具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“耦合”、“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本发明第一实施例中，参照图1所示，本实施例提供一种分布式地震勘探采集系统数据传输装置，该装置位于地震勘探系统内的设备(如采集站和电源站)内，装置包括依次相互级联构成级联网络的设备，相邻设备之间进行通信，不相邻的设备不直接通信，而是通过设备内部的上游发送队列6050和下游发送队列作为中间介质将两个通信联系起来。例如如图2所示的一个实施例中，第一级设备(例如电源站)的上游端口仅与第二级设备(例如采集站设备1)的下游端口连接，第二级设备(例如采集站设备1)的下游端口仅与第三级设备(例如采集站设备2)的上游端口连接，第三级设备(例如采集站设备2)和第一级设备(例如电源站)之间的数据交互是通过第二级设备(例如采集站设备1)的上游发送队列6050和下游发送队列作为中介进行传递的。

具体的，设备包括上游发送处理模块20、上游接收处理模块10、下游发送处理模块30和下游接收处理模块40，每个设备通过上游接收处理模块10和上游发送处理模块20处理与上游设备的通信连接，通过下游接收处理模块40和下游发送处理模块30处理与下游设备的通信连接，设备依次相互级联构成一个级联网络。

其中上游发送队列6050包括按照优先级高低依次排列的应答队列501、辅助数据队列502、地震数据队列503和设备状态队列504。

上述4个队列中，应答队列501的数据来源有两个：一个为从下游接收处理模块40接收到的从下游设备传输上来的指令应答帧，另一个为上游接收处理模块10在解析接收到控制指令后确认为需要生成应答的指令则按照应答指令的格式生成的指令应答帧；辅助数据队列502的数据来源也有两个：一个为从下游接收处理模块40接收到的从下游设备传输上来的辅助数据帧，另一个为设备内部的辅助数据采集模块(如温湿度采集模块、倾角采集模块等)采集的辅助数据按照辅助数据帧的格式生成的辅助数据帧；地震数据队列503的来源也有两个：一个为从下游接收处理模块40接收到的从下游设备传输上来的地震数据帧，另一个为地震数据采集模块采集的地震数据按照地震数据帧格式生成的地震数据帧；设备状态队列504的数据来源也有两个：一个为从下游接收处理模块40接收到的从下游设备传输上来的设备运行状态帧，另一个为从设备状态收集模块(此模块收集在设备运行中置位的一些状态寄存器的值)按照设备状态帧格式生成的设备状态帧。需要说明的是，设备状态数据队列中始终会有数据，由于设备状态收集模块一直处于工作状态，且每收集一次将覆盖原来的状态缓存内容，当设备状态队列504中为空时就自动将状态缓存内容加入设备状态队列504。

进一步的，上述4种队列中元素的长度是不一致的。应答队列501内的数据为应答帧，此类帧的格式至少包括帧头(帧起始字节、目的地址、源地址等)、类型标示，帧长度、应答内容和校验，应答内容的长度可按规定固定(如规定对指令应答的内容为4个字节，如包含1个字节指令执行状态、3个字节的参数)，因此整个应答帧的长度也是固定的。辅助数据队列502内的数据为辅助数据帧，此类帧的格式与应答帧格式一致，至少包括帧头(帧起始字节、目的地址、源地址等)、类型标示，帧长度、辅助数据内容、校验，辅助数据内容为一次辅助数据采集的长度，此长度也固定(如温度、湿度、倾角共6个字节)，因此整个辅助数据帧的长度也固定。地震数据队列503内的数据为地震数据帧，此类帧的格式，至少包括帧头(帧起始字节、目的地址、源地址等)、类型标示，帧长度、帧序号、地震数据内容、校验，帧序号是为了保证当最终系统主机接收到数据后能够根据序号对数据进行组合，地震数据内容长度不固定，假设系统最大允许的帧长度为如最大帧长度为1000个字节，正常情况下，地震数据采集模块会缓存最大长度数据再进行封帧，因此地震数据内容的长度加上帧的其他部分应等于1000个字节，但如果地震数据采集模块在封帧超时后就将目前采集缓冲区中所有的数据封帧，此时整个帧的长度会小于最大帧长度。

