一种基于FGPA的海洋物探拖缆实时供电监测装备的制作方法

本发明涉及一种基于FGPA的海洋物探拖缆实时供电监测装备，属于海洋地球物理勘技术领域。

背景技术：

根据作业需求，海洋物探电缆设备的长度一般可达到6到12公里的量级。一般，海洋物探电缆设备由多根电缆单元通过数字包串接而成。数字包中有专用的电源系统，从而实现整条拖缆的正常供电。

作业的时候，由于拖缆长度所限，海洋物探电缆设备必须要经船上电源设备提供高压电源，从而实现长距离供电能力。为保证水下系统正常、安全地供电，船载系统必须要有一套供电监测装置。当出现供电异常的时候，需要及时切断电源以达到保护水下电路的目的。

现有的电源监测装置，一般分为两种方案，即硬件化方案和软件化方案。对于硬件化的方案，如图1所示，电源系统利用定制的专用电压、电流监测模块实现监测功能，完全独立于物探仪器系统。当水下系统发生电源故障时，电源监测模块根据事先设定好的参数，自动进行电源切断以保护水下电路系统；对于软件化的方案，如图2所示，电源监测功能通过软件实现，并实时显示电源的状态信息。当软件发现电源状态异常时，会首先通过专用命令通道将电源切断，同时还会在软件界面上进行异常报警和显示。

海洋物探拖缆设备的供电方式比较特殊，它采用逐级上电的方式，前一级设备供电完成并且没有错误，才进行下一级设备供电。在这个过程中，海洋物探电缆设备需要一个反馈信息来控制上电过程，这个反馈信息就是电源监测正常的信号；其次电源状态会随着设备的增加而改变，因此用来进行比较的阈值就不再是一个固定值，对于上述电源监测方案都需要不停的重新设定新的比较阈值。海洋物探拖缆设备要求电源监测必须要有高的实时性，保证电源出现故障时，能在第一时间切断电源。

对于海洋物探拖缆设备的上电监测，现有的方案，无论是硬件化方案，还是软件化方案，都存在技术上的缺陷。

首先，对于硬件化的方案，虽然能够实现电源状态的实时监测并进行切断保护，但当水下系统发生电源故障时，高压供电系统无法形成与物探装备之间的联动。另一方面，该定制化的监测模块限制了高压电源的选择范围。

其次，对于软件化的方案，其最大的优点是能够实现非常好的高压电源系统和物探装备之间的联动控制，并且通过利用标准通信接口(如RS232、USB、GPIO等)降低了对电源设备的依赖。但是，该方案的最大问题是实时性无法做到很好，由于软件的参与，当发生电源系统故障的时候，软件无法在确定的时间内实现电源实时切断处理。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足(硬件化方案联动性差、阈值固定；软件化方案实时性差)，提供一种基于FGPA的海洋物探拖缆实时供电监测装备，通过高压电源自身的监测电路进行电源数据采集，通过FPGA系统的可编程特性以及高实时性，使海洋物探拖缆设备的电源监测做到实时、安全、高效、便捷。

本发明的技术解决方案是：一种基于FGPA的海洋物探拖缆实时供电监测装备，包括FGPA系统和高压电源设备；将物探仪器控制设备通过解析海洋物探拖缆设备下发的命令，以此来确定海洋物探拖缆设备的工作状态和相关电源监测参数；海洋物探拖缆设备处在上电稳态过程中，FPGA系统以一定的时间间隔，循环对海洋物探拖缆设备进行电源监测；监测结果通过高压电源设备响应后作出相关处理，高压电源设备再将相关处理结果返回给FPGA系统；海洋物探拖缆设逐级上电的过程称为上电初态，将逐级上电完成后的稳定状态称为上电稳态；所述电源监测包括：实时电源数据采集、电源数据处理即阈值比较，及根据电源数据处理结果做出相应反应。

