数字地震观测网络通讯与记录系统.pdf

第28卷 第5期地 震 学 报Vol. 28 , No. 5 2006年9月 540 ～ 545 ACTA SEISMOLOGICA SINICASep. , 2006 文章编号 02532378220060520540206 数字地震观测网络通讯与记录系统 3 王洪体1 , 2 ,› 庄灿涛 2 薛 兵 2 李 江 2 陈 阳 2 朱小毅 2 娄文宇 2 刘明辉 2 1 中国北京100081中国地震局地球物理研究所 2 中国北京100036中国地震局地震预测研究所 摘要 介绍了基于国产方舟SOC及嵌入式Linux操作系统的数字地震观测网络通讯与记录 系统.它支持TCP/ IP计算机网络通讯协议,具有自监控、 自复位功能,支持大容量固态存储 器,功耗小,授时精度高,运行连续可靠,可以通过网络同时向20个客户端提供实时波形数 据服务,满足固定台网观测、 虚拟地震台网观测的实时波形数据传输的需要,也适用于流动 观测、 强震观测及地震勘探观测等. 关键词 SOC 嵌入式Linux 按需数据服务 主动数据服务 WatchDog 中图分类号 P315. 61 文献标识码 A 引言 数字地震观测系统出现于上世纪70年代初,在至今的30多年里取得了长足的发展, 其性能得到了很大改善,动态范围、 分辨率大大提高,功耗大大降低游庆瑜等, 2003a , b ,已经实现了地震观测技术宽频带、 大动态、 数字化的发展目标.但是,此前的数字地震 观测系统在通讯方面仅支持基于串口的通讯方式,这对于适应当今这个网络时代提供的多 种网络通讯条件,推动地震观测技术进一步发展,提高地震观测水平具有十分明显的局限 性.近年来,为了全面改善地震监测能力,要求使用虚拟台网组网技术消除台网之间的地 震监测薄弱区,满足对特定对象区域的观测与研究需求,这就要求数字地震观测系统支持 基于网络的多重连接数据通讯方式雷军等, 2004 ;滕吉文, 2005 .中国地震局在制定 “十 五” 发展规划时,也提出了 “十五” 台网建设要实现IP到台站的目标,这也要求数字地震观 测系统具有计算机网络通讯功能.此前的数字地震观测系统由于缺乏操作系统的支持,在 软件方面采用底层代码编程,编程难度大,调试困难,很大程度上限制了功能的实现及系 统开发的灵活性滕云田等, 2002 .因而在此基础上发展网络通讯技术是相当困难的.于 是采用嵌入式芯片和嵌入式操作系统来实现数字地震观测系统的网络通讯功能,提高数字 地震观测系统的性能,成为必然选择滕云田, 2002 ; Tenget al ,2001 ;魏银珍等, 2005 ; 李耿民, 2004 ;周振安, 2004 .为此,我们设计开发了基于双芯结构和嵌入式Linux操作 系统的网络数字地震观测与记录系统.其中采用国产方舟SOC构成网络通讯与记录系统, 实现了工业标准的、 支持计算机网络通讯的TCP/ IP协议,实现了应用层的FTP , HTTP , 3国家重点基础研究发展项目2001CB7110052 1 资助.中国地震局地球物理研究所论著06AC1034. 2006201212收到初稿, 2006206212决定采用修改稿. › 通讯作者. E2mail hongti2wang vip. 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. TELNET等标准的网络通讯协议,开发了基于网络的实时波形数据服务系统,有效地解决 了数字地震观测的网络通讯问题;并且在Linux的标准多任务环境及标准的文件系统支持 下,可充分保证系统工作的可靠性和连续性,改进了数字地震观测系统的性能,极大地提 高了系统应用、 管理与维护的灵活性. 1 系统结构 1. 1 数字地震观测与通讯记录系统硬件的双芯结构 如图1所示,整个网络数字地震观测与通讯记录系统采用美国德州仪器生产的专用数 字信号处理芯片DSP2TMS320和国产方舟SOC2GT2000两个CPU系统.其中以DSP2 TMS320为核心构成数据采集系统,负责完成地震数据采集和标定信号发生.以SOC2 GT2000为核心运行嵌入式Linux操作系统构成网络通讯与记录系统,实现了网络通讯、 数据存储、 事件检测、GPS同步等功能.双芯分工、 协同并行工作,完成了设计的各项任 务 Yaghmour , 2003 . 图1 网络数字观测系统硬件结构示意图 本文研究的重点在于以方舟SOC2GT2000为核心构成的网络通讯与记录系统.