还有上述4中队列的长度需要合理设置，地震数据的数据量最多，因此地震数据队列503的长度需要最大，在本发明的一个实施例中，地震数据帧长度为60。指令应答和辅助数据队列502数量少而且处理快速，应答队列501和辅助数据队列502的长度可以设置的较小，在本发明的一个实施例中，应答队列501设置为10，辅助数据设置15。设备状态长度可以设置为与采集链上采集站数量一致。

下游发送队列的通信指令队列601只存放上级下传的控制指令，因此队列长度与应答队列501长度一致，在本发明的一个实施例中设置为10个。

上述上游发送队和下游发送队列在本发明的一个实施例中使用FIFO实现。

而且上述4个队列(应答队列501、辅助数据队列502、地震数据队列503、设备状态队列504)的优先级依次降低，由于整个系统的主要工作流程是系统启动后先发送一系列的控制指令，如地址分配指令、时间同步指令、开始采集指令等，这些控制指令一般都在数据采集之前，而在数据采集之后，发送的控制指令将很少，因此应答指令也会很少，而且设计中有些控制指令也不需要生成应答，因此在采集过程中，虽然应答队列501优先级较高，但不会影响地震数据的发送。辅助数据的优先级比地震数据高的原因是辅助数据采集的频率很低，地震数据量要远高于辅助数据，因此如果有辅助地震数据，及时发送完毕也将不影响地震数据的传输。

为了进一步保障在数据采集同时数据能快速回传而不丢失数据，该传输装置还设置了地震数据队列503抢断功能，当地震数据队列503达到规定抢断阈值(如队列半满或达到队列长度的3/4)时，置位数据抢断标志。上游发送处理模块20在每次从4个队列中按照优先级选择之前先检查抢断标志是否置位，如果置位则直接传送地震数据队列503中的数据，传送后需要将数据抢断标志清除。

设备包括下游发送队列，下游发送队列包括通信指令队列601。设备内的下游发送处理模块30需要每次发送通信启动指令(控制指令)维持其和下游设备之间的通信，每次发送时均先从通信指令队列601中取数据，此队列中的内容为上游设备要求下传的控制指令。由于发送不间断，且发送的频率很高，而上级要求发送的控制指令比较少，因此多数情况下通信指令队列601为空，此时需要下游发送处理模块30自动生成类别为“数据传输”指令，“数据传输”指令即为维持通信的“空白”指令，下游接收这种指令后是不需要生成应答的，直接发出“应答启动”信号让上游发送处理模块20从4个队列中选择应答“数据”发送回上游设备即可。

优选的，为了保证通信的可靠性，装置还具有应答超时定时器以及超时错误计数器。设备内的下游发送处理模块30在发送出通信要求(控制指令)后，需要启动应答超时定时器，如果下游接收处理模块40在定时器超时之前收到了应答，则停止定时器(由下游接收处理模块40负责停止定时器)。否则定时器超时后将超时错误计数器加1并自动发出“通信启动”信号触发下游发送处理模块30再次发送该条指令，基于此，在下游发送处理模块30发送的是从通信指令队列601中的控制指令时(不是自己生成的“数据传输”指令)，发送完后不能立即将此条控制指令从通信指令队列601中清除，而是需要等到接收到应答后再清除，并重新检查队列是否有新的控制指令。当超时错误计数器计数到某阈值时，认为下游设备已断开，此时该设备将生成一条“通信链路故障”应答，并放入应答队列501中，由上级相邻两个设备之间通信将此通信故障状态依次向上传递，最终传递到主机，由操作人员进行处理。

装置包含的上游发送处理模块20和下游发送处理模块30包括传输控制处理单元、并串转换单元和编码单元。其中传输控制处理单元的处理方法将在下面的内容进行详细的阐述，并串转换单元是为了数据发送将数据帧转为串行数据，编码单元是为了适应传输物理层要求及传输可靠性对每位数据再次进行编码。最后编码后的数据将变成差分信号发送到阻抗匹配电路和变压器电路组成传输电路中发送出去。

还有装置包含的上游接收处理模块10和下游接收处理模块40包括时钟与数据恢复单元、译码单元、串并转换单元、帧解析单元以及接收控制处理单元。从传输电路接收到差分信号通过比较器后变为单端信号，然后通过时钟与数据恢复单元恢复出串行数据，然后经过串并转换单元转为字节数据，然后帧解析单元负责对将帧数据进行解析，接收控制处理单元的处理方法将在下面的内容进行详细的阐述。