所述FGPA系统能够根据当前海洋物探拖缆设备的数字包数数量自主计算出当前的电源监测需要的阈值；数字包为海洋物探电缆设备采集和传输单元。

所述在FPGA实现过程为：根据预设流程进行电源监测，预设流程是先进行电压检测，下发相关命令给高压电源设备，根据高压电源设备的测量电压值的返回，再进行对比，出现异常会直接通过高压电源设备切断电源，并通知物探仪器控制设备，等待故障排查和清除；电压如果正常，会进入电流检测，下发相关命令给高压电源设备，等待高压电源设备的测量电流值的返回，再进行对比，出现异常会直接通过高压电源设备切断电源，并通知物探仪器控制设备，等待故障排查和清除；电流如果正常，则完成了一次完整的电源监测流程，转回电压检测，等待下次电源监测流程的到来。

所述FGPA系统包括：第二通信模块、协议解析模块、命令生成模块、监测状态机模块、阈值计算模块、电源协议模块、比较状态机模块、电源通信接口模块；

第二通信模块，实现与物探仪器控制设备的物理接口，采用通用的RS232解析逻辑，对物探仪器控制设备中第一通信模块传来的命令进行解析，然后传送至协议解析模块；同时将协议解析模块封装后的测量电压值和测量电流值转换成RS232信号，上传至物探仪器控制设备的第一通信模块中；

协议解析模块，接收第二通信模块的信号后进一步解析得到的上电命令，将上电命令送给命令生成模块、监测状态机模块和阈值计算模块；接收第二通信模块的信号进一步解析得到电压正常或异常命令、电流正常或异常命令，并将命令送给命令生成模块；通过电源协议模块上传的测量电压值和测量电流值，将测量电压值和测量电流值传给监测状态机模块；同时接收比较状态机模块的比较结果，并将比较结果上传给物探仪控制设备；

监测控制状态机模块，根据协议解析模块给出的相应命令，自主的选择软件比较和硬件比较，上电初态给出初始状态命令和软件标志状态命令，此时为软件比较；上电稳定后进入硬件比较，根据协议解析模块传来的测量电压值和测量电流值生成电压查询状态、等待电压比较状态，电流查询状态、等待电流比较状态和关闭电源状态命令给命令生成模块；同时将命令生成模块上传的测量电压值和测量的电流值通过协议解析模块传至物探仪器控制设备；

命令生成模块，根据协议解析模块的上电命令生成打开电源命令；根据监测控制状态机模块输出的命令状态生成相应的电压查询命令、电压比较命令，电流查询命令、电流比较命令和关闭电源状态信号；然后送给电源协议模块；根据比较状态机模块的输出生成电压正常，电流正常或关闭电源命令；

电源协议模块，一方面，对来自命令生成模块下传给的各种电源命令进行协议封装，翻译成高压电源设备可以识别的格式，并送入电源通信接口块中；另一方面，接收来自电源通信接口模块的测量的电源数据，测量的电源数据包括测量电压值和测量电流值，在软件比较时将相应的电源数据送至送入协议解析模块，在硬件比较进送入比较状态机模块中；

电源通信接口模块，将电源协议模块输出的相关命令转换成RS232信号输出给高压电源设备；同时对高压电源设备传回的RS232信号解析得到测量电源数据，送给电源协议模块；

高压电源设备，接收电源通信接口模块传来的RS232信号并解析到电压查询命令，电流查询、打开电源和关闭电源命令后，对当前输出电压值、电流值进行测量；同时将测量的电压值和电流值转换成RS232信号送给电源通信接口模块；

比较状态机模块，根据电源协议模块传来的测量电压值和测量电流值与阈值计算模块给出的阈值进行比较；如果比较结果异常，输出异常命令，实时通知监测状态机模块机模块输出关闭电源，并将异常情况通过协议解析模块上报给物探仪控制设备；如果比较正常，输出正常命令，只会将实时的电源参数，即测量电压和测量电流值通过协议解析模块上传给物探仪控制设备；

阈值计算模块，根据来自协议解析逻辑模块传递过来的上电命令中的数字包数量，自动计算出电流阈值和电压阈值，然后将电流阈值和电压阈值送入比较状态机模块中，作为电源监测的比较基准。

