电子论文-数字地震观测网络通讯与记录系统

1、第28卷第5期地震学报Vol.28,No.52006年9月(540545AC TA SEISMOLO GICA SIN ICA Sep.,2006文章编号:025323782(20060520540206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21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,

2、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

3、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

4、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;Teng et 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F TP,H T TP,3国家重点基础研究发展项目(2001CB71100521资助.中国地震局地球物理研究所论著06AC1034.20062012

5、12收到初稿,2006206212决定采用修改稿. 通讯作者.E2mail:hongti2wangTELN ET 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DSP 2TMS320和国产方舟SOC 2GT2000两个CPU 系统.其中

6、以DSP 2TMS320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SOC 2GT2000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(Yaghmo ur ,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SOC 2GT2000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RS 2232串口、512kB Boot Flash 存储器、64MB 静态存储器、256Bit CPLD 、128MB DOC

7、 ,再加上SOC 2GT2000本身的一个控制台接口、两个U SB 接口和一个10/100M 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U SB 接口连接CF 卡(最多可达8G 或硬盘(最多可达30G ,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

8、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1455期王洪体等:数字地震观测网络通讯与记录系统括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FL ASH存储器内,系统上电时自动执行,完成加

9、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、U SB、SCSI (U SB硬盘支持需要、M TDBLOC K、FLASH、网络等设备的驱动程序,保留了对EXT2 (支持引导文件系统、V FA T(与Windows兼容、N FS(支持网络启动,用于调试、M I2 N IX(RamDisk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Busy

10、Box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wu2ftp d、apache2httpd、telnet d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16MB,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4.096M Hz的振荡信号.该信号

11、经过分频后形成PPS(秒脉冲信号,与4.096M Hz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100s,频率稳定度优于0.1×10-6.1.4W atchDog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

12、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卷止复位该计时器,一定时间后(约30s ,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W

13、atchDog ,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S YS 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

14、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S YS 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

15、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

16、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.3455期王洪体等:数字地震观测网络通讯与记录系统445地震学报28卷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,

17、通过WWW网页调用C GI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

18、,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1.2W,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

19、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

20、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.地球物理学进期 5 王洪体等 : 数字地震观测网络通讯与记录系统 展 , 19 (4 : 819827 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 , 25 (4 : 2631 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 , 20 (2 : 276281 545 滕云田 , 张炼 , 王彦 , 等 . 2002. PC104 嵌入式模块技术研究及在地

21、学观测仪器设计中的应用 J . 地震学报 , 24 ( 4 : 421427 王洪体 , 陈阳 , 庄灿涛 . 2004. SEED 格式 S TEIM2 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 , 25 (4 : 1419 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 , 25 (3 : 133135 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 : 3136 游庆瑜 , 刘福田 , 冉崇荣 . 2003a.

22、MC1 微功耗宽频带数字地震仪 J . 地球物理学报 , 46 (3 : 347351 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 , 18 (1 : 173176 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 , 24 (3 : 121123 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 He

23、min , et al . 2001. An eart hquake data acquisition system for mobile observationJ . A ct a S eismologica S i nica , 14 (5 : 596599 A NETWORK COMM UNICATION AND RECORD ING SYSTEM FOR D IGITAL SEISMIC OBSERVATIO N Wang Ho ngti1 ,2 Zhuang Cantao 2 Xue Bing2 J iang2 Li Chen Yang2 Zhu Xiaoyi2 u Wenyu2 L

24、o Liu Minghui2 1 I nstit ute of Geop hysics , Chi na Eart hquake A d mi nist ration , B ei j i n g 100081 , Chi na 2 I nstit ute of Eart hquake S cience , Chi na Eart hquake A dmi nist ration , B ei j i n g 100036 , Chi na tio n based o n internet in which real2time data t ransmissio n is required.

25、It s abilit y of field servatio n and seismic exploratio n o bservatio n , etc. Key words : SOC ; embedded Linux ; passive service ; active service ; WatchDo g © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. t he requirement s of p hysical net wo rking o bse

26、rvatio n , but al so virt ual net working o bserva2 recording also meet s t he requirement s of portable seismic o bservatio n , st ro ng motio n o b2 Abstract : A net work co mmunicatio n and recording system based o n ho memade A RCA2 SOC and embedded Linux operating system is int roduced in t his

27、 paper . It support s TCP/ mo nitor , low power co nsumptio n , high timing accuracy , high reliabilit y of operatio n , etc. IP net work co mmunicatio n p rotocol and mass storage medium. It has st ro ng point s of self2 It can serve up to 20 centers real2time waveform data at t he same time. It meet s not o nly 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