本发明分布式地震勘探采集系统数据传输装置既能使用有限的存储和处理资源实现数据的可靠性传输，又能让整个系统的所有设备同时传输数据，提高了数据传输的效率，能够实现系统采集数据的实时回传，实现数据的实时处理。而且本发明能使系统的控制指令得到及时的响应，在无数据传输时能够不断获取系统各设备的运行状态，能够对系统进行实时的控制和管理。

在本发明第二实施例中，本实施例提供一种分布式地震勘探采集系统数据传输方法，该方法基于图1所示的装置实现。

该分布式地震勘探采集系统数据传输方法是主从应答式，只有上游设备能够发起控制指令(通信请求)触发一轮新的通信，下游设备接受到控制指令后对指令进行解析，如果需要应答就生成应答放入应答队列501，然后发出“应答启动”信号触发上游发送处理模块20从上游发送队列6050中选择应答数据发送回上游设备。另一方面，如果本条控制指令是需要向再下游设备传递的，还需将指令放入下游发送队列。

具体的，该分布式地震勘探采集系统数据传输方法如下所述：

系统初始时，各设备均标志初始状态，上游设备(如图1的电源站)第一次发送出系统控制指令给下游设备(如图1的采集站设备1)，此时采集站设备1中的上游接收处理模块10接收到指令，此模块对指令进行解析，如果指令需要进行应答，则按照应答格式生成应答帧并放入应答队列501。然后发出“应答启动”信号触发上游发送处理模块20工作。另一方面如果指令的地址不是自身的地址或者为广播地址，则需要接收到的指令保持原样放入下游发送队列(通信指令队列601)，然后发出“通信启动”信号触发下游发送处理模块30工作。

采集站设备1的上游发送处理模块20收到“应答启动”信号后，根据优先级，从上游发送队列6050(应答队列501、辅助数据队列502、地震数据队列503、设备状态数据队列这四个队列)中选出一个队列中的队头“数据”作为应答信号，然后启动数据发送处理流程，将“数据”应答发送给电源站。

数据发出后，电源站的下游接收处理模块40将接收到采集站设备1发出的“数据”应答，此模块将解析接收到的“数据”应答，根据应答中的不同数据类型(如数据为指令应答、辅助数据、地震数据、设备状态数据)将应答中数据内容分别放入相应的队列中。然后发出“通信启动”信号触发电源站内部的下游发送处理模块30工作。下游发送处理模块30检查电源站内的下游发送队列(通信指令队列601)中是否有控制指令，如果有则从队列头取出一条指令并启动数据发送流程将新的控制指令发送给采集站设备1，否则就按照指令格式自动生成一条类型为“数据传输”的指令，并启动数据发送流程将新的控制指令发送给采集站设备1。

采集站设备1的上游接收处理模块10将接收到新的控制指令，接收后的处理流程已在前面说明，本发明在这里不做赘述。与上面第一次接收到指令处理不同的是，从第二次之后，本模块将不再发出“通信启动”的信号来触发下游发送处理模块30，这是因为除了第一次下游发送处理模块30启动工作是由上游接收处理模块10触发外，其他都是由下游接收处理模块40再接收到新的应答后再触发，这样就能保证电源站和采集站设备1之间的通信与采集站设备1和其他采集站设备(例如采集站设备2)之间的通信无直接联系，其使用设备内部的数据队列作为中介进行数据传递。至此，电源站和采集站设备1之间的通信已经建立，此后将不间断的重复此过程，而且这两个设备之间的通信过程不再受任何其他设备和操作的影响。

采集站设备1的下游发送处理模块30收到“通信启动”信号后，检查下游发送队列(通信指令队列601)中是否有需要发送给下游设备的指令，如果通信指令队列601为空，则该模块按照指令格式自动生成一条指令类型为“数据传输”指令，然后启动数据发送处理流程，将数据发送给采集站设备2。

采集站设备2的上游接收处理模块10启动接收流程，接收到指令后的处理与前面介绍的采集站设备1第一次接收到电源站发送的指令后的处理类似，此处不再详细说明，最终采集站设备2的上游发送处理模块20在“应答启动”触发下开始工作，根据优先级，从应答队列501、辅助数据队列502、地震数据队列503、设备状态数据队列这四个队列中选出一个队列中的第一个“数据”作为应答信号，然后启动数据发送处理流程，将数据发送回采集站设备1。