所述监测控制状态机模块生成初始状态、软件标志状态、电压查询状态、等待电压比较状态，电流查询状态、等待电流比较状态和关闭电源状态的过程为：

初始状态，为0状态：复位初始状态，在这个状态中，将所有标志信号置低，该状态有两条跳转路径：接收到协议解析逻辑模块上电开始命令后，会进入软件比较状态，即状态1中；如果接受到协议解析逻辑模块传来的上电完成命令会进入硬件比较，即进入状态2；

软件标志，为状态1：在改变状态中，首先将软件比较标志置高，然后无条件跳转到状态2；

电压查询，为状态2：在状态2中，产生电压查询命令并输出，然后跳转到状态3；

等待电压比较，为状态3：等待电压比较结果，如果电压正常，则跳转到状态4，进行电流检测；如果电压异常，那么会跳转到状态6，产生关闭电源信号；

电流查询，为状态4：产生电流查询信号，随后跳转到状态5；

等待电流比较，为状态5：首先将电流监测标志置低，如果电压正常，则跳转到状态1，进行下一轮检测；如果电压异常，那么会跳转到状态6，产生关闭电源信号；

关闭电源，状态6：产生关闭电源信号，然后跳回状态0。

所述高压电源设备中，根据电源监测的状态，对海洋物探拖缆设备进行控制，完成电压查询、电流查询、打开电源和关闭电源操作。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)实时监测，时效性高：本发明结合海洋物探拖缆设备工作特点，根据海洋物探拖缆设备工作状态自主选择监测方式。通过硬件可编程逻辑器件(FPGA)的逻辑电路实现电源状态、控制、通信的实时控制；而基于FPGA 的逻辑，可以实现电源状态、控制以及通信的实时操作，避免物探仪控制设备对强实时电源操作的干预。并通过FPGA实现与高压电源设备以及物探仪控制设备之间的双向数据通信，既能实现对海洋物探拖缆设备的实时监控，也能实现高压电源设备与物探仪控制设备之间的实时联动。

(2)自主式阈值设置：本发明根据海洋物探拖缆设备工作情况，可以自主计算出当前的电源监测需要的阈值，不需要人为参与，简化操作，提高设备的自动化水平。

附图说明

图1为现有技术中的硬件比较图；

图2为现有技术中的软件比较图；

图3为海洋物探拖缆设备示意图；

图4为本发明在电源监测过程中的流程图；

图5为本发明的组成框图；

图6为本发明监测状态机模块的状态图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述：

如图3所示，海洋物探设备主要由物探船上的仪器设备(图上未标出)和水下拖缆组成。水下拖缆在正常作业过程中采用物探船上380V高压电源供电，在这个过程中为了保证仪器设备的安全，需要对供电过程进行实时监控，这也是本发明的背景和应用领域。

一、海洋物探电缆设备上电过程

如图3所示，海洋物探电缆由多级数字包组成，从安全角度考虑物探船上的高压电源在给水下海洋物探电缆设备供电时，并不是采用直接给所有数字包(数字包为海洋物探电缆设备采集和传输单元)同时供电，而是采用在前一个数字包供电完成且正常的情况下再对下一个数字包进行供电的逐级上电方式。

在逐级上电过程中，因为用电的海洋物探电缆设备(数字包)的增加，海洋物探电缆设备的电源状态也是随之改变，电源监测的阈值也随之改变。上电完成后，海洋物探电缆设备就进入相对比较稳定的状态，电源供电也比较稳定。为了方便下面描述，将水下设备逐级上电的过程称为上电初态，将逐级上电完成后的稳定状态称为上电稳态。

二、高压电源设备

高压电源设备就是安装在物探船上为水下物探拖缆设备即被监测设备进行高压供电的设备。此外，高压电源设备带有电压、电流检测功能，本发明中涉及的实时工作电压、电流检测是通过高压电源设备实现的，即本发明实时电源数据是由高压电源设备提供的。

