隨著石油天然氣勘探開發工作的不斷發展，我們所面臨的勘探對象和開發環境也越來越復雜、越來越困難。地震方法面臨著復雜構造油氣藏、巖性油氣藏和裂縫油氣藏勘探及尋找“剩余油”的艱巨而復雜的任務。因此需要不斷地開展適應于上述復雜介質情況下的地震波理論研究和地震物理模型實驗研究，并將地震波理論研究與實驗研究兩者緊密結合起來。

地震物理模擬技術正是在這種背景下發展起來。所謂地震勘探物理模擬技術，就是根據地震勘探現場采集數據，用一定的材料，按一定的比例，制造出與實際地質構造在形態、結構和物性等方面的主要特征相當的物理模型，并對此物理模型模擬野外地震勘探工作，進行各種方式的數據采集，再對采集資料進行處理，用以研究地震波在地質體內的波場特征、地震勘探的野外工作方法、處理方法和資料解釋等理論和實際問題。

1 系統結構和工作原理

整個系統主要由模型、激發源和接收器，驅動定位系統，數據采集系統構成。其中定位系統的硬件設備，包括運動控制驅動控制電路板，伺服電機驅動系統，光柵反饋系統。實現位置脈沖的發送，系統精確定位。采集硬件設備----采用HP公司高精度高速AD器件，通過USB2.0接口實現對硬件設備的初始化以及采集數據的傳輸和存儲。

首先，根據地震物理模型，在上位PC機上建立模擬采集觀測系統，然后，根據觀測系統事先設計好的步驟，驅動定位系統移動，達到要求的位置后，觸發同步信號，一路使能激發源發送模擬野外震源的地震波，同時，另一路觸發接收器接收地震信號，經過AD芯片采集轉換，轉變為數字信號，通過USB2.0接口芯片，控制傳輸到上位計算機。

2 地震物理模擬系統設計技術特色

2．1定位系統采用全閉環控制模式

上位機發送驅動脈沖，通過伺服電機驅動器和伺服電機驅動整個機械系統移動，由于伺服電機驅動器和伺服電機本身采用編碼器反饋結構，可以保證整個伺服系統發送驅動脈沖的絕對準確，從而保證電機本身運行轉數的準確。但由于機械系統本身機械誤差的存在，例如齒輪間隙，絲杠、導軌表面不平等系統誤差，因此，采用光柵線位移傳感器構成全閉環系統，光柵實時反饋機械系統的實際位置，保證機械系統定位精度的絕對準確。同步信號的觸發就是通過讀取光柵反饋的脈沖數產生的。（系統結構如圖1所示）

2．2 應用FPGA（可編程器件）實現與光柵接口電路

光柵線位移傳感器能夠將機械系統移動的長度以脈沖串的形式反饋輸出，輸出信號為兩路TTL電平的脈沖，相互位相差為90度。反饋差分脈沖包含著定位系統移動長度的精確信息，但同時，由于系統有伺服電機及電源驅動器和大功率變壓器等強電設備，電磁噪聲干擾存在，有必要對光柵返回的脈沖進行技術處理，處理部分電路在FPGA（可編程芯片）內部實現。

FPGA芯片選用Altera公司的FLEX10K系列EPF10K20芯片，該芯片集成可用邏輯門數為兩萬門，外部結構為240腳表帖芯片。設計中可采用VHDL語言描述和原理圖描述兩種模式。在可編程器件中實現的電路功能模塊有：噪聲處理電路、四倍頻電路、同步信號觸發電路和計數、鎖存電路。

其中，噪聲處理電路原理是：一般干擾信號為窄脈沖隨機信號，而對光柵返回的脈沖信號，由定位系統移動的最高速度可以計算出反饋脈沖的最小寬度大于等于10us。因此，噪聲處理部分，是根據返回長度脈沖串和隨機干擾脈沖的脈寬差異，進行的去噪處理。

原理圖如圖2所示。由計數器1，2和比較器組成。其中計數器1為脈沖寬度計數器，CLK-EN接輸入脈沖信號，脈沖信號的上升沿觸發計數器計數，下降沿停止計數器，計數器的時鐘信號由片外晶振片提供，頻率為20MHZ，脈沖寬度為0.05us。對于驅動脈沖，脈寬大于10us，計數器值大于200，而一般干擾脈沖的脈寬遠小于10us，計數器記錄的數值小于200。比較器設置為dataa［］大于等于datab［］數值時，輸出脈沖信號，datab［］比較初值為200，比較端dataa同計數器1的計數輸出端相連，脈寬大于設置初值的脈沖觸發比較器輸出脈沖，被確認為驅動脈沖，送入下一級計數器計數，小于設置初值的脈沖，不能觸發比較器，不參與返回脈沖計數，從而，避免隨機干擾信號，保證返回脈沖的準確。

光柵反饋采用相差90度的差分脈沖，有利于提高反饋系統的抗干擾能力，但在接口電路中，為達到光柵實際檢測的精度，需要將返回的差分脈沖四倍頻處理，即將脈沖量化為原來的四分之一。同時，根據兩個脈沖的相位差，判別機械系統移動方向。

