基于FPCA可編程邏輯技術(shù)的時鐘恢復(fù)技術(shù)與系統(tǒng)同步詳解及應(yīng)用隨著石油勘探的發(fā)展，在地震勘探儀器中越來越需要高精度的同步技術(shù)來支持高效采集?；谶@種目的，采用FPGA技術(shù)設(shè)計了一種時鐘恢復(fù)以及系統(tǒng)同步方案，并完成了系統(tǒng)的固件和嵌入式軟件設(shè)計。通過室內(nèi)測試、野外試驗以及生產(chǎn)應(yīng)用，證明結(jié)合FPGA技術(shù)，時鐘恢復(fù)和系統(tǒng)同步技術(shù)在地震勘探儀器中具有獨到的優(yōu)勢，其精度可達us級，而且穩(wěn)定，實現(xiàn)方便。地震勘探儀器是一個高度集成的網(wǎng)絡(luò)采集系統(tǒng)，在這些地震勘探儀器中，要求系統(tǒng)能長時間連續(xù)采集，且在這種情況下能達到各個采集樣點的嚴格時間同步，而且要求在同步精度上要達到微秒級，因此涉及到時鐘同步和系統(tǒng)時間同步的2個技術(shù)難點，即時鐘恢復(fù)技術(shù)以及系統(tǒng)同步技術(shù)這兩個核心技術(shù)。因此，圍繞這兩項技術(shù)，以前的地震勘探儀器采用了各種各樣的實現(xiàn)方法，但是精度不高，甚至有的系統(tǒng)沒有完全實現(xiàn)這兩種技術(shù)，對高精度、高效率石油地震勘探的發(fā)展不利。本項目結(jié)合FPCA可編程邏輯技術(shù)，對通信中用到的時鐘恢復(fù)技術(shù)以及系統(tǒng)同步方法進行探討，并設(shè)計了一種方案，經(jīng)過了試驗和實際應(yīng)用考驗，證明其精度高，實現(xiàn)靈活，并取得了良好的應(yīng)用效果。1通信中的時鐘恢復(fù)設(shè)計地震勘探儀器的有線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其包含了主機系統(tǒng)(中央控制系統(tǒng))，交叉站(通過光纖把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻x器車的設(shè)備)，電源站(給野外站體提供電源的設(shè)備)，采集站(用于采集地震數(shù)據(jù)的設(shè)備)，交叉線，排列電纜這些野外設(shè)備。一般主機系統(tǒng)和交叉站之間的數(shù)據(jù)傳輸采用光纖(交叉線)傳輸，電源站和采集站之間的采用銅纜(排列電纜)傳輸。在這些數(shù)據(jù)傳輸中，涉及到命令的發(fā)送以及數(shù)據(jù)的收發(fā)。其中有2個基本的技術(shù)需要解決，一個是時鐘恢復(fù)，另外一個就是數(shù)據(jù)恢復(fù)，有的系統(tǒng)不需要時鐘恢復(fù)，只需要將數(shù)據(jù)恢復(fù)出來即可，但是有的系統(tǒng)需要兩個都要恢復(fù)出來，這需要依據(jù)系統(tǒng)的要求而定，本設(shè)計需要同時進行時鐘恢復(fù)以及數(shù)據(jù)恢復(fù)。圖2是地震勘探儀器中采用的通信鏈路結(jié)構(gòu)。圖中數(shù)據(jù)糾錯模塊可以用RS前向糾錯碼，也可以用應(yīng)答式的糾錯控制。如果系統(tǒng)的誤碼率比較低，糾錯模塊也可以不用。本設(shè)計充分利用系統(tǒng)的特點(即存在下行與上行數(shù)據(jù)通道)，采用重傳控制機制來實現(xiàn)糾錯目的。在地震勘探儀器中，當涉及到高效連續(xù)采集時候，時鐘恢復(fù)是必不可少的。其需要全網(wǎng)時鐘同步，其時鐘需要同步到主機系統(tǒng)的GPS時鐘。如果不需要震源高效采集，只需要同步到主機時鐘即可，此時可以不用CPS時鐘同步。設(shè)計中通信編碼方式采用8B10B，采用此類編碼有利于時鐘的快速恢復(fù)，可以避免長1或者0的編碼方式。在通信中，采用的時鐘恢復(fù)技術(shù)就是利用鎖相環(huán)PLL技術(shù)，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。圖中的相頻檢測器為數(shù)字鑒相器，完成VCO時鐘與輸入串行數(shù)據(jù)的時鐘的同步，其包括頻率與相位的同步。參考時鐘為中心頻率與串行數(shù)據(jù)隨路時鐘一樣，用于對串行數(shù)據(jù)時鐘的快速鎖定。數(shù)字鑒相器為鎖相環(huán)的核心部分。只有完成了頻率和相位的準確定位和比較，才能輸出控制VCO的信號，從而達到頻率和相位一致。數(shù)字鑒相器本質(zhì)上是對輸入串行數(shù)據(jù)進行采樣，采樣的時間窗口為一個數(shù)據(jù)時鐘周期，然后根據(jù)采樣的信息進行時鐘相位超前或者滯后判斷，從而調(diào)節(jié)VCO的相位和頻率。數(shù)字鑒相器的實現(xiàn)方案如圖4所示。此鑒相器為在1個時鐘周期內(nèi)對輸入的數(shù)據(jù)流進行相位變化檢測，并將檢測結(jié)果(超前或者滯后)由o1和o2進行編碼表示。在本方案設(shè)計中，無論是光纖傳輸還是銅纜傳輸，其命令通道都實現(xiàn)了時鐘恢復(fù)功能，因此能達到全網(wǎng)與主機時鐘同步，因此能支持長時間連續(xù)采集。系統(tǒng)時鐘恢復(fù)由自定義模塊