胡濤，狄?guī)妥?，魏建?/p>

　　(中國(guó)石油大學(xué)（北京） 地球物理與信息學(xué)院，北京 102200)

       摘要： 為了解決地震物理模擬采集中采樣率和分辨率的瓶頸問(wèn)題，引用并行高速采樣方案，在保證高采樣率的同時(shí)，提高采樣分辨率。利用兩塊NI PXI5922高速采集卡、一臺(tái)超聲發(fā)射儀、一對(duì)超聲換能器和前置放大器，完成了并行高速采樣在地震物理模擬采集的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

　　關(guān)鍵詞：并行采集；高速采集卡；地震物理模擬

0引言

　　隨著數(shù)字信號(hào)處理器的飛速發(fā)展，ADC的測(cè)量精度、采集速度成為現(xiàn)代信號(hào)處理的瓶頸［1］。在給定的工藝下，ADC工作的最大采樣速度受限于它的分辨率［2］。地震物理模擬是用超聲換能器和超聲發(fā)射儀模擬野外檢波器和震源。由于實(shí)驗(yàn)室條件下地震物理模擬信號(hào)較弱，并且動(dòng)態(tài)范圍較大，因此必須是高分辨采集；同時(shí)，地震物理模擬采集的信號(hào)是頻率在0.1 MHz~1.0 MHz的超聲信號(hào)，為了保證信號(hào)不失真，又要求采集卡具有高采樣率［34］。對(duì)該頻率范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行高分辨率和過(guò)采樣采集，單通道高速NI PXI5922采集卡無(wú)法滿足?；诂F(xiàn)實(shí)需要，在現(xiàn)有采集設(shè)備基礎(chǔ)上，使用兩塊PXI5922采集卡對(duì)同一信號(hào)進(jìn)行并行采樣，這樣既保證高采樣率，又保證了高分辨率［5］。通過(guò)并行采集來(lái)解決采樣率和分辨率的矛盾關(guān)系。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)的核心是兩塊PXI5922高速AD采集卡對(duì)同一地震物理模擬信號(hào)并行采集。由于應(yīng)用環(huán)境是地震物理模擬采集，因此涉及激發(fā)源與采集卡的工作同步［6］以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理和顯示。

　　1.1硬件的基本組成

　　硬件系統(tǒng)主要由同步觸發(fā)器、超聲激發(fā)源、換能器、信號(hào)放大器、NI采集設(shè)備和PC組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　從圖1可以看出，激發(fā)源和PXI5922采集是由同步觸發(fā)器控制的，同步開(kāi)啟工作；接收換能器接收到地震物理模擬信號(hào)，經(jīng)放大器放大整形后，同時(shí)送到兩塊獨(dú)立的PXI5922采集卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)同一信號(hào)的并行采集；最后通過(guò)NI的PCIE高速數(shù)據(jù)傳輸接口卡，將數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)絇C主機(jī)，便于后續(xù)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、處理和顯示。

　　1.2軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)NI采集卡的編程設(shè)置，實(shí)現(xiàn)兩塊PXI5922采集卡采樣時(shí)鐘有相對(duì)1/2采圖2并行采集概念框圖

　　樣周期延時(shí)，達(dá)到交織采集、采樣率加倍的效果。如圖2所示，采集卡1與采集卡2的采集時(shí)鐘相位差180°，反映在模擬信號(hào)采集上，兩塊采集卡抽樣的位置剛好互相交織［7］。

　　1.2.1采集卡并行采集軟件設(shè)計(jì)

　　對(duì)PXI5922采集卡進(jìn)行應(yīng)用編程前，必須先了解采集卡的性能。該型號(hào)NI采集卡采樣率和分辨率是靈活可配置的，設(shè)置的采樣率越高，對(duì)應(yīng)的分辨率位數(shù)相對(duì)就越低［8］，詳細(xì)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

　　在普通采集條件下，所有AD采集卡的初始化配置的內(nèi)容基本是一致的，依次是檢查硬件設(shè)備獲取控制句柄、配置采集通道屬性（輸入最大幅值、阻抗、最大輸入頻率等）、配置采集的X、Y軸參數(shù)（采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)等）、設(shè)置觸發(fā)方式（邊沿觸發(fā)）、開(kāi)啟采集等待、獲取數(shù)據(jù)、關(guān)閉采集。

