地震排列中链式采集节点地址的动态分配方法

摘要

本发明属于地球物理勘探领域。为提供一种可以根据需要按任意顺序连接排列段，不必考虑排列段的编号问题，不受地震探测环境变化的影响，能灵活可靠地顺序设置地震探测排列中所有采集节点地址的方法，本发明采取的技术方案是，地震排列中链式采集节点地址的动态分配方法，具体通信步骤如下：使系统控制与处理中心向数据预处理模块发送地址设置命令；数据预处理模块对地址设置命令进行解析后，按照地址设置流程，采用广播的方式向各个采集节点传输两次地址设置开始命令；各个采集节地址设置过程重复两次，并比较这两次地址设置过程中地址设置结果的一致性，直至地址设置成功为止。本发明主要应用于地球物理勘探。

说明书

技术领域

本发明属于地球物理勘探领域，特别是关于地震探测排列中呈链式结构分布的大量的采 集节点地址的动态分配方法，具体讲，涉及地震排列中链式采集节点地址的动态分配方法。

背景技术

主流地震探测排列由许多短的探测排列段连接而成；在现场铺设时，由于地震探测施工 环境复杂多变，因此排列的长度和安装顺序需根据现场要求灵活变化。但现有地震探测排列 段中采集节点的地址是固定不变的，在现场铺设时，需要根据探测排列的编号和信号流向来 顺序地铺设和连接排列段；如果由于人为因素，某一探测排列段没有能按实际编号正确连接， 则系统中采集节点的地址就会发生混乱，而使地震探测排列系统无法正常工作。

发明内容

为克服现有技术的不足，克服现有地震仪器排列连接时灵活性差的缺点，提供一种可以 根据需要按任意顺序连接排列段，不必考虑排列段的编号问题，不受地震探测环境变化的影 响，能灵活可靠地顺序设置地震探测排列中所有采集节点地址的方法；本发明采取的技术方 案是，地震排列中链式采集节点地址的动态分配方法，采用下行命令通路和上行数据通路实 现全双工的通信方式，具体通信步骤如下：使系统控制与处理中心向数据预处理模块发送地 址设置命令；数据预处理模块对地址设置命令进行解析后，按照地址设置流程，采用广播的 方式向各个采集节点传输两次地址设置开始命令；各个采集节点一方面通过下行通路接收命 令并对其进行解码，另一方面，通过上行通路接收下一级采集节点上传的用于进行地址设置 的数据，各个采集节点接收到地址设置命令后，以流水线的方式向上一级采集节点转发地址 增长标志，与此同时，每接收到一次地址增长标志就将自身的地址增1；前述的地址设置过 程重复两次，并比较这两次地址设置过程中地址设置结果的一致性，若地址设置结果一致， 则表明地址设置成功，不一致，则重新地址的设置过程，直至地址设置成功为止；最后，数 据预处理模块将地址设置成功的信息和采集节点的数量传输至系统控制与处理中心。

所述数据预处理模块采用系统控制与处理中心接口模块、命令译码模块、地址设置命令 分流模块、定时器、数据接收与转发模块组成，当命令译码模块经系统控制与处理中心接口 模块接收到地址设置命令时，地址设置命令分流模块启动定时时间为T_c的定时器，并同时向 所有采集节点以广播的方式发送开始第一次地址设置的命令；当定时时间T_c第一次定时到时， 地址设置命令分流模块重新启动定时器，并同时向所有采集节点发送开始第二次地址设置的 命令；当定时时间T_c第二次定时到达且地址设置成功时，地址设置命令分流模块一方面以广 播的方式向所有采集节点发送命令Save_address，通知各个采集节点保存自身地址，另一方面 将地址设置成功的相关信息及地震探测排列系统中采集节点的总数量n反馈到系统控制与处 理中心中，所述数据接收与转发模块一方面接收从采集节点传来的地址增长标志，另一方面 实现后续地震数据的接收与转发过程。

