本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于海洋地震勘探拖纜系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸通用接口卡，屬于海洋地震勘探領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

海洋地震勘探拖纜系統(tǒng)是一種應(yīng)用于海洋資源勘探領(lǐng)域的重要設(shè)備，該系統(tǒng)通過(guò)人工作業(yè)激發(fā)地震波信號(hào)，然后由拖纜傳感器采集水底反射的地震波數(shù)據(jù)，隨后將各纜道數(shù)據(jù)進(jìn)行集中分析和處理，從而解析出實(shí)際的地質(zhì)構(gòu)造和油藏分布情況。

在之前的海洋地震拖纜勘探系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒淌撬峦侠|的數(shù)字包采集到地震數(shù)據(jù)后經(jīng)過(guò)傳輸線集中到傳輸包，再由傳輸包將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞覂?nèi)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理機(jī)，即cpci(compactperipheralcomponentinterconnect)機(jī)箱進(jìn)行匯總，最終通過(guò)千兆以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱瞎ぷ髡具M(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。隨著海洋地震拖纜勘探系統(tǒng)不斷更新升級(jí)的技術(shù)需求，采樣精度提高，采集數(shù)據(jù)量增加，原系統(tǒng)采用的千兆以太網(wǎng)傳輸模式已經(jīng)不能滿足大容量地震數(shù)據(jù)對(duì)高速傳輸?shù)囊蟆?/p>

為了解決海洋地震拖纜系統(tǒng)的大容量地震數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)膯?wèn)題，需要對(duì)原系統(tǒng)的進(jìn)行改進(jìn)，采用一種新的高速數(shù)據(jù)傳輸通用接口卡代替原來(lái)的傳輸方式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明技術(shù)解決問(wèn)題：克服現(xiàn)海洋地震勘探系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提供一種海洋拖纜系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸通用接口裝置，滿足了大容量地震數(shù)據(jù)對(duì)高速穩(wěn)定傳輸?shù)男枨蟆?/p>

本發(fā)明技術(shù)解決方案：一種應(yīng)用于海洋地震勘探拖纜系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸通用接口卡，包括fmc(fpgamezzaninecard)子板和fmc載板兩個(gè)部分。

本發(fā)明設(shè)計(jì)一塊位于工作站上的pcie(peripheralcomponentinterconnectexpress)高速接口卡，替代原來(lái)的cpci機(jī)箱加fci板的傳輸模式，為海洋地震拖纜系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸提供技術(shù)支持。

為了提高系統(tǒng)通用性，接口卡設(shè)計(jì)采用fmc標(biāo)準(zhǔn)，分為fmc子板和載板兩個(gè)部分。

fmc子板包括sfp+(smallform-factorpluggables)接口、fmc接口，fmc載板部分包括ddr3(doubledatarate)存儲(chǔ)器，fpga(field-programmablegatearray)配置電路，fpga，pcie接口，電源模塊，sfp+接口等幾個(gè)部分；其中fpga實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸流程的控制以及數(shù)據(jù)處理等功能，內(nèi)部包括數(shù)據(jù)處理模塊、ddr3控制器、dma(directmemoryaccess)控制器和pcie核；

sfp+接口，光纖模塊接口，接收拖纜系統(tǒng)上行光纖傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；

fmc接口，連接fmc子板和fmc載板兩個(gè)部分，將接收的拖纜數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷d板fpga；

ddr3存儲(chǔ)器，高讀寫(xiě)速度的大容量存儲(chǔ)器，緩存處理過(guò)的地震數(shù)據(jù)；

fpga配置電路，用于系統(tǒng)上電時(shí)，加載fpga配置數(shù)據(jù)；

fpga，與其他功能模塊之間進(jìn)行交互，控制整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸流程，對(duì)拖纜數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理；

pcie接口，pcie總線的物理接口，與工作站相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

電源模塊，為整個(gè)pcie高速接口卡的fpga、ddr3存儲(chǔ)器、fpga配置電路、fmc子板等幾個(gè)功能模塊提供電壓，保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作；

sfp+接口，作為載板上的預(yù)留的光纖模塊接口，可以用于拖纜數(shù)量較少情況下的數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)處理模塊，對(duì)接收到的拖纜數(shù)據(jù)按照8/sec的比例進(jìn)行抽取，然后完成時(shí)序轉(zhuǎn)道序等操作；

ddr3控制器，控制ddr3存儲(chǔ)器緩存地震數(shù)據(jù)，并且與dma控制器之間進(jìn)行交互；

dma控制器，在無(wú)需工作站cpu參與的情況下進(jìn)行大容量數(shù)據(jù)交換，將載板上ddr3存儲(chǔ)器中的緩存數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到工作站內(nèi)存；

pcie核，支持pcie傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)從pcie高速接口卡到工作站的數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收流程。

