浅谈关于FPGA无线远程遥控爆炸系统
摘 要： 针对地震勘探的需求，设计了一种通用、可靠的长距离无线远程遥控爆炸系统。该系统基于fpga+stm32架构，不仅效率高、功耗低、体积小，并具有很强的系统稳定性。系统收发数据时，首先对数据进行卷积编码、viterbi译码，能够有效地降低系统的误码率。利用现场可编程门阵列（field programmable gate array，fpga）作为主控制器，系统能够有效地处理数据，实现了远距离可靠引爆、控制和采集。
0 引言
随着无线通信技术的进步，在各个领域中对于无线触发和控制技术的需求在逐步提高。在某些特定领域，不能采用“检错-重传”机制[1]，例如在陆地地震勘探工作中，无线控制下爆炸机的同步激发将直接关系到地层反射回波接收时刻的准确性和地震资料的质量，同时数据传输中的可靠性将不仅涉及炸药等物质的浪费，更涉及人身安全。
现有的无线触发控制系统中，往往使用单片机、dsp等作为遥控系统的控制单元。但是由于其自身工作特点，往往对于精确的定时控制以及并行处理能力上比fpga弱。fpga适用于时序、组合等各种逻辑电路的应用场合，其内部时钟延迟可达纳秒级，具有速度快、集成度高、可靠性高等优点[2]。
为此，本文基于fpga设计了一种新型的无线触发控制系统，实现了数据的高可靠和同步传输。本文无线远程遥控爆炸系统主要由编码器、译码器、无线收发电台和高压起爆模块4部分组成。在对编码器、译码器同步校准后，对待发送数据进行卷积编码、viterbi译码，并加入barker码来实现帧的同步，并使用两条互为备份的数据传送通道同时发送数据。本文设计的无线触发采集系统，即使某一数据通道出现少量错码，系统仍能有效地恢复出数据，并进行可靠的数据传输。
1 无线远程遥控爆炸系统简介
无线远程遥控爆炸系统包括编码器、译码器（编码器、译码器硬件完全相同，只是配置逻辑不同）、高压起爆装置和无线通信电台，其主要功能是控制震源激发和控制数据采集的启动并保证震源激发和数据采集启动同步[3]。如图1所示，编码器作为采集系统与译码器之间的桥梁，进行发送、接收数据。
译码器接收编码器发来的命令，控制高压起爆装置，并将采集数据发送至编码器。高压起爆装置在译码器控制下产生高压，引爆雷管。无线通信电台采用互为备份的双通道通信连接编码器和译码器。此系统无线传送速率主要取决于无线收发电台。目前系统近距离传输速率能达到48.59 mb/s。
为了改进接收信号质量，本系统引入信道编码的方法来改善信道质量，具体如图2所示。发送端对数据进行组帧、并串转换、卷积编码、加入同步帧信息后，把数据发送至无线通信电台进行调制。接收端的无线通信电台对信号进行解调后发送数据至接收端的fpga。接收端的fpga检测到帧同步信息后对接下来的数据保存，并进行viterbi译码。fpga对双通道的数据进行冗余校验，并选择正确的数据执行相关操作。
2 系统硬件的实现
系统硬件部分包括两部分，一部分是编码器/译码器基本单元，另一部分是高压起爆单元。本文重点介绍编码器/译码器基本单元。如图3所示，编码器/译码器基本单元主要以fpga为核心，fpga选用altera的ep4cgx30f23i7，主要用来完成对数据的编解码和对信号的控制。ads1282为基于△-∑技术的32位高精度低功耗模数转换芯片，其主要功能是将检波器的模拟电平信号转换为数字信号，并将数据送至fpga进行相关数据处理。
dac1282为texas的一款全集成数模转换器，此转换器可提供低失真、数字合成电压输出，主要用来将数字信号转换为模拟信号并通过电缆发送至上位机。
stm32f407作为无线远程遥控爆炸系统板上的备用主控芯片，当fpga不能正常工作时，随时可以替代fpga让整个系统继续正常工作。stm32f407zg系列是基于高性能的armcortextm-m4f的32位risc内核，工作频率高达168 mhz[4]。
高压板主要由12 v转400 v隔离电源、光耦和水泥电阻等组成，与fpga连接的信号如图4所示，charge_en信号为充电信号。
fpga将charge_en信号电平拉高时，高压板对450 v、100 μf的电容充电。tb_ttl信号电平被fpga拉高时，高压板执行点火命令，引爆雷管。fire_control信号电平被fpga拉高时，高压板将雷管接通至大电容放电回路。hv_ready信号由高压板控制，当充电完成，高压板将此信号拉低。sh_on信号电平被fpga拉高时，高压板上的电源芯片正常工作，否则进入休眠状态，减少功耗。
当雷管被引爆时，ctb信号被拉低。tb_act信号为tb_ttl的反馈信号，当高压板接收到tb_ttl信号时，将tb_act信号拉低送至fpga。由以上信号按顺序执行才能完成正常的引爆操作，否则不能正常进行，由此提高了系统的安全性。
3 系统同步的实现