所述采集节点采用命令译码、地址设置与存储控制、数据接收与转发模块、两个定时器、 两个地址缓存、地址对比模块、EEPROM存储器组成，第i个采集节点中的命令译码模块对接 收到的命令进行解码，当解码结果为地址开始设置命令时，启动地址设置与存储控制模块进 行地址设置；数据接收与转发模块一方面接收下一级采集节点i-1上传的地址增长标志，另 一方面将地址增长标志转发至上一级采集节点i+1；地址设置与存储控制模块用于地址的设 置与存储、两个定时器的复位与启动；第一个地址缓存用于存储第一次设置完成的节点地址； 第二个地址缓存用于存储第二次设置完成的节点地址；地址对比模块一方面比较两个地址缓 存中地址的一致性，并将正确的地址存储到存储器EEPROM中；另一方面将地址设置是否成功 的相关信息通过数据接收与转发模块反馈到系统控制与处理中心。

采集节点i，i＝1，2，…，n，中设置有一个定时器定时时间为T_c，采集节点i每次接收到地 址增长标志时，将该定时器清零，并重新开始计时；当定时时间T_c第一次定时到时，地址对 比模块将第一个地址缓存中的地址值读入到地址对比模块中；当该定时器定时时间T_c第二次 定时到时，地址对比模块先将第二个地址缓存中的地址值读入到地址对比模块中，然后比较 两个地址缓存器中的地址是否相等；若地址不相等，则地址对比模块启动定时时长为2T_c的 另一个定时器，当另一个定时器定时时间到时，地址对比模块通过信号线控制数据接收与转 发模块向系统控制与处理中心传送表明地址设置错误的状态信息；当系统控制与处理中心接 收到地址设置错误的状态信息后，将重新启动系统的地址设置过程，即发送地址设置命令； 若所有采集节点中前后两次的地址设置结果相等，则表明采集节点的地址设置成功，待数据 预处理模块中定时器第二次定时到时，地址设置命令分流模块一方面以广播的方式向所有采 集节点发送地址保存命令，通知各个采集节点将自身地址保存在存储器EEPROM中；另一方面 将地址设置成功的相关信息及地震探测排列系统中采集节点的总数量n反馈到系统控制与处 理中心中。

本发明能有效克服现有地震探测排列在现在铺设时灵活性差的缺点，并同时具有以下特 点：地震探测排列段可以根据需要按任意顺序连接，不必考虑排列段的编号问题；不增加额 外的硬件，利用地震排列已有的链式结构特点，完成采集节点地址的动态设置；采用流水线 的方式缩短系统中采集节点地址设置的时间；通过对比两次地址设置结果，减小排列内干扰 对地址设置过程的影响，提高地址设置的可靠性。

附图说明

本发明的其它目的和方面将参考附图从以下具体实施方式中变得清楚，附图中：

图1示出本发明的拖缆采集系统总体方案框图。

图2示出本发明采集节点地址的动态分配模型及节点地址流水线增长的示意图。

图3示出本发明数据预处理模块内部结构图。

图4示出本发明中任意一个采集节点的内部结构图。

图5示出本发明实施例中的实验及曲线拟合结果图。

图1中：1为系统控制与处理中心；2为命令、数据和状态总线；3为声源控制总线；4 为声源；5为声波；6为地震探测排列头部连接器；7为数据预处理模块；8为采集节点；9 为同步采集主时钟传输线；10为数据和状态传输线；11为命令传输线；12为海平面；13为 传感器；14为排列段连接头；15为海床；16为采集节点；17为采集节点；18为排列尾部连 接器。

图2中：19为采集节点3。

图3中：20为系统控制与处理中心接口模块；21、22、23、24、25、26、27为FGPA内 部信号线；28为地址设置命令分流模块；29为FGPA内部信号线；30为命令译码模块；31为 数据接收与转发模块；32为定时器；33为信号线；34为FGPA内部信号线；35为信号线。

图4中：36、37为信号线；38、39为FGPA内部信号线；40为地址设置与存储控制模 块；41为命令译码模块；42为FGPA内部信号线；43为数据接收与转发模块；44为定时器A； 45为信号线；46为EEPROM；47为地址缓存A；48为地址缓存B；49为FGPA内部信号线；50 为地址对比模块；51为FGPA内部信号线；52为定时器B。