在硬件 方面它集成了16C554串行通讯芯片提供4个标准RS2232串口、512 kB Boot Flash存储 器、64 MB静态存储器、256 Bit CPLD、128 MB DOC ,再加上SOC2GT2000本身的一个控 制台接口、 两个USB接口和一个10/ 100 M以太网口,构成了一个功能完备的、 满足设计 需求的嵌入式计算机系统作为数字地震观测网络通讯与记录系统.网络通讯与记录系统通 过一个USB接口连接CF卡最多可达8 G或硬盘最多可达30 G ,通过一个串口连接 GPS ,一个串口连接DSP系统,构成了完整的网络数字地震观测与记录系统. 图1中的供电及断电保护系统,可以保证系统在临时断电、 电压波动等情况下连续正 常工作,以及在没有外电网供电的情况下,支持短时间的观测含地震计供电不少于2小 时 . 1. 2 定制的专用嵌入式Linux操作系统 Linux系统是开放源代码的操作系统,可以免费或以极低的代价取得源代码,并可以 按照需求随意修改,特别适用于数字地震观测网络通讯与记录系统. Linux操作系统是一 个十分庞大的系统,为了在数字地震观测网络通讯与记录系统上安装运行,必须按照需要 对系统进行定制得到专用的嵌入式Linux系统.定制得到的专用嵌入式Linux软件系统包 145 5期 王洪体等数字地震观测网络通讯与记录系统 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 括4个部分引导程序、 系统核心、 系统运行支持程序和共享库文件. 在数字地震观测网络通讯与记录系统中,引导程序选用了广泛在国内外嵌入式系统中 使用的开放源代码程序RedBoot ,它保存在占用起始地址的FLASH存储器内,系统上电 时自动执行,完成加载核心并启动核心的任务. 定制的核心是在删除无用代码、 保留需要代码、 增加专用代码的基础上得到的Linux 系统核心.具体地讲,删除了其中绝大部分驱动程序代码,仅保留了串口、USB、SCSI USB硬盘支持需要、MTDBLOCK、 FLASH、 网络等设备的驱动程序,保留了对EXT2 支持引导文件系统、VFAT与Windows兼容、NFS支持网络启动,用于调试、MI2 NIXRamDisk支持等类型文件系统的支持,增加了CPLD的驱动程序及对GPS同步、 温 度检测、 环境监控和电源管理等功能的支持. 系统支持程序方面,采用了广泛应用在嵌入式Linux操作系统中的多入口程序 BusyBox和TinyLogin ,实现了90 以上的Linux系统命令,选用了网络管理程序、DOC 写入程序等专用程序,还移植了wu2ftpd、apache2httpd、telnetd等网络服务守护程序,共 同构成了运行支持文件系统. 利用系统工具列出选取的系统支持程序和应用程序运行时需要引用的共享库文件,归 并得到必须的专用Linux系统运行需要的共享库文件.定制出的专用Linux系统功能完 备,所占空间大约为16 MB ,可以满足网络数字地震观测通讯与记录系统的要求. 图2 高精度GPS服务系统结构示意图 1. 3 高精度GPS时间服务系统 如图2所示,主板上的压控晶体 振荡器提供4. 096 MHz的振荡信号. 该信号经过分频后形成PPS秒脉冲 信号,与4. 096 MHz信号一起提供给 数据采集系统作为地震数据采集单元 的时基,同时为整个系统提供时间服 务.压控晶体振荡器的频率可以通过 电压调节电压是通过程序用数字控制 的 , 这样当GPS与卫星系统同步后, 比较GPS的PPS信号与CPLD输出 的PPS信号确定的时间误差和晶体振 荡器输出的频率误差.通过调节控制电压,使钟差和晶体振荡器的振荡频率精度达到要 求,实现系统时间与GPS系统时间同步.在与GPS同步的情况下,该时间服务系统的精 度优于100μs ,频率稳定度优于0. 110 - 6 . 1. 4 WatchDog 由于多种原因会导致系统进入死机状态,这时只需要复位即可恢复工作,但是依靠人 工手动复位很难进行及时处理,而WatchDog就可以很好地执行这项任务.网络数字地震 观测系统中实现的WatchDog包括两个部分独立于系统的WatchDog计时器和核心线 程. WatchDog计时器构建在CPLD上,它独立于SOC系统,初始化就开始计时,计时器 溢出就发出复位信号.正常情况下,核心线程不断回零WatchDog计时器,计时器绝不会 出现溢出,系统正常运行.