无线触发控制系统主要延迟包括激发延迟、传输延迟、处理延迟。同步误差越大，地层深度偏差也就越大[5]。无线触发控制系统具体同步时序如图5所示。整个时序图包括三部分：数据采集系统、编码器、译码器。编码器与采集系统之间以遥控起爆线、钟时断线、参考脉冲线、模拟信号线4条信号线相连。点火线用来连接编码器和译码器（时间校准时才连接）。具体工作流程为：
（1）数据采集系统发出点火命令至编码器，编码器在接收到点火命令后，延迟1 s，发送tb命令（即钟时断信号）至数据采集系统开始采集数据。
（2）编码器在接收到系统发来的点火命令时，经过时间t（t由编码器、译码器间的传输延迟决定，t小于1 s）发送起爆命令至译码器进行起爆。点火脉冲是译码器执行引爆雷管时发出的脉冲。务必使钟时断信号与点火信号对齐，这样才能保证整个系统的同步。
（3）编码器以钟时断脉冲为基准计时，1.75 s后在参考脉冲线上发出参考译码器钟时断信号，再经250 ms发出参考验证时断信号，再经250 ms发出参考井口信号标识。
（4）译码器以点火脉冲为基准，经1.75 s发出译码器钟时断信号。以雷管实际引爆时刻为基准，经2 s发出验证时断信号，再经250 ms发出井口采集数据。编码器接收到译码器发来的数据，将信号转换成模拟信号，发送至模拟信号线上。通过参考译码器钟时断信号与译码器钟时断信号对比，可反映出钟时断信号与点火信号之间的时差。通过参考验证时断信号与验证时断信号，可反映出雷管通电后经多久才能引爆。
本系统采用50 mhz时钟作为ep4cgx30f23i7n的主时钟，保证计数器计数误差在20 ns内。遥爆系统工作之前需进行校准，即把编码器与译码器通过点火信号连接到一起，进行模拟起爆。由于无线电波传播速度为3×108 m/s，数据在空中传输的延迟相比于其他延迟可以忽略不计。
编码器准备好待发送数据，计数器开始计时，至接收到译码器通过点火信号线发出的点火脉冲结束，通过计数器计数的值计算出耗时作为时间补偿dt。编码器接收到起爆命令时，需经（1 s-dt）发送点火命令至译码器，这样才能保证引爆雷管与数据采集系统同步。编码器工作时，需将参考脉冲信号线上的信号延迟dt，这样，整个采集系统完全做到了同步。上述补偿时间的计算及校准由系统自动完成。
4 系统测试
4．1 模块测试
整个系统已搭建完成，并在实验室内进行测试。测试时，将编码器与无线模块连接到一起，译码器与无线模块连接到一起。无线遥爆触发系统采用12 v的直流电源供电。图6显示了测试中利用signaltap ⅱ截取经卷积编码后输出的部分信号波形。其中x为串行输入数据，yt为卷积编码后输出的数据。数据经无线发送后，经viterbi译码，仿真图形如图7所示，编码器发送的数据为208 bit，data_out为译码输出的部分数据，译码数据与发送端的高低位顺序相反。由于数据经发送后，高低位互换，图上只截取了经viterbi译码后的高27位的译码结果。
4．2 系统整体测试
首先，进行系统校准。将点火信号线连接好后，进行模拟起爆，系统自动进行校准，经多次测试，时间补偿dt为132.084 1 ms，图8为示波器捕捉到的钟时断信号与点火信号线上的脉冲输出，经多次测量，钟时断脉冲与点火脉冲时间误差在1 ms以内，很好地完成了同步。其次，在对高压模块进行测试时，高压模块在译码器的控制下，在1 s内将12 v直流电压提升至402 v，以2 ?赘的水泥电阻模拟雷管爆炸，电路正常工作，没有出现问题，达到设计指标要求。安全放电回路采用10 k?赘水泥电阻与450 v、100 f电容构成rc回路，放点达到标准要求。
5 结论
在无线遥控爆炸触发系统设计中，采用了基于卷积编码、viterbi译码的编码和互为备份的双通道传输方案，利用了fpga内丰富的逻辑资源以及存储资源，实现了数据的远距离同步可靠传输。加入备份数据通道后，通过fpga内部逻辑控制，在硬件上实现了对两路数据的实时校验及自动判选，提高了系统的稳定性和可靠性。
相比于“备份-重传”等机制[6]，该方法实现简单、实时性好，即使某一通道不能正常工作，系统仍能正常进行。目前，该无线遥控方案已通过实验室联调。本文提出的互为备份的双通道编解码、数据冗余传输机制，亦可应用于其他相关无线传输领域，以提高远距离数据传输的可靠性和稳定性。
参考文献
[1] zhang sifeng， zhang keli， cao ping ，et al. design and realization of remote synchronous data transmission system based on distributed architecture of serial concurrent bus[c]. 9th international conference on electronic measurement & instruments， beijing， china： [s.n.]， 2009，3：358-362.