采集站设备1的下游接收处理模块40会接收到采集站设备2发送回的“数据”应答，然后对应答数据进行解析，根据应答中的数据类型(如数据为指令应答、辅助数据、地震数据、设备状态数据)将接收到的应答分别放入相应的上游发送队列6050中(如应答队列501、辅助数据队列502、地震数据队列503、设备状态队列504)。最后发出“通信启动”信号触发采集站设备1的下游发送处理模块30。采集站设备1的下游发送处理模块30收到“通信启动”信号后的处理流程在前面已经说明。

至此，采集站设备1和采集站设备2之间的通信过程已经完成，采集站设备2不关心发送给采集站设备1的应答“数据”如何传递给最终设备(如电源站)，采集站设备1的上游接收模块将此应答“数据”放入相应的队列后就可以认为应答“数据”最终会由采集站设备1和电源站之间的通信过程将数据传递到电源站。此后不断重复此通信过程，且采集站设备1和采集站设备2之间的通信过程不再受任何其他设备和操作的影响。

依次类推，后续采集站设备之间的通信过程与上述说明相同。最终整个级联连路上相邻两个设备之间将建立点对点的闭环通信，即：上游设备发送一条通信启动控制指令，下游设备接收到控制指令后一方面启动应答过程(即从4种不同的队列中按照优先级取出一帧应答数据然后发送回上游设备)，另一方面如果需要转发该指令则还需要将该指令放入下游发送队列(通信指令队列601)中，以便让本条指令能够通过下一级的通信过程传递出去。下游设备接收到应答后解析应答“数据”，并将数据按照类别分别放入相应的队列中，然后再次触发发送模块从通信指令队列601中取出新的控制指令给下游设备。

由上述可知，该方法在第一次启动后，相邻设备之间的通信将不断反复，即：上游设备不断发送控制指令(通信请求)，下游设备不断回应控制指令。因为实际系统的控制指令较少，多数情况下下游发送队列(通信指令队列601)中没有实际的控制指令，此时需要下游发送处理模块30自动生成一条“数据传输”指令维持两个设备之间的数据流通。

综上，该方法由于每个连接通信处理方式是相同的，因此只要处理好上游接收处理模块10、上游发送处理模块20、下游发送处理模块30、下游接收处理模块40这四个模块的工作流程即可完成整个系统的通信。

具体的，上游接收处理模块10的工作流程如图2所示：

上游接收处理模块10当有上游发送的控制指令到来时，通过“接收流程”将指令接收并进行解析，解析后如果指令的目的地址与自身的地址一致，则进一步判断该条控制指令是否需要应答，如果应答则按照应答帧的格式生成一条应答帧放入应答队列501的队尾，然后发出“应答启动”信号。如果不需要应答则直接发出“应答启动”信号。如果目的地址不与自身地址一致，则先将指令放入下游发送队列的队尾，然后发出“应答启动”信号。

上述“接收流程”是指的当数据从传输线传至设备上时，首先经过信号传输电路后通过比较器将差分信号转为单端信号，再经过时钟与数据恢复模块将数据恢复出来，然后经过译码模块对数据进行译码，再经过串并转换模块将数据转为字节。因此，接收处理除了包括上述指令解析模块以及接受控制处理模块外，还需要包括时钟数据恢复模块、译码模块以及串并转换模块。

在本发明的一个实施例中，时钟数据恢复模块使用锁相环从数据中提取时钟，并利用提取的时钟对数据进行恢复，如果不需要对时钟进行恢复，还可以直接用过采样的方式对数据进行恢复。

译码模块是根据发送模块对数据进行编码方式进行逆变换的过程，在本发明的一个实施例中，译码模块为NRZI译码和4B/5B译码或曼彻斯特译码，此译码过程可用FPGA实现。串并转换模块是将译码后的串行数据转成并行的字节数据，在本发明的一个实施例中也用FPGA实现。