当系统因某种原因出现死机, Linux核心停止工作,核心线程停 245 地 震 学 报 28卷 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 止复位该计时器,一定时间后约30 s , WatchDog计时器溢出,发出系统复位信号,系统 重新开始工作,系统运行恢复.采用核心线程驱动WatchDog ,可以保证及时、 可靠地检测 到系统死机,保障系统连续运行. 1. 5 地震观测专用软件系统 地震观测专用软件系统是专门设计开发的,用于完成数据收集、 数据记录、 事件检测、 数据服务等功能的应用软件系统.专用软件系统采用了SYSⅤ 标准的共享缓冲区,在其上 构造出循环共享数据缓冲区,用来实现不同进程间的数据交换与通讯.系统程序按Linux 多进程、 多线程的体系结构,采用面向对象的方法分析设计,使用GNU C 编码,充分 利用了Linux系统的多任务特性,结构简单可靠,可以保证系统连续运行.敏感任务具有 自监视线程,可以有效避免任何原因导致程序进入临界状态,保证敏感任务运行正常. 图3是地震观测专用软件系统的结构和数据流程示意图.从图中可看出,来自数据采 集系统的数据首先由数据收集程序收集,写入建立在SYSⅤ 共享内存的循环队列数据缓 冲区.各种数据服务、 事件检测等进程从该数据缓冲区取得数据完成相应的任务.数据记 录进程按照设置把数据记录到DOC内,当到达指定时间或DOC的剩余空间低于一定水平 时,数据转储进程自动打开硬盘或CF卡 , 把存放在DOC内的数据转移到硬盘或CF 卡上. 图3 专用软件系统结构及数据流程示意图 1. 6 实时数据服务系统 实时数据服务是为向台网中心实际的或虚拟的提供实时数据而设计的,在网络数字 地震观测中的数据服务的实现是基于面向连接的TCP/ IP协议的,包括了按需服务和主动 服务以满足不同网络环境的需要. 按需服务应用于普通的网络环境即台网中心和台站可以相互直接访问 . 在此情况 下,在台网中心的客户端与系统建立连接后,首先通过基于Linux系统的用户、 口令管理 体系的用户认证,然后,由客户端提出数据服务请求,系统依据服务请求提供数据服务. 按需服务时,系统可以同时向多个用户提供数据服务,考虑到实际需要和系统的能力,软 件限制为最多同时保持16个链接,也就是说最多可同时向16个数据用户即台网中心提 供实时数据服务. 主动数据服务用于可由台站直接访问中心、 而中心不能直接访问台站的场合.主动数 据服务首先要定制服务,在定制服务时决定数据服务的类型、 接受服务的客户端在台网 中心地址及端口,系统根据定制信息,在适当的时机主动向客户端发起连接并提供数据 服务.系统允许最多同时向4个客户端提供主动数据服务. 345 5期 王洪体等数字地震观测网络通讯与记录系统 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 为了提高数据传输的效率,采用了STEIM2数据压缩算法对数据进行压缩王洪体等, 2004 ,同时采用了应答机制来保证网络状态不好时数据服务的质量. 1. 7 远程维护系统 网络数字地震观测系统的远程维护,同时采用了基于网络的C/ S模式和B/ S模式,两 种模式实现的功能一致.在C/ S模式下,当客户端用授权用户与系统建立连接后,可以查 询、 修改其配置和运行参数,重新启动系统等.在B/ S模式下,用管理员帐号登录系统后, 通过WWW网页调用CGI命令,也可以同等地完成参数修改、 系统设置及系统重新启动 等任务. 2 系统性能分析 本文的数字地震观测网络通讯与记录系统,全面实现了标准的计算机网络通讯的功 能,可以支持多种实时网络数据服务方式,最多可以同时向16个客户提供按需实时波形数 据服务,向4个客户提供主动数据服务,总共可以同时向多达20个客户提供实时波形数据 服务,可以满足不同网络条件下实时网络数据服务的需要,完全可以满足包括虚拟地震台 网的各种数字地震台网组网需求.同时,在应用层标准网络协议的支持下,可以通过多种 方式ftp , telnet , Internet浏览器等进行远程访问、 控制、 配置和数据下载,与标准网络 系统无缝连接,全面满足了数字地震观测对网络通讯功能的要求.此外,在设计方面,充 分考虑到了低功耗和系统连续运行方面的需要,总体功耗水平低于1. 2 W ,通过断电保护、 WatchDog、 系统调度等多种手段保障系统连续运行,系统工作的连续能力与稳定性都上 了一个台阶. 