海上地震勘探综合导航模拟测试系统硬件平台设计

翟慧杰 张昊楠

（中海油田服务股份有限公司物探事业部，天津 300450）

0 引言

图1 拖缆综合导航作业示意图

目前，国内还没有一套成熟的海上拖缆勘探综合导航模拟测试系统，严重制约了拖缆勘探综合导航系统的研发，王斌等人设计了一套基于Qt多线程多串口的综合导航模拟上位机软件，但该软件缺少硬件支持，无法实现精准的时序同步及触发控制。本文针对海上地震勘探综合导航系统的研发测试需求，设计了一套模拟测试系统硬件平台如图2所示，对系统的设计方案进行探讨，并对硬件电路及嵌入式软件进行设计。

图2 综合导航系统作业数据及控制流

1 需求分析及总体方案设计

在作业过程中，物探船拖曳着枪阵和电缆，沿着设计的前绘测线航行，前绘测线从起点开始，按照固定距离间隔设置前绘炮点。当物探船的响炮参考点到达前绘炮点的过程中，导航系统触发拖缆控制与定位系统，采集水鸟数据并发送给导航系统，在到达前绘炮点时，触发枪阵响炮，产生地震波，同时拖缆采集系统开始记录电缆上采集到的海底底层的反射波。

为满足测试要求，导航模拟测试硬件平台需完成10余项导航数据的收发及时序控制，实现综合导航系统中各个子系统之间数据和时序的同步协调处理，并能够同时支持串口和网口的数据通信能力。具体需求如下：

（1）需要具备12个以上串口，6个触发口，2个网口，时序控制精度要达到50us；

（2）完成导航数据的接收、处理和转发，数据收发时序控制和触发时序控制；

（3）具备与上位机软件进行数据通信能力，与综合导航系统进行网络通信能力；

（4）具备与INSP的端口进行对接及数据通信能力。

海上拖缆勘探综合导航模拟测试系统由导航模拟测试硬件平台和上位机软件两部分构成，其中硬件平台包括导航模拟测试机箱及嵌入式软件，应用中配合综合导航系统、INSP、交换机等设备及系统，以完成整个模拟测试流程。整个系统总体结构如图3所示。

图3 导航模拟系统总体结构

2 系统硬件设计与实现

2.1 硬件结构设计

导航模拟测试机箱是一个自行设计的小机箱，内置一块触发硬件电路板和一个电源模块，具体连接方式如图4所示。

图4 导航模拟测试机箱内置模块的连接

电源模块的输入为88～264VAC宽范围输入，可将交流电转换成5VDC输出，供触发硬件电路板使用。触发硬件电路板提供各种接口，如网口、串口、触发口等。

为了保护触发硬件电路板和电源模块，综合导航模拟测试系统将它们都放置和固定在一个测试机箱内，这样使用起来方便安全且便于携带。如图5所示，机箱正面引出触发硬件电路板的所有接口，包括2个网口（RJ45接口）、16个串口（RJ45接口）、6个触发口（BNC头）、12个LED灯等。背面则有一个电源插口，用于接入电源模块所需的交流电。

图5 导航模拟测试机箱的机械结构

2.2 触发硬件电路模块设计

触发硬件电路板采用子母板结构：一块处理母板、一块串口子板以及两块网口子板，采用扣板式结构，处理母板与网口子板采用倒扣板式结构，即母板的正面与子板的正面相对；处理母板与串口子板采用背扣板式结构，即母板的背面与子板的背面相对。其互连结构如图6所示，此结构布局可以减小母板尺寸，将所有接口都放在同一侧，便于硬件系统开发。

图6 触发硬件电路模块的互连结构

触发硬件电路模块的总体硬件架构如图7所示。

图7 触发硬件电路模块的总体硬件架构

3 系统软件设计

导航模拟软件由上位机软件以及ARM开发板上的嵌入式软件组成，使用网络通信方式连接，ARM与FPGA之间则通过相关的接口控制器进行连接，从而使整个软件同步的进行工作。导航模拟软件的数据以及命令通讯连接关系如下图所示：

图8 导航模拟软件通信连接图

在上图中，上位机与嵌入式软件之间由主进程MainProcess与console相连接，负责数据以及命令之间的交互。上位机的MainProcess进程作为客户端，嵌入式软件作为服务端。而ARM与FPGA之间的数据以及命令通讯则依靠UART以及SRAM接口控制器。其中，上位机主要用于向ARM发送导航数据和接收头段数据，以及相关命令；嵌入式软件主要用于数据的接收与转发，在整个系统中仅作数据转发以及少量的数据处理的工作，含有两个主要部分，分别是主进程，负责与上位机通讯，协议解析，导航数据帧数据缓存等；导航数据处理线程负责将导航数据帧通过SRAME发送给FPGA，并在导航数据帧缓存的数据过少的情况下通知上位机进行数据发送。

ARM嵌入式软件将导航数据中的鸟数据进行缓存，而将其余导航数据下传至网口子板上的FPGA，再由该FPGA将导航数据发送给处理母板进行进一步的格式、内容和时序的处理。当处理母板收到枪控触发后，发送一个触发命令至网口子板上的FPGA，再由该FPGA将触发命令上传给ARM嵌入式软件，而ARM嵌入式软件收到触发命令后，就立即将缓存的鸟数据通过网络发送至综合导航系统。

4 结语

本模拟测试系统硬件平台在室内进行了包含二维及三维在内的多条数据的模拟测试（见图9），测试结果显示，数据时序正确，可满足综合导航系统的室内测试要求。该硬件平台配合上位机软件，结合综合导航系统，可为我公司自研“海源”数字震源控制系统、“海亮”地震采集系统的室内测试提供导航测试环境，节省了大量海试成本，具备较好的实用价值。

图9 室内模拟测试图