近年來(lái)，石油天然氣的需求日益增加以及油氣開(kāi)采日益困難給地球物理勘探帶來(lái)的壓力越來(lái)越大，因此促進(jìn)了地球物理勘探采集技術(shù)的全面發(fā)展，如全波形、高分辨率、高密度、寬方位角采集等先進(jìn)的地球物理勘探技術(shù)得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用；這些先進(jìn)的采集技術(shù)要求地震儀器具有實(shí)時(shí)道能力更強(qiáng)、采集精度更高、穩(wěn)定性及可靠性更高等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的銅纜交叉線傳輸已經(jīng)不能滿足勘探需求。

　　引 言

　　近年來(lái)，石油天然氣的需求日益增加以及油氣開(kāi)采日益困難給地球物理勘探帶來(lái)的壓力越來(lái)越大，因此促進(jìn)了地球物理勘探采集技術(shù)的全面發(fā)展，如全波形、高分辨率、高密度、寬方位角采集等先進(jìn)的地球物理勘探技術(shù)得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用；這些先進(jìn)的采集技術(shù)要求地震儀器具有實(shí)時(shí)道能力更強(qiáng)、采集精度更高、穩(wěn)定性及可靠性更高等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的銅纜交叉線傳輸已經(jīng)不能滿足勘探需求。

　　為了解決地震儀器的實(shí)時(shí)道能力和系統(tǒng)同步等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于PCI-E總線的光纖接口卡。光纖卡安裝在地震儀器主機(jī)中的PCI-E總線上，主機(jī)軟件通過(guò)光纖卡與野外站單元通信。光纖卡主要功能是對(duì)上層應(yīng)用模塊發(fā)送出去的命令數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)野外站單元返回的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理和存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；此外，光纖卡的時(shí)鐘通過(guò)外部GPS校準(zhǔn)，進(jìn)而校準(zhǔn)整個(gè)地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因此光纖卡在整個(gè)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要作用。

　　光纖卡設(shè)計(jì)

　　光纖卡是“連接”主機(jī)軟件上層應(yīng)用模塊和野外站單元的中間模塊，它起著承上啟下的作用，因此光纖卡的穩(wěn)定性、性能和功能對(duì)整個(gè)地震儀器系統(tǒng)的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。光纖卡的關(guān)鍵設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)方面。

　　1.1 接口設(shè)計(jì)

　　PCI-Express 1.0a發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)速率可達(dá)2.5 Gb/s[1]。由于技術(shù)的延續(xù)性和開(kāi)發(fā)的可靠性，考慮兼容性和主機(jī)的處理能力，光纖卡設(shè)計(jì)為PCI-E接口的單端口卡，一張接口卡可以接一根光纖。

　　在PCI-E系統(tǒng)中，CPU有兩種事務(wù)來(lái)訪問(wèn)其架構(gòu)中的存儲(chǔ)器映射輸入輸出和配置映射輸入輸出位置。一種是程控輸入輸出(Programmed Input Output，PIO)方式，另一種是直接內(nèi)存訪問(wèn)(Direct Memory Access，DMA)方式，后者在實(shí)現(xiàn)高速外設(shè)和主存儲(chǔ)器之間成批交換數(shù)據(jù)時(shí)，不需要CPU的直接參與，而在RAM與設(shè)備之間完成傳輸時(shí)，該方式可減少CPU的占用率，大大提高了數(shù)據(jù)的吞吐率，使系統(tǒng)的性能大幅度提升。

　　數(shù)據(jù)從光線口進(jìn)入到緩沖區(qū)，經(jīng)過(guò)FPGA進(jìn)行處理，再經(jīng)過(guò)PCI總線主控接口將其數(shù)據(jù)包地址映射至緩沖區(qū)，同時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)PCI總線DMA到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，上層應(yīng)用模塊通過(guò)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包地址取得數(shù)據(jù)，接口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