3 讨论和结论 本文介绍的网络通讯与记录系统具有功耗小,运行连续可靠,网络功能标准、 完备, 支持大容量固态存储器等特点.它不仅适于固定台网实时传输观测,也适于现场记录的流 动观测、 强震观测和地震勘探观测等,具有十分广泛的应用前景.此外,由于具有嵌入式 Linux系统支持,比较容易改造提升系统功能,也易于根据不同的需求配置来满足不同的 应用需要. 目前该网络通讯与记录系统已经应用在 “十五” 中国地震局数字地震台网建设的关键设 备中,在国家数字地震台网、 区域数字地震台网、 流动观测和强震观测中广泛使用.其中 的低功耗技术、 大容量存储技术、 连续运行保障技术及高精度时间服务技术等也完全满足 海底地震观测的需要,也将在海底地震观测中得到使用. 下一代互联网技术IPV6正在全球范围内兴起,在国内发展势头也十分迅猛.随着 IPV6的广泛采用,限制互联网使用的地址空间将极大地扩展吴荣辉等, 2005 ,必将推动 基于网络的地震观测技术快速发展,为网络通讯与记录系统的应用提供更大的舞台. Linux系统在支持IPV6方面具有天生的优势,本文介绍的专用嵌入式Linux系统完整地 继承了这方面的优势,其在下一代互联网环境中的应用也具有十分巨大的空间. 参 考 文 献 雷军,李学政,冯永革. 2004.从二十年国际地学计划中看地震观测台网与现代数字地震仪的发展[J ].地球物理学进 445 地 震 学 报 28卷 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 展, 194 819～827 李耿民. 2004.嵌入式地震观测系统单元的设计[J ].地震地磁观测与研究, 254 26～31 滕吉文. 2005.中国地球物理仪器和试验设备研究与研制的发展与导向[J ].地球物理学进展, 202 276～281 滕云田,张炼,王彦,等. 2002. PC104嵌入式模块技术研究及在地学观测仪器设计中的应用[J ].地震学报, 24 4 421～427 王洪体,陈阳,庄灿涛. 2004. SEED格式STEIM2地震数据压缩算法在实时地震数据传输中的应用[J ].地震地磁观测 与研究, 254 14～19 魏银珍,郭唐永,廖承旺. 2005.地震观测仪器网络化探讨[J ].大地测量与地球动力学, 253 133～135 吴荣辉,王建军,续春荣,等. 2005.基于IPV6的地震传感器网络及其应用前景展望[J ].国际地震动态, 10 31～36 游庆瑜,刘福田,冉崇荣. 2003a. MC1微功耗宽频带数字地震仪[J ].地球物理学报, 463 347～351 游庆瑜,刘福田,冉崇荣,等. 2003b.高频微功耗海底地震仪研制[J ].地球物理学进展, 181 173～176 周振安. 2004.地震前兆数据采集器的设计考虑[J ].大地测量与地球动力学, 243 121～123 Yaghmour Karim著 . 2003.韩存兵,龚波改编 . 2004.构建嵌入式Linux系统[M]. 北京中国电力出版社, 163～ 245 Teng Yuntian , Zhang Lian , Zhou Hemin ,et al.2001. An earthquake data acquisition system for mobile observation[J ]. Acta Seismologica Sinica, 145 596～599 A NETWORK COMMUNICATION AND RECORDING SYSTEM FOR DIGITAL SEISMIC OBSERVATION Wang Hongti1 ,2 Zhuang Cantao 2 Xue Bing 2 Li Jiang 2 Chen Yang 2 Zhu Xiaoyi 2 Lou Wenyu 2 Liu Minghui 2 1 Institute of Geophysics , China Earthquake A dministration , Beijing100081, China 2 Institute of Earthquake Science , China Earthquake A dministration , Beijing100036, China Abstract A network communication and recording