水下拖纜中的數(shù)字包采集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，拖纜的上行光纖部分直接與pcie高速接口卡的fmc子板上的sfp+接口相連；

fmc子板上的sfp+光纖模塊接口為接收端，接收到拖纜數(shù)據(jù)后，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，fmc接口將子板的i/0接口與fpga上的引腳直接連接在一起，接收到的拖纜數(shù)據(jù)會(huì)直接傳輸至載板fpga上；

fpga內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理模塊按照8/sec的比例抽取實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，獲得地震數(shù)據(jù)和關(guān)于拖纜狀態(tài)的數(shù)據(jù)，并且對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序轉(zhuǎn)道序的操作，得出地震數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址；

fpga內(nèi)部邏輯控制發(fā)送命令到ddr3控制器，對(duì)ddr3存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，將處理后的地震數(shù)據(jù)按照道序地址存儲(chǔ)至其中，這個(gè)過(guò)程不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不同接口傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)，會(huì)分別存到ddr3存儲(chǔ)器內(nèi)部的獨(dú)立存儲(chǔ)空間；

隨后dma控制器向工作站cpu發(fā)送命令，發(fā)起大容量數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，pcie核根據(jù)pcie總線傳輸協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行打包傳送，通過(guò)pcie接口將數(shù)據(jù)傳輸至工作站上的存儲(chǔ)內(nèi)存中。

海洋地震勘探拖纜系統(tǒng)最直接的需求是大數(shù)據(jù)量的傳輸，最后傳輸?shù)焦ぷ髡旧系目倲?shù)據(jù)量為多條纜集成后的數(shù)據(jù)量。按照單條拖纜總長(zhǎng)度為15km，每一段工作段上放置16個(gè)通道，每?jī)蓚€(gè)通道之間道間距6.25m，使用精度為24bit的adc，最高采樣率0.5ms的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，頭包傳輸節(jié)點(diǎn)處要求的最小有效數(shù)據(jù)傳輸速率是150*16*24*1000/0.5≈115mb/s。再考慮協(xié)議損耗，系統(tǒng)按照150％冗余設(shè)計(jì)，拖纜數(shù)量按8計(jì)算，采樣周期內(nèi)接收的拖纜實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率至少為1384mb/s。

整個(gè)海洋勘探系統(tǒng)pcie高速接口卡使用pcie2.0x8接口與工作站之間進(jìn)行通訊，采用8bit/10bit編碼方式，支持的最高數(shù)據(jù)傳輸速率為4gb/s，遠(yuǎn)大于這個(gè)數(shù)值，可以滿足實(shí)際工作中的拖纜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸需求。

采用了fmc標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用到其他拖纜系統(tǒng)的時(shí)候，能夠根據(jù)實(shí)際需求的接口數(shù)目和類型來(lái)更換fmc子板。

采用sfp+接口作為光纖接收模塊，最高可支持10gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

所述fpga采用xilinx的kintex-7系列，性能好，性價(jià)比高，邏輯資源豐富。

對(duì)fpga內(nèi)部的邏輯代碼進(jìn)行適當(dāng)編輯可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的雙向傳輸。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明提供了一種可靠的高速數(shù)據(jù)流傳輸機(jī)制，解決了舊系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率太慢，缺乏可擴(kuò)展性的缺點(diǎn)，相比之前的海洋地震勘探拖纜系統(tǒng)，本發(fā)明提供了高達(dá)4gb/s的傳輸速率，可以滿足高達(dá)1384mb/s的大容量地震數(shù)據(jù)流對(duì)傳輸速率的要求。

(2)本發(fā)明替代了原海洋地震拖纜系統(tǒng)里面的cpci機(jī)箱加fci板卡的傳輸結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，極大的提高了整個(gè)拖纜系統(tǒng)的集成度和通用性，降低了成本。

(3)本發(fā)明接口卡采用fmc標(biāo)準(zhǔn)，具有靈活性和通用性，只需要更換搭載了不同接口或者功能的fmc子板，便可以實(shí)現(xiàn)不同功能，同時(shí)也可以作為不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸通道。

(4)載板設(shè)計(jì)以fpga為基礎(chǔ)，將眾多控制器集成在fpga內(nèi)，減少元器件的使用，滿足海洋地震拖纜系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)低功耗的需求。fpga在傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中完成了初步的處理工作，簡(jiǎn)化了工作站的數(shù)據(jù)處理流程。