　　光纖卡FPGA選用Xilinx公司Virtex-5系列，它提供了PCI-E的IP核，支持以上兩種事務(wù)訪問(wèn)方式，在核中固化了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的相關(guān)設(shè)計(jì)，向用戶開(kāi)放事務(wù)層接口，在進(jìn)行PCI-E相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)計(jì)只需要配置相關(guān)參數(shù)即可完成，而將研發(fā)重點(diǎn)放在事務(wù)層設(shè)計(jì)，降低了開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，縮短了研發(fā)周期。

　　1.2 數(shù)據(jù)包處理

　　采集和控制模塊、光纖卡管理和數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)(Buffer)之間通過(guò)TCP/IP Sockets進(jìn)行通信。采集和控制首先會(huì)與光纖卡管理模塊連接，完成連接后與野外站單元的通信通過(guò)光纖卡管理建立起來(lái)，此時(shí)上層應(yīng)用模塊可以對(duì)野外站單元進(jìn)行控制。

　　DMA方式有兩種類型：第三方DMA(third-party DMA)，通過(guò)系統(tǒng)主板上的DMA控制器的仲裁來(lái)獲得總線和傳輸數(shù)據(jù)；第一方DMA，完全由接口卡上的邏輯電路來(lái)完成，與快取內(nèi)存結(jié)合在一起，提高了數(shù)據(jù)的存取及傳輸性能。因此，設(shè)計(jì)中選擇后者來(lái)完成數(shù)據(jù)DMA。

　　光纖口進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)包DMA到PACket Buffers，光纖卡將Packet Buffers的指針地址發(fā)送到采集和控制的處理隊(duì)列，采集和控制根據(jù)指針地址處理對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包或者拷貝數(shù)據(jù)包到采集和控制處理隊(duì)列。

　　光纖卡的存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)用于DMA處理的scatter-gathers，一個(gè)scatter-gathers(32 B)用于DMA一個(gè)數(shù)據(jù)包，存儲(chǔ)芯片容量為32 MB，一次每個(gè)光纖卡最多能DMA 1 MB個(gè)數(shù)據(jù)包；第一個(gè)scatter-gathers與最后一個(gè)鏈接，形成一個(gè)“環(huán)形”。采集和控制處理數(shù)據(jù)包的速度不能比DMA的速度慢，否則緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)包會(huì)溢出，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

　　1.3 GPS同步

　　GPS能全天候向用戶提供高質(zhì)量的位置、速度及精確的時(shí)鐘信息，其時(shí)鐘同步信號(hào)覆蓋全球，具有實(shí)用性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)。光纖卡利用GPS提供的精確每秒脈沖(PPS)作為同步對(duì)時(shí)的信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)地震儀整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確對(duì)時(shí)和采集同步，其時(shí)間最大誤差在μs級(jí)。

　　編碼器上的GPS卡向光纖卡輸出PPS信號(hào)，通過(guò)串口向主機(jī)輸出時(shí)間信息碼，光纖卡上的時(shí)鐘每經(jīng)過(guò)一秒被PPS信號(hào)同步一次，能保證其脈沖前沿與UTC(世界協(xié)調(diào)時(shí))具有1 μs的同步精度。

　　光纖卡選用恒溫晶振OCXO提供工作時(shí)鐘，該晶振采用精密控溫，使晶體工作在晶體的零溫度系數(shù)點(diǎn)的溫度上，具有很高的頻率精度和穩(wěn)定度，是目前石英晶振器件中頻率穩(wěn)定度最高的一種。GPS的PPS秒脈沖信號(hào)輸入到鑒相鑒定器，鑒相鑒定器在1 s內(nèi)對(duì)時(shí)鐘芯片輸出的12.8 MHz時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，過(guò)濾掉干擾數(shù)據(jù)，計(jì)算出相位偏差，將此相位偏差轉(zhuǎn)換為OCXO控制寄存器的變化，以此變化值來(lái)調(diào)節(jié)OCXO，使它達(dá)到穩(wěn)定的精度。將輸出的時(shí)鐘通過(guò)光纜和大線傳輸?shù)礁髂K從而來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的同步