　　并行采集對(duì)采集卡的軟件設(shè)置比普通設(shè)置多了3個(gè)步驟，在設(shè)置完觸發(fā)方式后，首先，需要將兩塊采集卡配置成相同觸發(fā)條件（Homogeneous Triggers），這時(shí)兩塊采集卡共用一個(gè)外部觸發(fā)信號(hào)，確保觸發(fā)采集時(shí)刻的完全同時(shí)；然后，將兩塊采集卡配置成同步時(shí)鐘（Sychronize），該時(shí)鐘是用來(lái)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)工作時(shí)鐘；最后，將其中一塊采集的采樣時(shí)鐘延時(shí)半個(gè)采樣周期，對(duì)應(yīng)API函數(shù)是niScope_AdjustSampleClockRelativeDelay(sessions［1］,1/(2×fs))，session對(duì)應(yīng)的是采集卡，fs是采樣率。接下來(lái)與普通采集一致，開(kāi)啟采集等待、獲取數(shù)據(jù)、關(guān)閉采集。

　　1.2.2并行采集數(shù)據(jù)的組合

　　在地震物理模擬信號(hào)采集中，每激發(fā)一次，采集卡會(huì)連續(xù)采集2 048點(diǎn)~4 096點(diǎn)采樣深度，對(duì)應(yīng)的是10 MS/s采樣率，18 bit分辨率。在兩個(gè)采集卡并行采集方式下，只需將兩塊采集卡設(shè)置成5 MS/s采樣率，每塊卡采集1 024點(diǎn)~2 048點(diǎn)，然后將采集的數(shù)據(jù)組合起來(lái)，相當(dāng)于依然是10 MS/s采樣率，同時(shí)分辨率提升為20 bit。完成數(shù)據(jù)組合的程序步驟如下：

　?。?）通過(guò)采集卡的數(shù)據(jù)獲取函數(shù)，獲得采集卡1的采集輸出數(shù)組；

　　（2）通過(guò)采集卡的數(shù)據(jù)獲取函數(shù)，獲取采集卡2 的采集輸出數(shù)組（采集卡2的數(shù)據(jù)是進(jìn)行半個(gè)采樣周期延時(shí)采集的）；

　　（3）將采集卡1和采集卡2 的采集輸出數(shù)組合并為一個(gè)大數(shù)組，數(shù)據(jù)交替放置（即采集卡2的數(shù)據(jù)放置在大數(shù)組的偶數(shù)位，采集卡1的數(shù)據(jù)放置在奇數(shù)位）。

　　經(jīng)過(guò)合并后的數(shù)組是并行采集中一次地震物理模擬信號(hào)采集的最終數(shù)據(jù)格式，后續(xù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和顯示，都是對(duì)合并后的數(shù)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

2試驗(yàn)結(jié)果

　　經(jīng)過(guò)軟硬件的綜合調(diào)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)同一地震物理模擬信號(hào)并行采集。圖3是一次激發(fā)所采集的地震物理模擬信號(hào)的波形圖，該圖是由連續(xù)采集的2 048點(diǎn)組成的，是基于VC++編寫(xiě)的顯示控件。圖4是將并行采集的2 048點(diǎn)數(shù)據(jù)在MATLAB中顯示，圖5是局部放大觀察并行交織采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量和效果。

3結(jié)論

　　本文采用兩塊NI PXI5922采集卡完成了對(duì)地震物理模擬信號(hào)并行采集的功能。之前單卡采集是10 MS/s的采樣率，18 bit分辨率；現(xiàn)在用雙卡并行采集，每塊卡只需設(shè)置為5 MS/s的采樣率，20 bit分辨率，將兩塊采集卡的數(shù)據(jù)合并之后依然可以達(dá)到原先的采樣率，同時(shí)提高了分辨率。并行交織采集有助于化解地震物理模擬采集對(duì)高采樣率和高分辨率要求的矛盾，提高原始數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

　?。?］ 崔艷召,何欣,杜以強(qiáng)，等.多路高精度模擬量采集電路的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,2014,33(21):82-84.

　　［2］ 李玉生.超高速并行采集模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換的研究［D］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.

　?。?］ 狄?guī)妥?，魏建? VXI 總線產(chǎn)品在地震物理模擬多通道采集系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制，2001，9（2）：7-8.

　?。?］ 馬國(guó)慶，王輝明，李守才.地震物理模擬數(shù)據(jù)采集方法［C］.中國(guó)地球物理2009，2009：503.

　?。?］ 王銀玲，李華聰. 基于FPGA 的多通道并行高速采樣研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015,34（9）：37-39.

　?。?］ 嚴(yán)正國(guó),黎偉,馬龍，等.一種分布式無(wú)線同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(10):49-52,56.

　　［7］ 楊辰. 多片ADC并行采集系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2013.

　　［8］ NI.NI PXI-5922 24位可變分辨率數(shù)字化儀［EB/OL］［20151029］.http://wwwnicom/pdf/manuals/374049f.pdf.