同步觸發信號用來使能激發源發送模擬地震波的超聲信號，同時，啟動A/D轉換器開始數據采集，在機械系統高速移動中產生準確、穩定的同步觸發信號是技術的關鍵。同步信號的觸發是根據比較計數光柵反饋的脈沖數完成。由計數器、比較器和數據鎖存器組成的電路產生。其中，數據鎖存器用來設置比較器比較初值，由上位機根據道間距長度來設置。計數器實時記錄經過處理后的光柵反饋脈沖數，計數器輸出端與比較器比較端相連，計數器由輸出的同步信號清零。當比較器兩輸入端口數據相等時，比較器輸出端口發送同步觸發信號Trigger，同時，同步觸發信號對計數器清零，重新計數，比較，觸發。

2.3 基于USB2.0接口的數據采集系統設計技術

2.3.1硬件設計

設計開發中選用Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片Cy7C68013實現USB2.0通訊技術，完成對采集數據的高速度傳輸。這種芯片是帶智能USB接口的單片機，它將USB2.0通訊接口協議、可編程外設接口整合到單片機集成電路中。集成的USB收發模塊與USB總線的D+和D-引腳相連。功能強大的串行接口引擎（SIE）以硬件的方式實現USB通訊接口協議、進行串行數據譯碼和錯誤更正，以及其它USB所要求的信號級操作等，最后發送數據字節到USB端口或從USB端口接收數據。它實現的數據傳輸速度有兩種：全速---12Mbps，高速----480Mbps。

本文采用從機模式，FX2的CPU僅僅用來初始化參與USB傳輸的各功能寄存器。由FPGA芯片作為控制主體，通過判斷FX2片內FIFO數據的存儲狀態，控制產生讀寫控制時序信號，完成外部數據存儲芯片SRAM與USB芯片內部FIFO之間的數據傳輸。硬件原理框圖如圖3所示。

FPGA控制FX2數據傳輸的內部邏輯框圖如下：

Slave FIFO通道設定，在FPGA內部選擇實現數據傳輸的FX2內部FIFO通道。FPGA通過讀取由FX2送出的FIFO狀態字，判別FX2內部FIFO數據是否為空，當確定FIFO數據為空時，開放IFCLK傳輸通道（IFCLK由FX2芯片內部送出），在WR-EN外部寫信號有效時，觸發讀寫控制時序和產生SRAM的地址信號。其中，在IFCLK上升沿，觸發SRAM地址產生計數器，選通數據的存儲地址。在IFCLK的下降沿，觸發SRAM-RD讀信號有效，同時，觸發FX2的FIFO寫控制信號SLWR、SLOE有效，通過16位數據總線，將SRAM中數據送入USB芯片內的FIFO存儲器中。用于時序控制的數據傳輸時鐘IFCLK最高工作頻率為48MHZ，可以通過對寄存器IFCONFIG的第七位配置，從FX2片內送出。

2.3.2 USB芯片固件程序的配置

程序框架用于加速開發基于EZ-USB FX2系列芯片的外設，框架為FX2的初始化、處理標準USB設備請求及USB掛起時的電源處理，提供交互函數。程序框架提供的任務調度函數：

TD-Init（void）：該函數在框架初始化時被調用，用來初始化用戶的全局變量。

TD-Poll（void）：在設備工作期間被重復調用，實現USB傳送數據控制。它包括一個執行外設功能的狀態機。

通過編寫固件程序，將Slave FIFO設置成AUTO_IN/AUTO_OUT模式，在這種模式下，CPU不介入數據傳輸過程的控制，整個數據交換由外設FPGA提供時序控制邏輯，從外部看，USB芯片僅僅是一個數據傳輸的通道，從而真正實現了USB的高速傳輸。

AUTO_IN/AUTO_OUT模式軟件配置在固件程序的TD-INIT（）內，編寫流程：

1. 配置IFCONFIF［7：4］，定義接口時鐘是否為外設提供。

2. 置位IFCFG1：0=11，使得USB相應端口配置為從FIFO模式。

3. 復位FIFO個端口。

4. 置位EP*FIFOCFG-4=1，將對應的Slave FIFO設置成AUTO IN模式。

固件程序的TD-Poll（）函數，為數據傳輸的控制代碼段，由于采AUTO_IN/AUTO_OUT模式，外部 的FPGA提供控制邏輯，CPU不參與USB數據包傳輸的控制，該函數內部不用編寫代碼。

3 結束語

本文系統設計是在原地震物理模擬系統基礎之上的改造升級項目，在系統控制上，主要通過采用FPGA技術和USB2.0技術實現。通過將近一年的運行證明，性能較原來系統有了大大改進。采集速度大幅度提高：以大港地震物理模擬采集為例。大港油田地震物理模型為三維模型，根據觀測系統設計，采集道數為一千萬道，每一道采樣點數為4096，每一個采樣數據為4個字節，整個采集數據量142G，按照原來定點采集模式計算，大約需要接近半年才能采集完成。在實驗室實際工作中，采用新設計的系統采集，機械系統移動速率10KHZ，道間距同樣為1.5mm，每隔1500脈沖觸發一次采集，每天采集10萬道，只用了30天就完成了模型的采集工作，采集速度大大提高。定位精度大大改進：通過在FPGA芯片內部的硬件編程邏輯控制，實現對伺服電機驅動器的精確控制，實現發送脈沖的反饋控制，實現實際移動位置的實時反饋校正，使得定位系統定位的準確度得到提高，整個機械系統最小移動脈沖當量為1um，定位精度可以達到0.02mm，從而使得采集數據的質量大大提高。2004年4月，系統順利通過了中國計量科學研究院長度處驗收。

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