(5)本發(fā)明為以后類似的地球物理勘探領(lǐng)域的地震拖纜系統(tǒng)需求提供了一套標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)潔的高速率數(shù)據(jù)傳輸通用解決方案，市場(chǎng)潛力大，具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的組成框圖；

圖2為本發(fā)明的數(shù)據(jù)傳輸流程圖。

具體實(shí)施方式

以下部分將結(jié)合附圖以及具體的工作流程來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

圖1為本發(fā)明的組成框圖，pcie高速接口卡主要包括fmc子板和fmc載板兩個(gè)部分，其中：

fmc子板部分，用于接收來(lái)自拖纜的上行光纖部分傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，以及向水下拖纜部分發(fā)送系統(tǒng)控制命令，由sfp+接口和fmc接口兩個(gè)部分組成。

sfp+接口，光纖模塊接口，接收拖纜系統(tǒng)上行光纖傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；

fmc接口，連接fmc子板和fmc載板兩個(gè)部分，將接收的拖纜數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷d板fpga。

fmc載板部分，用于接收f(shuō)mc子卡傳輸?shù)耐侠|數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行處理緩存等操作，隨后發(fā)送到工作站，以及向下發(fā)送系統(tǒng)控制命令。

載板上使用xilinx的kintex-7系列的fpga，具有高性能高性價(jià)比等特點(diǎn)，可以滿足系統(tǒng)的功能需求。由于海洋地震拖纜系統(tǒng)需求在短時(shí)間內(nèi)傳輸大量數(shù)據(jù)，并且傳輸?shù)桨迳系臄?shù)據(jù)流碼率并非一成不變。為了能穩(wěn)定的將數(shù)據(jù)通過(guò)pcie總線傳輸至工作站，板上需要一定的緩存空間。而fpga的內(nèi)部緩存太小，不能滿足需求，因此采用ddr3存儲(chǔ)器來(lái)緩存數(shù)據(jù)。

電源模塊用于給整個(gè)pcie接口卡提供電壓，保證接口卡能夠穩(wěn)定工作。此外載板上還預(yù)留了一個(gè)額外的sfp+接口，在纜數(shù)較少的情況下，可以不需要搭載子卡，直接使用該接口傳輸拖纜數(shù)據(jù)。

載板與工作站之間采用的接口為pcie2.0x8，該版本的pcie規(guī)范采用8bit/10bit編碼方式，支持的最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到4gb/s。

如2圖所示，fmc載板部分由ddr3存儲(chǔ)器，fpga配置電路，fpga，pcie接口，電源模塊，sfp+接口等幾個(gè)部分組成。

ddr3存儲(chǔ)器，高讀寫(xiě)速度的大容量存儲(chǔ)器，緩存處理過(guò)的地震數(shù)據(jù)；

fpga配置電路，用于系統(tǒng)上電時(shí)，加載fpga配置數(shù)據(jù)；

fpga，與其他功能模塊之間進(jìn)行交互，控制整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸流程，對(duì)拖纜數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理；

pcie接口，pcie總線的物理接口，與工作站相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

電源模塊，為整個(gè)pcie高速接口卡的fpga、ddr3存儲(chǔ)器、fpga配置電路、fmc子板等幾個(gè)功能模塊提供電壓，保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作；

sfp+接口，作為載板上的預(yù)留的光纖模塊接口，可以用于拖纜數(shù)量較少情況下的數(shù)據(jù)傳輸。

fpga內(nèi)部主要分為數(shù)據(jù)處理模塊，ddr3控制器，dma控制器，pcie核這幾個(gè)模塊。

數(shù)據(jù)處理模塊，對(duì)接收到的拖纜數(shù)據(jù)按照8/sec的比例進(jìn)行抽取，然后完成時(shí)序轉(zhuǎn)道序等操作；

ddr3控制器，控制ddr3存儲(chǔ)器緩存地震數(shù)據(jù)，并且與dma控制器之間進(jìn)行交互；

dma控制器，在無(wú)需工作站cpu參與的情況下進(jìn)行大容量數(shù)據(jù)交換，將載板上ddr3存儲(chǔ)器中的緩存數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到工作站內(nèi)存；

pcie核，支持pcie傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)從pcie高速接口卡到工作站的數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收流程。

整個(gè)海洋地震拖纜系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，即水下的拖纜部分和船上工作站記錄部分。水下拖纜中的數(shù)字包采集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)電纜進(jìn)行傳輸，然后經(jīng)過(guò)拖纜前段光電轉(zhuǎn)換部分轉(zhuǎn)化為光信號(hào)。

