模式調(diào)整.具體做法為:在時間同步模式下,把所有從機設置成相同的地址(如AM),主機向所有的從機發(fā)送一個同步指令(同步地址AM加上一個空的數(shù)據(jù)包),從機(如從機1號)接收到這個地址的數(shù)據(jù)包,當檢測地址(AM)匹配了以后,AM引腳產(chǎn)生電平跳變(由低變高),同時產(chǎn)生一個DR(Data Ready)信號,作為單片機的中斷脈沖,在中斷服務程序里面記錄某個計數(shù)器的當前值 T1;發(fā)送第二次同步指令,同樣記錄同一個計數(shù)器的當前值 T2;連續(xù)同步多次(假定5次),得到 T3,T4,T5.取時間間隔差ΔT =(ΔT1+ΔT2+ΔT3+ΔT4)/4的平均值,取5次時間的中間值 T=(T1+T5)/2,做一個差值 TT=TΔT作為同步點,同理,其他各采集卡也會有一個同步點 TTx,即當接到主機的采集命令后,啟動內(nèi)部計數(shù)器,當計數(shù)時間達到 TTx時立即啟動ADC采樣.
在系統(tǒng)的硬件電路設計上,無線模塊采用Nordic半導體公司研發(fā)的核心射頻芯片nRF905,其具有接口簡單,可直接與單片機進行數(shù)據(jù)傳輸,工作在433/868/915 MHz頻段,增加了多點同時數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Φ裙δ躘8].同時,其所采用的高抗干擾GFSK調(diào)制,內(nèi)置完整的通信協(xié)議和CRC,使傳輸速率可達100 kbps,通信距離達500 m.另外,其工作在低電壓范圍(1.9~3.6 V),電流消耗低,在發(fā)射功率為10 dBm時,發(fā)射電流為11 mA,接收電流為12.5 mA,待機功耗2μA,有利于省電,延長工作時間.
在電路上,nRF905與MCU采用SPI總線接口連接,邏輯控制上采用MCU口線方式[7],其接口電路如圖3所示.
在系統(tǒng)的軟件設計上,無線模塊軟件采用了ATmega32L內(nèi)部集成的SPI控制器,設置其數(shù)據(jù)傳輸速率為MCU時鐘的1/64,即128 kHz.采用AVR Studio IDE,C51語言編寫了nRF905發(fā)送、接收兩個功能函數(shù).
圖3 硬件接口電路圖
由于nRF905采用VLSI Shock-Burst技術,在RX模式中,地址匹配AM和數(shù)據(jù)準備就緒DR信號通知MCU一個有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自接收完成.在TX模式中,nRF905自動產(chǎn)生前導碼和CRC校驗碼,DR信號通知MCU數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成.這兩種模式為節(jié)省指令時間、提高時間同步精度起到?jīng)Q定性作用.
3.2.1 Shock-Burst RX模式工作過程.
圖4為接收模式流程圖.在數(shù)據(jù)的無線接收中,通過采用外部中斷觸發(fā)機制(INT0),減小了MCU運行開銷.
圖4 無線接收流程圖
3.2.2 Shock-Burst TX模式工作過程.
圖5 無線發(fā)送流程圖
我們提出的時間同步協(xié)議已經(jīng)被成功應用到所研制的彈性波測試儀中.在某工程地質(zhì)調(diào)查課題野外施工中,我們對該測試儀傳輸距離和時間同步誤差進行了測試.測試結(jié)果為:野外500 m無誤碼傳輸,實現(xiàn)了48道(道間距3 m,偏移距50 m)彈性波信號無線數(shù)據(jù)采集,時間同步誤差控制在1μs以內(nèi).但在實際應用中,我們也發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)存在如下問題:隨著施工環(huán)境復雜度的增加,傳輸距離受到限制且誤碼率有所增加,選用大功率無線模塊時會使整機功耗增大.此外,采用該技術,通過對地質(zhì)區(qū)域的實地測量,找出了地下52 m處的一個隱伏斷層,該結(jié)果與高密度電法勘查的結(jié)果比較,位置信息一致,說明了時間同步精度滿足了數(shù)據(jù)處理與解釋的要求,所提出的無線時間同步協(xié)議能較好地滿足實際工程地質(zhì)勘探要求.
將無線數(shù)據(jù)采集技術應用到工程地質(zhì)勘探上,突破了傳統(tǒng)的有線傳輸方式.本系統(tǒng)布線簡單,工作效率大大提高,時間縮短到有線方式的1/3.所提出的無線時間同步協(xié)議,解決了目前工程物探儀器時間誤差大的問題.
[1]何樵登,熊維綱.應用地球物理教程——地震勘探[M].北京:地質(zhì)出版社,1991:3-41.
[2]羅維炳.新一代無線局域網(wǎng)技術在地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用[J].石油儀器,2004,18(1):9-15.
[3]嚴美善,袁 濤.低功耗無線室溫監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電子技術應用,2007,32(12):86-88.
[4]王建國,呂艷宗,王樹杰,等.高精度無線同步技術及其在石油勘探中的應用[J].傳感器技術,2005,24(8):74-76.
[5]時志云,楊 毓,王代華,等.基于nRF24L01和FT245BM的無線文件傳輸系統(tǒng)設計[J].電子技術應用,2007,32 (10):118-120.
[6]Nordic公司.單片無線收發(fā)器nRF905用戶數(shù)據(jù)手冊[G].挪威:Nordic半導體公司,2004.
[7]王洪輝,庹先國,穆克亮,等.基于FPG A+MCU的全數(shù)字式滑移脈沖信號發(fā)生器的研制[J].核技術,2007,30(10): 70-73.