三、物探仪器控制设备

物探仪器控制设备它主要负责控制整个物探拖缆设备的工作状态：如物探拖缆设备什么时候开始工作、传输数据、结束工作等。此外物探仪器控制设备的部分也参与本发明提及的电源实时监测部分。

四、本发明实施例

如图5所示，本发明包括FPGA系统以及高压电源设备组成。物探仪器设备和FPGA系统之间，以及FPGA系统和高压电源设备之间都是通过通用RS232进行连接通信。

如图4所示，本发明FPGA系统在电源监测过程为：根据预设流程进行电源监测，预设流程是先进行电压检测，下发相关命令给高压电源设备，根据高压电源设备的测量电压值的返回，再进行对比，出现异常会直接通过高压电源设备切断电源，并通知物探仪器控制设备，等待故障排查和清除；电压如果正常，会进入电流检测，下发相关命令给高压电源设备，等待高压电源设备的测量电流值的返回，再进行对比，出现异常会直接通过高压电源设备切断电源，并通知物探仪器控制设备，等待故障排查和清除；电流如果正常，则完成了一次完整的电源监测流程，转回电压检测，等待下次电源监测流程的到来。

如图5所示，本发明FGPA系统中包括：第二通信模块6、协议解析模块10、命令生成模块7、监测状态机模块11、阈值计算模块13、电源协议模块8、比较状态机模块12、电源通信接口模块9。

1、操作人员通过键盘输入开始工作指令，整个实时电源监供装置就会进入工作状态。高压电源设备给海洋物探拖缆设备上电时会处在逐级上电过程，即上电初态，此时选择进行软件比较。

2、物探仪器控制设备的以RS232信号形式输出上电命令到FPGA中。

在FPGA中首先通过第二通信模块6对RS232信号的命令进行解析，将

解析出来的命令送给协议解析模块10进一步解析得到上电命令。

3、上电命令会通过不同通道同时分发给不同模块：

协议解析模块10首先会将上电命令送给命令生成模块7，命令生成模块7中生成打开电源命令，送至电源协议模块8；电源协议模块8中将此命令翻译成高压电源设备可以识别的格式后，送入电源通信接口模块9；在电源通信接口模块9将输入的信号转换成RS232信号输出给高压电源设备，高压电源设备接收RS232信号并解析到命令后会打开供电开关，为海洋物探拖缆设备供电；

协议解析模块10其次会将完整的上电命令送给监测状态机模块11，此时监测状态机模块11开始工作，直至上电初态完成，进入上电稳态。

5.在上电稳态过程中，FPGA逻辑以一定的时间间隔循环对电源进行监测。接着步骤7中，协议解析模块10中解析出来的上电完成命令会分成两路：一路送入阈值计算模块11，在阈值计算模块11中，计算得出电流阈值和电压阈值，然后将电流阈值和电压阈值送入比较状态机模块12中，供电流、电压比较时使用；

另一路送入监测状态机模块11，监测状态机模块11由初始状态，即状态0跳转到电压查询状态，即状态2，在状态2中生成电压查询命令，然后监测状态机模块11跳转到等待电压比较状态，即状态4，而将电压查询命令送入电源协议模块8转换成高压电源设备可以是别的格式，再通过电源通信接口模块9转换成RS232信号发送给高压电源设备，高压电源设备接收RS232信号并解析到电压查询命令后，立即对当前输出电压值进行测量，因为此时处在硬件比较，所以高压电源设备会将当前电压值转换成RS232信号送给电源通信接口模块9，在电源通信接口模块9中完成对RS232信号解析得到测量电压值，然后送给电源协议模块8，在电源协议解析模块8中测量电压值转换成FPGA可以识别的格式，然后送入比较状态机模块12，在比较状态机模块12中完成实际测量电压值和阈值计算模块13给出的阈值之间的比较。