具体实施方式

本发明的目的是克服现有地震探测排列在现在铺设时灵活性差的缺点，提供一种能灵活 可靠地顺序设置地震探测排列中所有采集节点地址的方法。

第一步是确定地震探测排列采集系统总体方案。

地震探测排列采集系统总体方案框图如图1所示，它主要由系统控制与处理中心1，命 令、数据和状态总线2，声源控制总线3，声源4，地震探测排列头部连接器6，数据预处理 模块7，采集节点8，同步采集主时钟传输线9，数据和状态传输线10，命令传输线11，传 感器13，排列段连接头14，采集节点16，采集节点17，排列尾部连接器18。

第二步是设计了一种采集节点地址的动态分配模型。

如图2所示，探测排列系统通过下行命令通路11和上行数据通路10实现全双工的通信 方式。系统控制与处理中心1向数据预处理模块7发送地址设置命令address_set；数据预处 理模块7对address_set进行解析后，按照地址设置流程，采用广播的方式向各个采集节点传 输地址设置开始命令address_set_start_1和address_set_start_2。各个采集节点一方面通 过下行通路接收命令进行解码；另一方面，通过上行通路接收下一级采集节点上传的地址增 长标志。其中，address_set、address_set_start_1和address_set_start_2为三个不同的 8bit的命令数据。

所述数据预处理模块7如图3所示，它由系统控制与处理中心接口模块20，命令译码模 块30，地址设置命令分流模块28，定时器32，数据接收与转发模块31组成。

所述采集节点i(i＝1，2，3…)如图4所示，它由命令译码41，地址设置与存储控制40， 数据接收与转发43，定时器A44，地址缓存A47，地址缓存B48，地址对比模块50，EEPROM46， 定时器B52组成。

第三步是设计了一种动态地设置地震探测排列中采集节点地址的方法，包括步骤：(a) 根据地震探测现场的需要任意地选择排列段来进行现场铺设，(b)在探测系统上电后的初始化 阶段，完成探测系统内所有采集节点地址的设置；其中，所述步骤(b)包括步骤：(b1)系统控 制与处理中心1向数据预处理模块7发送地址设置命令，(b2)数据预处理模块7启动第一次 采集节点地址的设置过程，(b3)所有采集节点以流水线的方式完成自身地址的第一次设置， (b4)数据预处理模块7启动第二次采集节点地址的设置过程，(b5)所有采集节点以流水线的 方式完成自身地址的第二次设置，(b6)所有采集节点比较两次地址设置的结果是否相同，如 果相同，说明排列中采集节点的地址设置成功；如果不同，重新启动步骤(b)中所述的地址设 置过程，直至所有采集节点两次地址设置结果相同为止，(c)当地址设置成功后，各个采集节 点将自身对应的地址保存在各自的非易失性存储器中，(d)数据预处理模块7将地址设置成 功的信息和采集节点的数量传输至系统控制与处理中心1。

第四步对采集节点地址设置过程所花费的时间进行了分析，得出了排列中采集节点的数 量与地址设置过程所花费的时间满足线性关系的结论。

第五步对系统的供电进行说明：系统中所有需要供电的模块都采用相应的电源模块进行 供电，以使其能获得工作时所需要的能量。

本发明所述采集节点地址动态设置方法的特点是：地震探测排列段可以根据需要按任意 顺序连接，不必考虑排列的编号问题；不增加额外的硬件，利用地震排列已有的链式结构特 点，完成采集节点地址的动态设置；采用流水线的方式缩短系统中采集节点地址设置的时间； 通过对比两次地址设置结果，减小排列内干扰对地址设置过程的影响，提高地址设置的可靠 性。

下面结合附图以及本发明的具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的技术方案是，各个采集节点接收到地址设置命令后，以流水线的方式向上一级 采集节点转发地址增长标志，与此同时，每接收到一次地址增长标志就将自身的地址增1； 这样的地址设置过程重复两次，并比较这两次地址设置过程中地址设置结果的一致性；若地 址设置结果一致，则表明地址设置成功；不一致，则重新地址的设置过程，直至地址设置成 功为止。

