eSeis节点采集单元常见故障解析
2022-04-01曲学政
艾 梅,卢 涛,曲学政,井 乔,王 钗
(1.中国石油东方地球物理勘探有限责任公司西安物探装备分公司 陕西 西安 710077;2.中国石油东方地球物理勘探有限责任公司地震仪器研发项目组 河北 涿州 072750 )
0 引 言
纵观近三十年油气勘探发展态势,地震勘探朝着高精度、宽频带、全波场方向发展,仪器实时接收道数呈指数级增长,这就要求地震采集系统具备超大规模地震道数采集能力。地震数据采集系统是地球物理勘探的核心装备,是衡量地球物理公司勘探能力及国际竞争力的重要标准。
eSeis节点仪器是东方地球物理公司自主研发的新一代国产地震勘探节点仪器,仪器设计充分考虑当前行业形势的需要,融合当前电子产业和IT产业的最新成果,集采集单元、检波器与电池为一体,是一种新型陆上节点地震仪器,广泛应用于国内多种地形的探区。为顺应节点仪器发展需要,针对采集单元在生产和使用中出现的故障现象,本文从原理分析出发,实测验证,找到故障原因和处置方法,并进行分析总结,以开启维修思路,提高采集单元维修效率,同时也为野外现场检修提供参考[1-2]。
1 eSeis节点仪器简介
eSeis节点仪器集数据采集、数据存储及地震数据处理于一体,系统包括eSeis节点采集单元(单站单道采集站)、下载充电柜(MHC)、数据切分合成单元、质控单元及其他附属设备。
eSeis节点采集单元(简称采集单元):它的工作模式分为连续采集、定时采集、定时日检等。采集单元依靠GPS接收机获取位置信息和校准采集时钟,实现单道地震数据的自主采集;利用数传电台(采用的是以电台作为媒介来实现手簿与采集单元数据交互)接收手簿“放线”指令开启采集任务,“查线”指令回收采集单元实时状态;连接下载充电一体柜,可完成施工参数配置、年检、固件升级及数据下载等任务。
下载充电柜(以下简称机柜):机柜是对采集单元操控的主体,它同采集单元下载配置系统、数据匹配切分系统、并行下载控制系统、一体化阵列存储系统及配套的万兆光纤网络系统相互配合,可实现快速采集单元检测、数据回收及智能化充电等任务。
数据切分合成单元:它是对所有采集单元回收的地震数据进行切分、编排、数据合成的软件系统,最终生成SEGY或SEGD格式的地震记录。
质控单元:对采集单元全方位进行质量监控,实时收集采集单元工作状态,如野外采集过程中,将回收的状态信息统计用于质量控制[3],指导野外施工人员及时更换工作异常采集单元。
2 采集单元组成、原理及测试
2.1 组 成
采集单元由采集板、NODE板、锂电池组、检波器机芯(传感器)及外围壳体、减震结构等部件组成。目前为满足市场的不同需求,将产品分为内置式采集单元和外接式采集单元两种,它们的最大区别是:内置式采集单元将检波器集成于内部,外接式采集单元需要外接检波器。二者壳体顶部均设置可视化LED灯,可通过灯的不同显示来快速、简要地识别采集单元工作状态。采集单元E口十芯插针组与机柜连接,可实现自检、测试、参数设置、充电、数据下载等功能,与采集板(ACQ,简称A板)上P7插座的连接关系见表1。
表1 采集单元E口十芯插针组与A板上P7插座连接关系
E2经二极管至P7-8(机柜充电电压通过E2与转换板相连,通过二极管给采集单元电池充电),5V+与GPIO为采集单元与机柜的一对握手信号,C-R与C-T为采集单元与机柜的一对串行通讯信号,DM与DP为采集单元与机柜的一对USB数传信号,S-与S+为机柜输出的一组信号源信号。
2.2 原 理
采集单元原理框图如图1所示,其中虚框内表示的是由GPS接收机和数传电台组成的通讯板(NODE,简称N板),其余模块电路由主控制单元(MCU)、模数转换芯片、存储单元、数据下载单元及电源转换电路构成采集板(ACQ,简称A板)。
图1 采集单元原理框图