上游发送处理模块20的工作流程如图3所示：

第二上游发送处理模块20处理流程由“应答启动”信号触发，触发后首先判断是否有数据抢断的标志，有如果数据抢断标志，清除数据抢断标志并从地震数据队列503的队头取一帧数据作为应答；如果没有数据抢断标志，则判断应答队列501是否为空，如果不为空则从应答队列501的队头中取一帧数据作为应答；如果为空则判断辅助数据队列502是否为空，如果辅助数据队列502不为空则从辅助数据队列502的队头中取一帧数据数据作为应答；如果为空，则继续判断地震数据队列503是否为空，如果不为空则从地震数据队列503的队头取一帧数据作为应答；如果为空，则从设备状态数据队列中取一帧数据作为应答。选择好应答数据后，启动数据发送。

上述“数据抢断”标志是为了进一步保障在数据采集同时数据能快速回传而不丢失数据而设置的，当地震数据队列503达到规定抢断阈值时，置位数据抢断标志。在本发明的一个实施例中，抢断阈值设置为地震数据队列503总长度的3/4。

上述“启动数据发送”是指的将应答数据传送到传输线缆上，其过程包括将应答的数据帧转为串行数据，然后经过编码器编码，最后将编码后的数据转为差分信号经过传输电路传输到线缆上。因此，发送处理模块除了包括上述的发送控制模块外还包括并串转换模块、编码模块。

并串转换模块将应答的数据帧转为串行数据，在本发明的一个实施例中可用FPGA实现，编码模块是为了适应信号的传输对信号进一步编码，在本实施例中可以使用4B/5B编码和NRZI编码或直接使用曼彻斯特编码，此编码部分也用FPGA实现。

下游发送处理模块30的处理流程如图3所示：

下游发送处理模块30首先检查是否有“通信启动”信号，如果有“通信启动”信号则判断通信指令队列601是否为空，如果通信指令队列601不为空则从通信指令队列601队头取一帧指令，如果为空，则按照指令格式生成一帧“数据传输”的指令，然后启动数据发送的流程，最后启动应答超时定时器。如果没有“通信启动”信号还需要检查应答超时定时器是否超时，如果超时将超时错误计数+1后也会触发后续的发送流程。

当超时错误计数器超过阈值时，设备将自动生成一条“链路错误”的应答帧放入501应答队列501中，通过上级的通信链路将此状态最终发送给主机。

上述的“启动数据发送”的过程上游发送处理模块20中介绍的过程相同。

下游接收处理模块4040的处理流程为：

下游接收处理模块40检查是否收到应答数据，如果有收到应答数据，则停止应答超时定时器，然后对应答数据进行解析，根据数据类型如果是应答帧，则将接收的应答放入应答队列501中，如果是辅助数据帧，则将接收的应答放入辅助数据队列502中，如果是地震数据帧，则将接收的应答放入地震数据队列503中，否则就放入设备状态队列504中。最后产生“通信启动”信号，触发下游发送处理模块30展开新的一轮通信。

与上游接收处理模块10相同，下游接收处理模块40除了包括上述应答解析模块以及接收控制处理模块外，还需要包括时钟数据恢复模块、译码模块以及串并转换模块。

本发明只有互相连接的两个设备端口直接进行通信，不相邻的设备不直接通信，而是通过设备内部的上游发送数据队列和下游发送数据队列作为中间介质将两个通信联系起来。当正常运行后，两个相邻的端口之间不断进行主从启动-应答的方式进行通信，且这个通信过程固定，不受其他设备与其他操作的影响，因此整体实现简单，对设备资源和性能要求较低。

另外，由于级联链路上的所有设备均在独立不断的传输数据，各设备的数据在同时不断依次向上传递，而不需要某个设备发送后再发送其后续的设备，因此这种传输方式大大提高了整个系统的数据传输效率。通过数据队列的机制，还能将传输模块与采集模块独立，因此可以在数据采集的同时进行数据传输，因此可以做到大型分布式地震勘探采集系统采集的数据实时传输。

最后，由于向下游发送的数据只有系统的控制指令，而且向上游发送的数据中指令应答数据优先级最高，因此系统的控制指令可以得到实时的响应。在无采集数据可以发送时，系统在不断上传系统的状态，而且由于通信不断进行，当链路发生故障时能够及时检测到并生成链路故障状态应答上报系统，因此提高了整个系统的可控和可靠性。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。