第一步是采集节点地址动态分配模型的主要工作流程。

探测排列系统通过下行命令通路11和上行数据通路10实现全双工的通信方式。系统控 制与处理中心1向数据预处理模块7发送地址设置命令address_set；数据预处理模块7对 address_set进行解析后，按照地址设置流程，采用广播的方式向各个采集节点传输地址设置 开始命令address_set_start_1和address_set_start_2。各个采集节点一方面通过下行通路 接收命令并进行解码；另一方面，通过上行通路接收下一级采集节点上传的用于进行地址设 置的数据。

第二步是数据预处理模块的工作流程。

当命令译码模块30接收到地址设置命令address_set时，地址设置命令分流模块28启动 定时时间为T_c的定时器32，并同时向所有采集节点以广播的方式发送开始第一次地址设置的 命令address_set_start_1；当定时时间T_c第一次定时到时，地址设置命令分流模块28重新 启动定时器32，并同时向所有采集节点发送开始第二次地址设置的命令 address_set_start_2。当定时时间T_c第二次定时到达且地址设置成功时，地址设置命令分流 模块28一方面以广播的方式向所有采集节点发送命令Save_address，通知各个采集节点将自身 地址保存在非易失性存储器EEPROM中；另一方面将地址设置成功的相关信息及地震探测排列 系统中采集节点的总数量n反馈到系统控制与处理中心1中。

第三步是第i(i＝1，2，3…)个采集节点的工作流程。

第i个采集节点中的命令译码模块41对接收到的命令进行解码，当解码结果为地址开始 设置命令address_set_start_1或address_set_start_2时，启动地址设置与存储控制模块40 进行地址设置；数据接收与转发模块43一方面接收下一级采集节点i-1上传的“地址增长标 志(A_up_flag1或A_up_flag2)”，另一方面将“地址增长标志”转发至上一级采集节点i+1； 地址设置与存储控制模块40用于地址的设置与存储、定时器A和定时器B的复位与启动；地 址缓存A47用于存储第一次设置完成的节点地址；地址缓存B48用于存储第二次设置完成的 节点地址；地址对比模块50一方面比较地址缓存A47与地址缓存B48中地址的一致性，并将 正确的地址存储到非易失性存储器EEPROM46中；另一方面将地址设置是否成功的相关信息通 过数据接收与转发模块43反馈到系统控制与处理中心1中。其中，A_up_flag1和A_up_flag2 为两个不同的8bit的表示地址增长标志的数据。

第四步是进一步描述采集节点地址动态分配方法的工作过程。

步骤1：数据控制与处理中心1向数据预处理模块7传送地址设置命令address_set，数 据预处理模块7启动定时器32定时，并同时向所有采集节点广播地址开始设置命令 address_set_start_1，采集节点i(i＝1，2，…，n；i表示其中任一采集节点)收到 address_set_start_1命令后先将自身的地址设置为地址address_1_1，并存入地址缓存A47中； 然后再向上一级采集节点i+1传输一次A_up_flag1数据。

说明：数据预处理模块7中设置有一个定时时间为2T_c的定时器32。数据预处理模块7 每次接收到A_up_flag1或A_up_flag2时，将定时器32清零，并重新开始计时。

步骤2：采集节点i每次接收到下一级采集节点i-1传送来的A_up_flag1或A_up_flag2 时，一方面将自身的地址值加1；另一方面再将此A_up_flag1或A_up_flag2转发至上一级 采集节点i+1。

说明：采集节点i(i＝1，2，…，n)中设置有一个定时时间为T_c的定时器A44。采集节点i每 次接收到A_up_flag1或A_up_flag2时，将定时器A44清零，并重新开始计时；当定时时间T_c第一次定时到时，地址对比模块50将地址缓存A47中的地址值address_1_i读入到地址对比模 块中。

步骤3：当数据预处理模块7中定时器32第一次定时时间2T_c定时到时，表明第一次将 排列中采集节点的地址设置完成。此时数据预处理模块7中的地址设置命令分流模块28重新 启动定时器32，并向所有采集节点广播地址开始设置命令address_set_start_2，采集节点i 收到address_set_start_2命令后先将自身的地址设置为地址address_2_1，并存入地址缓存2 中；然后再向上一级采集节点i+1传输一次A_up_flag2数据。