6.如果步骤9中的比较结果异常：比较状态机模块12会向监测状态机模块11发送一个电源异常信号，监测状态机模块11由等待电压比较状态，即状态4跳转到关闭电源状态，即状态6，在状态6中产生电源异常信号，然后将电源异常信号发送给命令生成模块7接收到电源异常信号后会产生关闭电源命令，然后将关闭电源命令送给电源协议模块8，在电源协议模块8中将关闭电源命令转换成高压电源模块可以识别的格式，然后送入电源通信接口模块9，在9电源通信接口模块9将输入的信号转换成RS232信号输出给高压电源设备，高压电源设备接收RS232信号，解析到命令后关闭电源输出。并且会通过第二通信模块6向物探仪器控制发送电源异常信号，通知操作人员。

7.如果步骤9中的比较结果正常：比较状态机模块12会生成一个电压检测完成信号送给监测控制状态机模块11，监测控制状态机模块11接收到电压检测完成后会从等待电压比较状态，即状态3跳转到查询电流状态，即状态4，在状态4中产生电流查询信号，然后跳转到等待电流比较状态，即状态5，而将电流查询信号发送给命令生成模块7，在命令生成模块7中会产生查询电流命令，电流查询命令送入电源协议模块8转换成高压电源设备可以是别的格式，再通过电源通信接口模块9转换成RS232信号发送给高压电源设备，高压电源设备接收RS232信号并解析到电流查询命令后，立即对当前输出电压值进行测量，高压电源设备会将当前电流值转换成RS232信号送给电源通信接口模块9，在电源通信接口模块9中完成对RS232信号解析得到测量电流值，然后送给电源协议模块8，在电源解析模块8中测量电压值转换成FPGA可以识别的格式，然后送入比较状态机模块11，在比较状态机模块11中完成实际测量电流值和阈值计算模块13给出的阈值之间的比较。

8.如果步骤11中，电流比较结果异常：比较状态机模块12会向监控状态机模块11发送一个电源异常信号，监控状态机模块11接收到电源异常信号，其内部会从等待电流比较状态5状态跳转到关闭电源状态，即状态6，在状态6中会产生关闭电源信号，然后跳回初始状态，即状态0，而将关闭电源信号发送给命令生成模块7接收到关闭电源信号后会产生关闭电源命令，然后将关闭电源命令送给电源协议模块8，在电源协议模块8中将关闭电源命令转换成高压电源模块可以识别的格式，然后送入电源通信接口模块9，在电源通信接口模块9将输入的信号转换成RS232信号输出给高压电源设备，高压电源设备接收RS232信号，解析到命令后关闭电源输出。并且会通过第二通信模块6向物探仪器控制发送电源异常信号，通知操作人员。

9.如果步骤11中的比较结果正常：比较状态机模块12会生成一个电流检测完成信号送给监测控制状态机模块11。至此一次监测过程结束。监测控制状态机模块11等待下次检测开始，然后重复循环执行步骤9、10、11、12。

如图6所示，监测状态机的正常运行时具体情况如下：

所述监测控制状态机模块11生成初始状态、查询标志状态、电压查询状态、等待电压比较状态，电流查询状态、等待电流比较状态和关闭电源状态的过程为：

初始状态，为0状态：复位初始状态，在这个状态中，将所有标志信号置低，该状态有两条跳转路径：接收到协议解析逻辑模块10上电开始命令后，会进入查询标志状态，即状态1中；如果接受到协议解析逻辑模块10传来的上电完成命令会进入状态2；

软件标志，为状态1：在改变状态中，首先将软件比较标志置高，然后无条件跳转到状态2；

电压查询，为状态2：在状态2中，产生电压查询命令并输出，然后跳转到状态3；

等待电压比较，为状态3：等待电压比较结果，如果电压正常，则跳转到状态4，进行电流检测；如果电压异常，那么会跳转到状态6，产生关闭电源信号；

电流查询，为状态4：产生电流查询信号，随后跳转到状态5；

等待电流比较，为状态5：首先将电流监测标志置低，如果电压正常，则跳转到状态1，进行下一轮检测；如果电压异常，那么会跳转到状态6，产生关闭电源信号；

关闭电源，状态6：产生关闭电源信号，然后跳回状态0。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。