基于双CPCI总线的地震数据采集接口卡设计*
邱永成，谢荣清，郭 轶
【摘 要】针对地震勘探大数据量的采集要求，设计了一种基于双CPCI总线的地震数据采集接口卡。接口卡采用双CPCI总线结构，使用高性能的FPGA和DDR2 SDRAM进行数据处理和存储，实现地震数据的高速采集、预处理及CPCI总线传输等功能。重点介绍了双CPCI总线结构、存储器接口以及高速通信接口的设计和实现方案。海上生产应用结果表明，板卡满足海上地震勘探对接口卡的采集、处理和存储要求。 【期刊名称】电子技术应用 【年(卷),期】2017(043)005 【总页数】4
【关键词】地震数据采集；CPCI总线；LVDS
中文引用格式：邱永成，谢荣清，郭轶.基于双CPCI总线的地震数据采集接口卡设计 [J].电子技术应用，2017，43 (5)：102-105.
英文引用格式：Qiu Yongcheng，Xie Rongqing，Guo Yi.Design of seismic data acquisition interface board based on dual CPCI bus[J]. Application of Electronic Technique，2017，43(5)：102-105.
0 引言
随着石油勘探开发的精细化，地震勘探方法向着多维、多分量、超多道方向发展[1-2]，地球物理勘探技术对三维高精度勘探的需求越来越大，推动着高分辨三维地震勘探技术的不断发展。与传统的组合方式比较，多维高密度采集的地震数据量成倍增长，这对地震记录仪器的数据采集能力提出了巨大的挑战，并
且这种地震数据量的增长，也对数据的实时处理、传输等技术提出了很高的要求。
本文提出了一种适用于地震勘探系统设备的基于双CPCI（Compact PCI）总线的采集接口卡硬件设计方案，能够有效实时地采集、处理和存储来自地震勘探拖缆的高速地震数据，并通过两个高速CPCI总线桥接到主控设备。
1 板卡总体结构
接口卡整体结构如图1所示。接口卡主要包括两路CPCI总线接口、高速串行数据接口和DDR2 SDRAM接口。其中，两路CPCI接口实现接口卡与上位机之间的数据通信，光接口和电接口实现拖缆地震数据上传和命令控制的下传通道，电接口和光接口实现相同的功能，根据实际的应用场合选择使用电接口或光接口，上传的地震数据由FPGA进行处理后通过CPCI总线将数据传输给上位机进行实时显示与存储。
板上的FPGA、2个DDR2的存储单元和PCI接口芯片PCI9054及QL5064构成数据处理单元。2个DDR2的存储单元完成对接收到的地震数据进行缓存；FPGA完成对接收到的地震数据进行处理，然后通过QL5064的PCI通道把地震数据上传；PCI9054通道只抽取部分振子数据及各种状态数据，并通过PCI通道上传。
2 板卡硬件设计
2.1 CPCI总线接口设计
Compact PCI(简称CPCI)总线既有PCI总线的高带宽、高性能、即插即用、价格低廉等诸多优点，又有无源背板VME总线的可靠性[3]。地震数据采集系统需要大数据量的吞吐，并且需要处理多种不同数据的发送，因此本板卡使用了
2个CPCI总线控制器，分别为专门用于传输地震数据的CPCI总线和用于传输振子、拖缆状态、错误状态以及其他辅助数据的CPCI总线。 2.1.1 QL5064接口
传输地震数据选用了支持64 bit、66 MHz总线标准的QL5064芯片作为板卡的外部接口，这是一款反熔丝设计的芯片，它具有零等待状态猝发连接能力，可提供高达600 MB/s的PCI数据传输率。QL5064以DMA方式与主机内存交换数据；用户部分包括FPGA逻辑单元和11个RAM块。PCI内核的后端通过3条64 bit总线与内部FPGA逻辑单元相连接。在本设计中，QL5064芯片的PCI空间共支持3段内存空间，BAR0大小为64 KB，BAR1和BAR2分别为8 MB。对BAR0的访问将映射到QL5064内部的控制寄存器。用户也可以通过LOCAL BUS访问内部控制寄存器，包括对内部所有的FIFO直接进行拷贝性读写或破坏性读写。对BAR1和BAR2的访问将映射到本地总线端，可用于对本地总线侧设备空间进行访问，由用户编程定义。BAR1和BAR2可以设定为具有预读取功能，这可以在Slave Dma模式时提高数据传输的效率。 FPGA程序中与QL5064芯片的接口部分设计成模块式结构，如图2所示。接口时转换成为经常使用的FIFO、RAM、寄存器等内部模块接口的时序。同时接口支持64 bit、66 MHz的PCI通信，而且接口内部对数据源缺失、DMA_burst、多次DMA等都做了相应处理。 2.1.2 PCI9054接口
除了原始地震数据外，还需要将振子、拖缆状态、错误状态等各种状态及辅助数据上传到上位机，由于数据量较小且传输速率要求较低，因此本设计选用PLX公司的PCI9054来实现总线传输。PCI9054的访问方式选择DMA方式。
基于双CPCI总线的地震数据采集接口卡设计