[2] 潘轶群，佟刚．基于fpga的b码同步信号源的设计[j]．微型机与应用，2013，32（8）：61-63.
[3] 李科．地震勘探遥控爆炸机同步系统关键技术研究[d]．吉林：吉林大学，2009，2-3.
[4] stm32f405xx and stm32f407xx advanced arm-based 32-bit mcus reference manual[s]. stmicroelectronics，2011.
[5] 秦明辉.shot pro和boom box系统控制时序分析[j].物探装备，2006，16（3）：190-194，197.
[6] 王东旅，杨俊峰，程宏才，等．地震数据采集系统中的数据传输系统设计[j]．数据采集与处理，2011，26（4）：494－498．
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现有的无线触发控制系统中，往往使用单片机、dsp等作为遥控系统的控制单元。但是由于其自身工作特点，往往对于精确的定时控制以及并行处理能力上比fpga弱。fpga适用于时序、组合等各种逻辑电路的应用场合，其内部时钟延迟可达纳秒级，具有速度快、集成度高、可靠性高等优点[2]。
为此，本文基于fpga设计了一种新型的无线触发控制系统，实现了数据的高可靠和同步传输。本文无线远程遥控爆炸系统主要由编码器、译码器、无线收发电台和高压起爆模块4部分组成。在对编码器、译码器同步校准后，对待发送数据进行卷积编码、viterbi译码，并加入barker码来实现帧的同步，并使用两条互为备份的数据传送通道同时发送数据。本文设计的无线触发采集系统，即使某一数据通道出现少量错码，系统仍能有效地恢复出数据，并进行可靠的数据传输。
1 无线远程遥控爆炸系统简介
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译码器接收编码器发来的命令，控制高压起爆装置，并将采集数据发送至编码器。高压起爆装置在译码器控制下产生高压，引爆雷管。无线通信电台采用互为备份的双通道通信连接编码器和译码器。此系统无线传送速率主要取决于无线收发电台。目前系统近距离传输速率能达到48.59 mb/s。
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2 系统硬件的实现
系统硬件部分包括两部分，一部分是编码器/译码器基本单元，另一部分是高压起爆单元。本文重点介绍编码器/译码器基本单元。如图3所示，编码器/译码器基本单元主要以fpga为核心，fpga选用altera的ep4cgx30f23i7，主要用来完成对数据的编解码和对信号的控制。ads1282为基于△-∑技术的32位高精度低功耗模数转换芯片，其主要功能是将检波器的模拟电平信号转换为数字信号，并将数据送至fpga进行相关数据处理。
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fpga将charge_en信号电平拉高时，高压板对450 v、100 μf的电容充电。tb_ttl信号电平被fpga拉高时，高压板执行点火命令，引爆雷管。fire_control信号电平被fpga拉高时，高压板将雷管接通至大电容放电回路。hv_ready信号由高压板控制，当充电完成，高压板将此信号拉低。sh_on信号电平被fpga拉高时，高压板上的电源芯片正常工作，否则进入休眠状态，减少功耗。
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（2）编码器在接收到系统发来的点火命令时，经过时间t（t由编码器、译码器间的传输延迟决定，t小于1 s）发送起爆命令至译码器进行起爆。点火脉冲是译码器执行引爆雷管时发出的脉冲。务必使钟时断信号与点火信号对齐，这样才能保证整个系统的同步。
（3）编码器以钟时断脉冲为基准计时，1.75 s后在参考脉冲线上发出参考译码器钟时断信号，再经250 ms发出参考验证时断信号，再经250 ms发出参考井口信号标识。
（4）译码器以点火脉冲为基准，经1.75 s发出译码器钟时断信号。以雷管实际引爆时刻为基准，经2 s发出验证时断信号，再经250 ms发出井口采集数据。编码器接收到译码器发来的数据，将信号转换成模拟信号，发送至模拟信号线上。通过参考译码器钟时断信号与译码器钟时断信号对比，可反映出钟时断信号与点火信号之间的时差。通过参考验证时断信号与验证时断信号，可反映出雷管通电后经多久才能引爆。
