胡濤，狄幫讓，魏建新

　　(中國石油大學（北京） 地球物理與信息學院，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題，引用并行高速采樣方案，在保證高采樣率的同時，提高采樣分辨率。利用兩塊NI PXI5922高速采集卡、一臺超聲發射儀、一對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用設計。

　　關鍵詞：并行采集；高速采集卡；地震物理模擬

0引言

　　隨著數字信號處理器的飛速發展，ADC的測量精度、采集速度成為現代信號處理的瓶頸［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射儀模擬野外檢波器和震源。由于實驗室條件下地震物理模擬信號較弱，并且動態范圍較大，因此必須是高分辨采集；同時，地震物理模擬采集的信號是頻率在0.1 MHz~1.0 MHz的超聲信號，為了保證信號不失真，又要求采集卡具有高采樣率［34］。對該頻率范圍內的信號進行高分辨率和過采樣采集，單通道高速NI PXI5922采集卡無法滿足。基于現實需要，在現有采集設備基礎上，使用兩塊PXI5922采集卡對同一信號進行并行采樣，這樣既保證高采樣率，又保證了高分辨率［5］。通過并行采集來解決采樣率和分辨率的矛盾關系。

1系統總體設計

　　整個系統的核心是兩塊PXI5922高速AD采集卡對同一地震物理模擬信號并行采集。由于應用環境是地震物理模擬采集，因此涉及激發源與采集卡的工作同步［6］以及數據的存儲、處理和顯示。

　　1.1硬件的基本組成

　　硬件系統主要由同步觸發器、超聲激發源、換能器、信號放大器、NI采集設備和PC組成，系統結構框圖如圖1所示。

　　從圖1可以看出，激發源和PXI5922采集是由同步觸發器控制的，同步開啟工作；接收換能器接收到地震物理模擬信號，經放大器放大整形后，同時送到兩塊獨立的PXI5922采集卡，實現對同一信號的并行采集；最后通過NI的PCIE高速數據傳輸接口卡，將數據快速傳輸到PC主機，便于后續數據的儲存、處理和顯示。

　　1.2軟件設計

　　軟件設計是系統功能實現的關鍵。通過對NI采集卡的編程設置，實現兩塊PXI5922采集卡采樣時鐘有相對1/2采圖2并行采集概念框圖

　　樣周期延時，達到交織采集、采樣率加倍的效果。如圖2所示，采集卡1與采集卡2的采集時鐘相位差180°，反映在模擬信號采集上，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計

　　對PXI5922采集卡進行應用編程前，必須先了解采集卡的性能。該型號NI采集卡采樣率和分辨率是靈活可配置的，設置的采樣率越高，對應的分辨率位數相對就越低［8］，詳細對應關系如表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容基本是一致的，依次是檢查硬件設備獲取控制句柄、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（采樣率、采樣點數等）、設置觸發方式（邊沿觸發）、開啟采集等待、獲取數據、關閉采集。

　　并行采集對采集卡的軟件設置比普通設置多了3個步驟，在設置完觸發方式后，首先，需要將兩塊采集卡配置成相同觸發條件（Homogeneous Triggers），這時兩塊采集卡共用一個外部觸發信號，確保觸發采集時刻的完全同時；然后，將兩塊采集卡配置成同步時鐘（Sychronize），該時鐘是用來進行AD轉換的系統工作時鐘；最后，將其中一塊采集的采樣時鐘延時半個采樣周期，對應API函數是niScope_AdjustSampleClockRelativeDelay(sessions［1］,1/(2×fs))，session對應的是采集卡，fs是采樣率。接下來與普通采集一致，開啟采集等待、獲取數據、關閉采集。

　　1.2.2并行采集數據的組合

　　在地震物理模擬信號采集中，每激發一次，采集卡會連續采集2 048點~4 096點采樣深度，對應的是10 MS/s采樣率，18 bit分辨率。在兩個采集卡并行采集方式下，只需將兩塊采集卡設置成5 MS/s采樣率，每塊卡采集1 024點~2 048點，然后將采集的數據組合起來，相當于依然是10 MS/s采樣率，同時分辨率提升為20 bit。完成數據組合的程序步驟如下：

　　（1）通過采集卡的數據獲取函數，獲得采集卡1的采集輸出數組；

　　（2）通過采集卡的數據獲取函數，獲取采集卡2 的采集輸出數組（采集卡2的數據是進行半個采樣周期延時采集的）；

　　（3）將采集卡1和采集卡2 的采集輸出數組合并為一個大數組，數據交替放置（即采集卡2的數據放置在大數組的偶數位，采集卡1的數據放置在奇數位）。

　　經過合并后的數組是并行采集中一次地震物理模擬信號采集的最終數據格式，后續的數據存儲、處理和顯示，都是對合并后的數組的數據進行操作。

2試驗結果

　　經過軟硬件的綜合調試，實現對同一地震物理模擬信號并行采集。圖3是一次激發所采集的地震物理模擬信號的波形圖，該圖是由連續采集的2 048點組成的，是基于VC++編寫的顯示控件。圖4是將并行采集的2 048點數據在MATLAB中顯示，圖5是局部放大觀察并行交織采集的數據質量和效果。

3結論

　　本文采用兩塊NI PXI5922采集卡完成了對地震物理模擬信號并行采集的功能。之前單卡采集是10 MS/s的采樣率，18 bit分辨率；現在用雙卡并行采集，每塊卡只需設置為5 MS/s的采樣率，20 bit分辨率，將兩塊采集卡的數據合并之后依然可以達到原先的采樣率，同時提高了分辨率。并行交織采集有助于化解地震物理模擬采集對高采樣率和高分辨率要求的矛盾，提高原始數據采集的質量。

參考文獻

　　［1］ 崔艷召,何欣,杜以強，等.多路高精度模擬量采集電路的軟硬件設計與實現［J］.微型機與應用,2014,33(21):82-84.

　　［2］ 李玉生.超高速并行采集模擬/數字轉換的研究［D］.北京：中國科學技術大學，2007.

　　［3］ 狄幫讓，魏建新. VXI 總線產品在地震物理模擬多通道采集系統中的應用研究［J］.計算機自動測量與控制，2001，9（2）：7-8.

　　［4］ 馬國慶，王輝明，李守才.地震物理模擬數據采集方法［C］.中國地球物理2009，2009：503.

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

　　［6］ 嚴正國,黎偉,馬龍，等.一種分布式無線同步數據采集系統設計［J］.電子技術應用,2014,40(10):49-52,56.

　　［7］ 楊辰. 多片ADC并行采集系統關鍵技術的研究［D］.成都：電子科技大學，2013.

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