基于CPCI總線導航控制系統設計與實現
電子技術應用
閆佳琛，張昊楠，張少鵬，崔燾，李昊，郭宇
中海油田服務股份有限公司物探事業部
摘要： 針對海洋地震勘探綜合導航系統高精度觸發控制、時序控制和實時性的要求，設計了一種基于CPCI總線架構的導航作業控制系統，內置GNSS接收機，由GPS時間、現場可編程陣列FPGA與嵌入式軟件實現高精度時鐘守護；星型差分線路實現高速串行傳輸通信，單箱體最多支持24個串口數據接入；高精度觸發模塊和時刻匹配規則實現對外部設備實時精準控制。重點介紹了系統接口、硬件模塊結構、嵌入式軟件及實驗結果。系統測試表明：該系統滿足海洋地震勘探高精度授時和作業時序控制需要，整體基于模塊化設計，具有良好擴展和封裝性，對其他工控系統開發具有借鑒意義。
中圖分類號：TP274+.2 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.246083
中文引用格式： 閆佳琛，張昊楠，張少鵬，等. 基于CPCI總線導航控制系統設計與實現[J]. 電子技術應用，2025，51(5)：93-97.
英文引用格式： Yan Jiachen，Zhang Haonan，Zhang Shaopeng，et al. Design and implementation of navigation control system based on CPCI[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(5)：93-97.
中文引用格式： 閆佳琛，張昊楠，張少鵬，等. 基于CPCI總線導航控制系統設計與實現[J]. 電子技術應用，2025，51(5)：93-97.
英文引用格式： Yan Jiachen，Zhang Haonan，Zhang Shaopeng，et al. Design and implementation of navigation control system based on CPCI[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(5)：93-97.
Design and implementation of navigation control system based on CPCI
Yan Jiachen，Zhang Haonan，Zhang Shaopeng，Cui Tao，Li Hao，Guo Yu
Geophysical Department， China Oilfield Services Limited
Abstract： Aiming at the requirements of high-precision trigger control, timing control, and real-time performance in marine seismic exploration integrated navigation systems, a navigation operation control system based on the CPCI bus architecture has been designed. This system incorporates a built-in GNSS receiver and achieves high-precision clock maintenance through GPS time, FPGA and embedded software. The system utilizes a star topology differential line for high-speed serial transmission interface communication, supporting up to 24 serial port data connections. The high-precision trigger module and time-stamp matching rules enable real-time and precise control of external equipment. This paper focuses on the interface, module structure, embedded software, and experimental results. System test shows that the platform fulfills the requirements for high-precision timing and operation process sequence control in marine seismic exploration. The system is modularly designed, offering excellent scalability and modular encapsulation, and serves as a valuable reference for the development of other industrial control system.
Key words : marine seismic exploration；integrated navigation system；modular design；serial communication
引言
隨著“兩寬一高”（寬頻帶、寬方位、高精度）采集技術逐步成為海洋油氣勘探主要趨勢，多船、混采、連續采集等先進高效的施工方式，對導航裝備的授時、定位和觸發精度提出了更高要求[1-3]。綜合導航系統具有定位解算、控制地震勘探時序流程的重要作用，而導航控制平臺作為其硬件部分，連接各類傳感器、實時導航軟件和其他船載系統，是勘探船的核心接口單元。
本文提出一種適用于海上地震勘探的導航控制系統，內置GNSS（Global Navigation Satellite System）接收機，聯合接收北斗、GPS衛星授時信號，正常馴服后時間同步精度小于30 ns，并由FPGA對GNSS接收機輸出的NMEA-0183（National Marine Electronics Association 0183）標準數據和秒脈沖進行規則檢查，在局域網內提供微秒級時間服務和內部時間戳標記。整個系統基于CPCI（Compact Peripheral Component Interconnect）總線，為數據收發提供性能優良的背板星形拓撲結構[4]，實現各類數據與命令在系統內部的高速傳輸，高精度觸發模塊和時刻匹配方法實現了對外部設備實時精準控制，有效保證了海洋地震勘探作業各系統間協同工作的穩定時序。
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作者信息：
閆佳琛，張昊楠，張少鵬，崔燾，李昊，郭宇
（中海油田服務股份有限公司物探事業部，天津 300450）
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