本系统采用50 mhz时钟作为ep4cgx30f23i7n的主时钟，保证计数器计数误差在20 ns内。遥爆系统工作之前需进行校准，即把编码器与译码器通过点火信号连接到一起，进行模拟起爆。由于无线电波传播速度为3×108 m/s，数据在空中传输的延迟相比于其他延迟可以忽略不计。
编码器准备好待发送数据，计数器开始计时，至接收到译码器通过点火信号线发出的点火脉冲结束，通过计数器计数的值计算出耗时作为时间补偿dt。编码器接收到起爆命令时，需经（1 s-dt）发送点火命令至译码器，这样才能保证引爆雷管与数据采集系统同步。编码器工作时，需将参考脉冲信号线上的信号延迟dt，这样，整个采集系统完全做到了同步。上述补偿时间的计算及校准由系统自动完成。
4 系统测试
4．1 模块测试
整个系统已搭建完成，并在实验室内进行测试。测试时，将编码器与无线模块连接到一起，译码器与无线模块连接到一起。无线遥爆触发系统采用12 v的直流电源供电。图6显示了测试中利用signaltap ⅱ截取经卷积编码后输出的部分信号波形。其中x为串行输入数据，yt为卷积编码后输出的数据。数据经无线发送后，经viterbi译码，仿真图形如图7所示，编码器发送的数据为208 bit，data_out为译码输出的部分数据，译码数据与发送端的高低位顺序相反。由于数据经发送后，高低位互换，图上只截取了经viterbi译码后的高27位的译码结果。
4．2 系统整体测试
首先，进行系统校准。将点火信号线连接好后，进行模拟起爆，系统自动进行校准，经多次测试，时间补偿dt为132.084 1 ms，图8为示波器捕捉到的钟时断信号与点火信号线上的脉冲输出，经多次测量，钟时断脉冲与点火脉冲时间误差在1 ms以内，很好地完成了同步。其次，在对高压模块进行测试时，高压模块在译码器的控制下，在1 s内将12 v直流电压提升至402 v，以2 ?赘的水泥电阻模拟雷管爆炸，电路正常工作，没有出现问题，达到设计指标要求。安全放电回路采用10 k?赘水泥电阻与450 v、100 f电容构成rc回路，放点达到标准要求。
5 结论
在无线遥控爆炸触发系统设计中，采用了基于卷积编码、viterbi译码的编码和互为备份的双通道传输方案，利用了fpga内丰富的逻辑资源以及存储资源，实现了数据的远距离同步可靠传输。加入备份数据通道后，通过fpga内部逻辑控制，在硬件上实现了对两路数据的实时校验及自动判选，提高了系统的稳定性和可靠性。
相比于“备份-重传”等机制[6]，该方法实现简单、实时性好，即使某一通道不能正常工作，系统仍能正常进行。目前，该无线遥控方案已通过实验室联调。本文提出的互为备份的双通道编解码、数据冗余传输机制，亦可应用于其他相关无线传输领域，以提高远距离数据传输的可靠性和稳定性。
参考文献
[1] zhang sifeng， zhang keli， cao ping ，et al. design and realization of remote synchronous data transmission system based on distributed architecture of serial concurrent bus[c]. 9th international conference on electronic measurement & instruments， beijing， china： [s.n.]， 2009，3：358-362.
[2] 潘轶群，佟刚．基于fpga的b码同步信号源的设计[j]．微型机与应用，2013，32（8）：61-63.
[3] 李科．地震勘探遥控爆炸机同步系统关键技术研究[d]．吉林：吉林大学，2009，2-3.
[4] stm32f405xx and stm32f407xx advanced arm-based 32-bit mcus reference manual[s]. stmicroelectronics，2011.
[5] 秦明辉.shot pro和boom box系统控制时序分析[j].物探装备，2006，16（3）：190-194，197.
[6] 王东旅，杨俊峰，程宏才，等．地震数据采集系统中的数据传输系统设计[j]．数据采集与处理，2011，26（4）：494－498．
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