数据采集原理:手簿通过电台向采集单元发出采集命令,当采集单元电台模块接收命令后,立即通知MCU(微控制器STM32L471)向GPS模块发出搜星定位指令,QC文件开始按时间间隔记录搜星状况的信息。当搜星定位成功,MCU校准时间,开启32位A/D模数转换器采集,地震波被检波器拾取,产生电压信号,信号进入A/D模数转换器被转换成32位数字信号,MCU接收并按规定格式不断写入ACQ文件中,QC与ACQ文件都被记录在存储卡上。
通讯原理:MCU与机柜、GPS模块和电台模块之间采用串行通讯方式进行通讯。机柜对采集单元进行参数设置,如采样率、增益、日检时间等;手簿通过电台与采集单元的电台模块传递手簿指令,如放线(启动连续采集)、查线(反馈采集单元状态信息)等;采集单元启动并接收GPS模块信息,如搜星情况、位置信息、时间等。
数据传输原理:MCU通过对“数据通讯选择器”的控制,选择MCU或机柜对存储卡进行读写操作。当采集单元插入机柜进行数据下载时,机柜通过E7、E8这对USB数据线连通采集单元A板“读卡控制器”,MCU放权数据通讯选择器,从而使存储卡数据直接被机柜读取并存入阵列存储系统的硬盘上。
2.3 测 试
为确保采集单元质量合格,需对其进行技术性能测试。机柜配备了高精度信号源、服务器等配套设备,通过控制软件(eSeis -Harvester Manager,简称HM软件)实现对采集单元的测试。分为插入测试(握手信号正常)、通讯测试(串行通讯正常)、模块检测(与GPS或电台串行通讯正常)、检波器测试(加激励脉冲)、采集指标测试(接信号源)等。
单个机柜可连接40个采集单元,相应配有两组各40个双色二极管指示灯,右边一组状态灯指示采集单元当前工作状态(绿色表正常、红色表示故障);左边一组状态灯指示采集单元当前充电状况,绿色表示充电工作完成、红色表示正在充电中。
主服务器HM软件主界面如图2所示,它包括采集单元信息区、测试区及状态区。信息区主要显示采集单元的站号、参数配置及电压与固件信息;测试区包括插入测试、通讯测试与模块检测;状态区显示所执行的测试任务进度及完成后的结果。测试区与状态区均以绿色表示测试通过,红色表示相应的测试未通过。
图2 HM采集单元通道测试局部图
3 采集单元常见故障解析
3.1 采集单元与机柜之间的通讯故障
3.1.1 故障现象
采集单元插入机柜,机柜无任何响应或者采集单元插入机柜后,机柜状态灯由绿变红,且HM软件界面如图3的通道1-1、通道1-2、通道1-3、通道1-4所示。
3.1.2 故障分析
机柜与采集单元是依靠一对信号E3“5V+”和E4“GPIO”(见图1 E口针号定义)相互“识别”的,当采集单元插入机柜,机柜“5V+”电平触发采集单元内MCU,使其进入通讯模式,并回应“GPIO”信号,机柜就开始通过E5“C-R”和E6“C-T”这对通讯线与采集单元MCU进行通讯,读取采集单元当前存储的信息。若采集单元没有接收到机柜“5V+”信号,其就不能与机柜建立通讯,机柜也无法获得采集单元的基本信息,因此会造成HM软件界面信息区的信息栏信息不完整,如图2通道1-1所示。如果两根通讯线中任一线存在断开或接触不良,必将影响机柜与采集单元的通讯,同样会造成HM软件界面信息区的信息不全或错误,如图2通道1-1或通道1-2所示。当电池电量耗尽的采集单元插入机柜后,由于采集单元电源系统不能正常运行,导致主程序也就不能正常运行(充电是在采集单元程序空闲时期进行),所以会出现如图2通道1-3所示的现象。出现图2通道1-4所示的现象,是采集单元内部电源插头未接或与机柜未接好。为验证以上E口各线与故障现象关系的正确性。我们使用合格采集单元,用去掉一线的方式对故障现象复现,验证了此关系的正确性。
另外,要强调的是,采集单元不管因为什么原因处在非正常工作状况下,如采集单元指示红灯快速闪烁(MCU外部钟故障),都会出现通道1-4故障现象。
3.1.3 故障排除
1)上机柜出现如图2通道1-1所示现象且采集单元指示红灯快速闪烁时,打开采集单元,断电复位后,观测红灯是否依旧快速闪烁,如是,清洗A板上16.384 MHz晶振周围相关元器件或更换晶振。
2)对上机柜无显示或出现如图2通道1-3故障现象的情况,用万用表测采集单元E1和E2之间的电压,若为0 V,充电或更换电池。