system based on homemade ARCA2 SOC and embedded Linux operating system is introduced in this paper. It supports TCP/ IP network communication protocol and mass storage medium. It has strong points of self2 monitor , low power consumption , high timing accuracy , high reliability of operation ,etc. It can serve up to 20 centers real2time wave data at the same time. It meets not only the requirements of physical networking observation , but also virtual networking observa2 tion based on internet in which real2time data transmission is required. Its ability of field recording also meets the requirements of portable seismic observation , strong motion ob2 servation and seismic exploration observation ,etc. Key words SOC; embedded Linux ; passive service ; active service ; WatchDog 545 5期 王洪体等数字地震观测网络通讯与记录系统 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 作者简介 孙少安 中国地震局地震研究 所高级工程师. 1988年中国科 技大学地球与空间科学系地球 物理专业毕业.一直从事地球 重力场变化与地震的监测预报 工作.湖北省地震学会会员. 王志才 山东省地震局副研究 员. 1992年中国地质大学武 汉研究生院毕业,获构造地质 学硕士学位; 2004年中国地震 局地质研究所获博士学位.主 要从事活动构造、 新生代构造 和地震安全性评价研究.中国 地震学会会员. 赵 雷 北京工业大学博士 后,工程师. 2004年中国地震 局地球物理研究所固体地球物 理学专业毕业,获理学博士学 位.主要从事建筑结构可靠度 和场地地震反应方面的研究工 作.中国地球物理学会会员. 黄建平 中国地震局地震预测 研究所研究实习员,中国科学 院研究生院在读博士生. 2005 年中国地震局地震预测研究所 固体地球物理专业毕业,获硕 士学位.主要从事地震预报方 法的研究.中国地震学会和中 国地球物理学会会员. 王洪体 中国地震局地震预测 研究所副研究员. 1985年成都 地质学院物探系地震专业毕 业.曾从事人工地震观测、天 然地震观测、 数字地震台网设 计与建设、 数字地震观测系统 开发等工作.现从事数字地震 观测技术研究.中国地震学会 会员. 郑学锋 西北核技术研究所高 级工程师. 1982年成都地质学 院毕业; 2006年西安交通大学 计算机科学与技术专业获博士 学位.主要从事禁核试地震核 查中数据库与系统集成、 信号 与信息处理技术研究.中国核 电子学会和陕西信息处理学会 会员. 于 鹏 同济大学海洋与地球 科学学院副教授. 1999年同济 大学固体地球物理学专业毕 业,获博士学位.一直从事地 球物理正反演方法、 重磁电等 综合地球物理数据处理和解释 等研究工作.中国地球物理学 会会员、 美国SEG会员. 注崔效锋、 刘红桂、 万永革、 敬少群、 张先、 许萍 等的简介分别见本刊 Vol. 21 , No. 5 ; Vol. 25 , No. 4 ; Vol. 19 , No. 6 ; Vol. 27 , No. 4 ; Vol. 18 , No. 1 ; Vol. 27 , No. 6. 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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