圖2為的實(shí)際工作過(guò)程中，pcie高速接口卡數(shù)據(jù)傳輸流程示意圖。如圖所示，拖纜的上行光纖部分直接與pcie高速接口卡的fmc子板上的sfp+接口相連。

按照傳輸流程，將pcie高速接口卡分為四個(gè)部分，數(shù)據(jù)接收模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)緩存模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊。

數(shù)據(jù)接收模塊，由fmc子板部分組成，接收上行光纖傳輸?shù)耐侠|數(shù)據(jù)。fmc子板上的sfp+光纖模塊接口為接收端，接收到拖纜數(shù)據(jù)后，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。fmc接口將子板的i/0接口與fpga上的引腳直接連接在一起，接收到的拖纜數(shù)據(jù)會(huì)直接傳輸至載板fpga上。

數(shù)據(jù)處理模塊，由fpga內(nèi)部邏輯資源組成，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。fpga內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理模塊按照8/sec的比例抽取實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，獲得地震數(shù)據(jù)和關(guān)于拖纜狀態(tài)的數(shù)據(jù)，并且對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序轉(zhuǎn)道序的操作，得出地震數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址。

數(shù)據(jù)緩存模塊，由ddr3控制器和ddr3存儲(chǔ)器組成，緩存處理后的地震數(shù)據(jù)fpga內(nèi)部邏輯控制發(fā)送命令到ddr3控制器，對(duì)ddr3存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，將處理后的地震數(shù)據(jù)按照道序地址存儲(chǔ)至其中。這個(gè)過(guò)程不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不同接口傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)，會(huì)分別存到ddr3存儲(chǔ)器內(nèi)部的獨(dú)立存儲(chǔ)空間。

數(shù)據(jù)傳輸模塊，由dma控制器和pcie核部分組成，與工作站之間通信。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢，fpga內(nèi)部的dma控制器向工作站cpu發(fā)送命令，發(fā)起大容量數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求。工作站響應(yīng)請(qǐng)求后，pcie核根據(jù)pcie總線傳輸協(xié)議對(duì)地震數(shù)據(jù)流進(jìn)行打包發(fā)送等操作，隨后通過(guò)pcie接口將數(shù)據(jù)傳輸至工作站上的內(nèi)存中。

工作站接收到數(shù)據(jù)后，將大容量數(shù)據(jù)寫(xiě)進(jìn)磁帶機(jī)，記錄并存儲(chǔ)地震數(shù)據(jù)。

以上就是pcie高速接口卡在海洋地震拖纜系統(tǒng)工作過(guò)程中高速傳輸并處理數(shù)據(jù)的全部流程。

pcie總線為全雙工模式總線，可以支持?jǐn)?shù)據(jù)同時(shí)雙向傳輸，從工作站發(fā)送下行系統(tǒng)控制命令的過(guò)程，與上述數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒袒槟孢^(guò)程。因此如果對(duì)fpga內(nèi)部的邏輯加以編寫(xiě)，不僅可以完成從拖纜到工作站的數(shù)據(jù)傳輸，還能完成從工作站到另一端設(shè)備的高速數(shù)據(jù)傳輸。

pcie高速接口卡采用了fmc標(biāo)準(zhǔn)，因此更換fmc子板就能實(shí)現(xiàn)更加豐富的功能。

在整個(gè)拖纜系統(tǒng)數(shù)量較少的情況下，可以在不使用fmc子卡的情況下，直接采用載板上的sfp+接口傳輸?shù)卣饠?shù)據(jù)。在實(shí)際拖纜系統(tǒng)工作條件支持的情況下，只需要更換sfp+接口數(shù)目更多的fmc子板，就可以支持更多拖纜數(shù)量。

應(yīng)用到其他不同類型的地震拖纜系統(tǒng)的時(shí)候，可以根據(jù)系統(tǒng)采用的接口類型，更換搭載其他接口的fmc子板就可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋；蛘吒鶕?jù)可以系統(tǒng)實(shí)際需求，使用一些功能性子板，完成數(shù)據(jù)采集等功能。

由此可見(jiàn)，本發(fā)明是一種具有通用性的高速數(shù)據(jù)傳輸接口卡，可以取代原系統(tǒng)采用的cpci機(jī)箱加fci板的傳輸模式，降低成本的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度和集成度。而且應(yīng)用范圍不僅限于海洋地震拖纜勘探系統(tǒng)，在其他拖纜系統(tǒng)中可以適用，在地球物理勘探領(lǐng)域?qū)⒂袠O為廣泛的應(yīng)用。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此凡本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。