步骤4：当采集节点i中定时器A定时时间T_c第二次定时到时，地址对比模块先将地址缓 存2中的地址值address_2_i读入到地址对比模块中，然后比较address_1_i与address_2_i是否 相等。

步骤5：若address_1_i与address_2_i不相等，则地址对比模块50启动定时时长为2T_c的 定时器B；当定时器B定时时间到时，地址对比模块50通过信号线42控制数据接收与转发 模块43向系统控制与处理中心1传送表明地址设置错误的状态信息address_set_error；当系统 控制与处理中心1接收到address_set_error信息后，将重新启动系统的地址设置过程，即转入 步骤1。若所有采集节点中前后两次的地址设置结果相等，则表明采集节点的地址设置成功， 待数据预处理模块7中定时器32第二次定时到时，地址设置命令分流模块28一方面以广播 的方式向所有采集节点发送命令Save_address，通知各个采集节点将自身地址保存在非易失性 存储器EEPROM中；另一方面将地址设置成功的相关信息及地震探测排列系统中采集节点的总 数量n反馈到系统控制与处理中心1中。

说明：定时器B的定时时长之所以设置成2T_c，是为了不让采集节点i发送 address_set_error信息的时间与其它采集节点转发地址增长标志的时间冲突。

按照上述步骤与方法可知，由于采集节点1无下级节点，所以它不可能收到下一级采集 节点传来的A_up_flag1或A_up_flag2数据，所以其地址值为1+0＝1，即地址为 address_1_1＝address_2_1＝address_1；采集节点2由于收到了下一级采集节点(节点1)传来的 一次A_up_flag1或A_up_flag2数据，所以其地址值为1+1＝2，即地址为 address_1_2＝address_2_2＝address_2；采集节点3由于收到了节点1和节点2分别传来的一次 A_up_flag1或A_up_flag_2数据，所以其地址值为1+1+1＝3，即地址为 address_1_3＝address_2_3＝address_3，依此类推，采集节点n的地址为address_n。

第五步是采集节点地址动态设置总时间的分析与计算

假设采集节点i从收到address_set_start_1或address_set_start_2命令开始到向上一 级采集节点i+1转传出A_up_flag1或A_up_flag2数据为止，所经时间为t₁；从传出A_up_flag1 或A_up_flag2开始到收到下一级采集节点i-1传来的A_up_flag1或A_up_flag2数据后再次 传出A_up_flag1或A_up_flag2为止，所经时间为t₂。基于上述采集单元地址的流水线逐级增 长动态设置算法，可知各个采集节点的地址都以流水线的方式在同一时间段t₂内同时增加1， 所以在正常情况下，地址动态设置过程所花的总时间T_total为：

T_total＝(t₁+(n-1)t₂+2T_c)×2    ……(1)

对(1)式化简得：

T_total＝2(n-1)t₂+2(t₁+2T_c)   ………(2)

实际系统中，t₁、t₂和T_c为常量，由(2)式可知系统中采集节点的设置总时间T_total与节点 个数n(n＝1，2，…)满足线性关系。

下面是地震排列中链式采集节点地址的动态分配方法的实施例。

建立具有8个采集节点的模拟实验系统。实验中，使用RS485物理层芯片实现命令下行 通路和地址数据上行通路的传输，上行和下行异步传输波特率均设置为1.024Mbps。将数据 预处理模块中的定时器定时时间2T_c设为31.25us；数据预处理模块和其下一级采集节点之间 以及各个采集节点之间的传输双绞线长2米。

测试时，在数据预处理模块中能方便的运用QuartusII9.0软件中的SignalTap 2逻辑分 析仪查看各个采集节点的地址被设置完成所花费的实际时间；所有节点地址设置完成时间如 表1所示。

表1节点数量与地址设置时间对应的原始数据

对表1中的实验数据进行线性拟合，得到如图5所示的拟合函数：

v＝13.508x+54.488          ………(3)

其中，y与T_total对应，x与n对应。

由(3)式可知，拟合函数及曲线与(2)式中的理论分析一致，真实反映了采集节点数与 地址设置总时间的对应关系，同时也证明了本发明方法的有效性。