3)打开采集单元,检查各插头是否接好,对采集单元断电复位再测(返修的采集单元可能存在运行失常,需断电复位)。
4)出现如图2通道1-1、通道1-2所示的故障现象时,打开采集单元,断开电池连接,检查E3到P7-6、E5到P7-1、E6到P7-2沿线是否受挤压损伤,排除接插件连接错误,并用万用表测量,以保证连接的可靠性。
5)若以上方法仍不能解决故障,A板需进入单板细查。推荐按检查供电系统、重新烧写固件、更换存储卡、更换MCU的顺序进行[4-5]。
3.2 检波器测试结果超标
3.2.1 故障现象
使用手簿对采集单元进行“查线”操作,电阻栏下显示的阻值呈红色,检波器电阻测试阻值超标,或上机柜进行检波器测试时,测试结果为红色,显示电阻、自然频率、阻尼和灵敏度值异常。
3.2.2 故障分析
内置式检波器测试包含4项测试,分别为电阻、自然频率、阻尼和灵敏度值测试。如图3所示,其测试原理为:MCU发出使能信号使模拟开关导通后,检波器正端通过R39接高电位同时检波器负端接地,其等效为给检波器正负端加0.5 s宽度的脉冲信号,该激励促使检波器内弹簧片发生强制性位移,激励撤销后,检波器按其固有频率发生振动响应(如图4所示),通过A/D转换器采集检波器响应过程,按其固有算法得出自然频率、阻尼和灵敏度值,以判定检波器是否达到标称要求。而检波器电阻值也是在这一过程中由MCU内部A/D采集提取出R39间电压,MCU再根据已知总电压和R39阻值,来计算得出(A/D入口对其影响很小,可忽略不计)。即:
图3 A板模拟开关原理图
图4 检波器响应图
(1)
式(1)中:RG为Geophone阻值;V39为电阻R39两端的电压差。
CMOS模拟开关易发生闩锁现象[6]。采集单元检波器测试出现故障时,可打开采集单元,断电复位后,再次进行检波器测试。若其值恢复正常,属于某路开关偶发性闩锁,未形成击穿损坏;但大部分采集单元检波器测试故障是模拟开关失效造成的。A板上模拟开关4路中任何一路出现故障(始终开路或导通或呈现较大电阻等),都不能将完整的电平激励加在检波器负载上,否则会造成电阻值、自然频率、阻尼或灵敏度异常。可用手簿与机柜对检波器进行测试,但二者相比,机柜的检测较为全面,其不但提供阻值,还提供了自然频率、阻尼、灵敏度3项指标的值。后3项的值不仅能反映检波器状态,还可辅助判断模拟开关的状态。如这3项全是0,表明A/D入口未接到检波器激励响应信号,判断故障为检波器未接入或模拟开关失效。
为了使用示波器捕捉检波器响应(或模拟开关各口状态)波形,需要MCU发出0.5 s正脉冲选通信号(PCI GEOPHONE TEST_EN)使4个模拟开关同时接通。本文应用了两种方法产生这一信号,一种是上电后采集单元做检波器自检后约8 s获得,一种是利用手簿读取采集单元状态后获得。检波器两端对地响应波形如图5所示,通道1为检波器正端,通道2为检波器负端。在实际维修中,若显示波形与图5所示不同,则可判断为R39或模拟开关故障。
图5 检波器两端对地响应的波形
3.2.3 故障排除
1)若测试值呈开路值(自然频率、阻尼和灵敏度值均为0),外接式采集单元可直接用万用表测量检波器输入插头的正负极,若电阻值不为100 kΩ(入口等效电阻),打开采集单元修复板上插头至检波器输入插头两端的连接;内置式需打开采集单元断电,用万用表检查插头、插针、连线及检波器焊点的连接,以确定检波器(电阻约2 kΩ)良好接入电路。
2)在更换开关器件前,为避免模拟开关偶发失效,可采取采集单元断电复位法,确定器件是否故障。
3)打开采集单元接入标准检波器机芯,用示波器观测检波器正极的相应波形。若波形正常,如图5所示,则可判定是检波器机芯故障所致,更换检波器即可。
4)若以上方法仍不能解决故障,用万用表测R39电阻。若阻值错误,更换电阻;否则更换模拟开关。
3.3 采集单元数据下载故障
3.3.1 故障现象
采集单元连接机柜,主服务器运行HM软件并执行下载操作后,HM软件界面状态栏下载进度条不能达到100%,指示块显示为红色。
3.3.2 故障分析
采集单元和机柜通过USB接口传输数据,机柜通过E口的E7、E8经A板接口电路直接高速读取存储卡数据,由于数据流需要高频传输,因此对接触点的导电性能有较高的要求。在机柜的插座经过长期使用后,其接触点易发生形变,长期工作于野外的USB传输插针也易发生氧化与变形,因此这类故障多发生于接触点上。MCU控制数据通讯选择器,使其完成对存储卡的读写操作和让权给机柜进行读取存储卡数据,若机柜能识别存储卡,则数据通讯选择器正常;若连线正确仍出现下载故障,则可判断为USB接口芯片(U7)故障。
3.3.3 故障排除
1)清理E口针尘沙,检查连接插针,更换机柜口重新下载(避免E7、E8接触不良,尽量不要重复使用同一口);
2)打开采集单元,断开电池连接,检查E口的E7、E8针至A板P7的3、4脚数据连线是否受挤压损伤,插头是否插接到位、插座针是否偏离,插头针是否脱出或部分脱出(对新采集单元需检查有无错连E口其它针),若存在问题则进行相应处理或更换;
3)若以上方法仍不能解决故障,则更换A板的U7。
3.4 采集单元采集指标测试全机柜标准值超标
3.4.1 故障现象
采集指标测试结束时,单个机柜状态灯全部为红色,HM软件界面状态栏自检中的标准值指示块为红色。
3.4.2 故障分析
首先,若机柜上有一个采集单元出现故障而能影响其余采集单元也表现出故障现象,必定是公用部分出了问题。采集指标测试时,机柜上采集单元共用了信号源。其次,完整的采集指标测试(年检)完成一次需要40 min,因此用传统方法(一部分、一部分取下再测)从全柜40个采集单元中找出该故障采集单元极为耗时,一般需要几个小时,极大影响测试效率。
机柜内置高精度信号源供全柜40个采集单元使用,两路D/A按测试项目提供标准信号给所有采集单元的E9(S-)与E10(S+),当故障采集单元A/D芯片测试口内部的部分电路被击穿,使其直接对地或对电源形成回路时,该采集单元就会影响信号源信号的正确输出。在实际维修工作中,利用对比法查找这类故障采集单元,即将此类故障采集单元与合格采集单元用万用表进行电压测试,合格采集单元E9、E10对E1(地)显示基本为0 V,对E2(电源入)显示都为-1.7~3 V(两路一致)。目前发现的此类故障采集单元分为:E9或E10对E1大于1 V的采集单元、E2对E9或E10大于3 V和同时都大于3 V的采集单元。这也佐证了采集单元A/D测试入口电路存在若被击穿会对信号源信号产生影响,造成采集指标测试指标不合格推论的正确性。需要提醒的是,采集单元0 dB档测试时,指标可能不会超标(故障采集单元对信号源的影响较小)。
3.4.3 故障排除
一种方法为,将采集单元从机柜逐个取下,用万用表排查,测量E9、E10对E1(电源地)电压基本一致且小于1 V、对E2(电源)电压基本一致且绝对值小于3 V的就是正常采集单元,否则为影响信号源的故障采集单元。去除故障采集单元后可进入正常测试。
另一种方法为,使用示波器测试机柜采集单元口(地线接E1、探头一接E9、探头二接E10),将待判断的采集单元逐个插入机柜,看示波器波形是否出现异常,异常即为故障采集单元。故障采集单元更换A板上A/D芯片后即可重新进入测试环节。
4 结束语
本文对采集单元的组成、原理、测试进行了介绍,以便于理解故障产生机理。通过对4种主要故障的解析,提出了在采集单元维修工作中判断故障及排除故障的方法:对于故障1,将测试正常的连线断其一线复现故障现象,确定连线与故障产生的对应关系;对于故障2,用万用表测量信号线与电源地的值进行判断,简单快速得出结论;对于故障4,利用示波器的实时观测,判定故障采集单元对机柜信号源的影响等。
从实际维修状况来看,故障主要产生于装配不当(如连接插头不到位或过猛有插针被顶出,致使信号传输不稳)、模拟开关失效、存储卡信息偶发错误、采集单元呈“死机”状态、电台与GPS模块故障等。
目前,eSeis节点仪器依然在改进中,前文所提及的模拟开关器件也在换型中。期望研发仪器的同时也为维修人员提供单采集单元测试系统,方便查找问题和提高故障判断效率,希望更多人参与eSeis节点仪器维修探索中。