（模式识别与智能系统专业论文）地震电磁信息数据采集器及后台软件设计与实现.pdf

at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s 时 f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i l l e e r i n g b y w a n g r o n g s u p e r v i s e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gg u o - b a o s c h o o lo f a u t o m a t i o n s o u t l l e a s tu n i v e r s i t ) r m a r c h2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、 英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研名：强锄 日期：加卜、多 摘要 摘要 论文题目：地震电磁信息数据采集器及后台软件设计与实现 硕士研究生姓名：汪蓉 导师姓名：章国宝 学校名称：东南大学 地震电磁信息数据采集器主要用于单台数字化地震观测和数字化地震台网观测，它将地 震计输出的地震电磁信号进行放大、滤波、采样、量化、数字编码，并对数字信号进行自动 事件检测，将检测到的地震事件以及数字编码信号进行存储和直接传输出去。 本课题设计的地震电磁信息数据采集器用于单台地震观测，配套有相应的软件平台，实 现了对地震数据的采集、记录与分析等功能。本课题的任务是在本实验室研发的以a r m 9 为 主处理器的地震电磁信息数据采集器的硬件平台上，设计实现其软件系统。 本文首先介绍了课题研究背景以及国内外地震电磁信息数据采集器的研究现状，接着根 据硬件平台以及软件功能要求，进行了软件系统的总体方案分析，从而得到了采用c s 软件 构架对采集器软件系统和后台软件系统进行设计的方案。 接着，在介绍完地震数据压缩和地震事件检测算法后，全文根据总体设计方案逐步展开， 分别对采集器软件系统和后台软件系统进行了设计实现。采集器软件系统部分，本课题采用 嵌入式软件的开发方法对系统软件和应用软件进行设计实现：后台软件系统部分，课题采用 面向对象的方法，利用m f c 设计实现了监控软件s e i s m o s 和分析软件s e i s m a n a l y s e 。 然后，本文对软件的调试方法做了介绍，并总结了在调试过程中出现的问题及解决方法。 最后，对本文的工作做了一个总结，给后续的开发工作指出了方向，并对地震电磁信息 数据采集器的发展做了相关展望。 关键词：地震电磁信息数据采集器、a r m 9 、嵌入式、l i n u x 、m i n i s e e d 、s t a ，i 臌、c s 、多 线程、m f c 、软件设计 a b s t r a c t t i t l e ：t h ed e s i g na n di r n p l e m e n t a t i o no fs o 胁a r ef o rs e i s m i c e i e c t r o m a 印e t i ci n f b n n a t i o n c o l l e c t o ra n db a c k o 衔c e m a s t e rc a n d i d a t e ：w a n gr o n g s u p e n ，i s o r ：z h a n gg u o - b a o o r i g a n i z a t i o n ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t ) r t h es e i s m i ce l e c 仃o m a g n e t i ci n f o m a t i o nc o l i e c t o ri sm a i n l y u s e df o ra s i n g l ed i g i t a ls e i s m i c o b s e r v a t i o n 卸dd i g i t a ls e i s m i cn e t w o r ko b s e n ，a t i o n i t se s s e n t i a lf u n c t i o ni st oa m p l i 母粕df i l t e r a n ds a m p l ea n dd i g i t a l l yc 0 d et h es i g n a l sg i v e nb ys e i s m o m e t e r i ta l s on e e d st od e t e c tt h es e i s m i c e v e n ta u t o m a t i c a l l y ，t h e nd e c i d e st 0s t o r et h es e i s m i ce v e n t sa n dd i 百t a ls i g n a l so ro u t p u tt h e m d i r e c t l y t h es e i s m i ce l e c 仃0 m a g n e t i ci n f o m a t i o nc o l l e c t o ro ft h es u b i e c tw h i c hi s u s e df o ras i n g i e s e l s m l co b s e r v a t l o n ，l ss u p p o r t e db ya c o l l r e s p o n d i n gs o f t w a r ep i a t f o r mt oi m p l e m e n tt h ef u n c t i o n s o fc o l l e c t i n g ，r e c o r d i n g ，a n a l y z i n go fs e i s m i ci i a t a t h et a s ko ft h es u b i e c ti st 0c o m p l e t et h ed e s i 辨 a n d i m p l e m e n t a t i o no fs o m v a r ef o rs e i s m i ce l e c 仃o m a g n e t i ci n f o m a t i o nc o l l e c t o r 、h i c hi sb a s e do n t h eh a r d w a r ep l a t f o 册o ft h ee m b e d d e da r m 9 p r o c e s s o r - b a s e d f i r s t l y ，t h i sp 印e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d 粕dt h ed e v e i o p m e n to fs e i s m i c e l e c n 0 m a g n e t i ci n f o r n l a t i o nc o l l e c t o ra th o m ea n da b r o a d a c c o r d i n gt ot h eh a r d w a r ep l a t f o ma n d s o f h a r e 如n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，t h ep a p e ra n a l y s i st h eo v e r a l lp r o g r 锄s o f 讪a r cs y s t e m ，t h e n c o m e st 0 t h ed e s i g nm e t h o d so fu s i n gc sa r c h i t e c t u r et oi m p l e m e n tt h ec o l l e c t o rs o f h v a r ea n d b a c k o f f i c es o f h a r e s e c o n d l y ，t h ep 印e ri n t r o d u c e ss e i s m i cd a t ac o m p r e s s i o na j g o r i t h ma n ds e i s m i ce v e n t s d e t e c t i o na l g o r i t h m a r e rt 1 1 a t ，t h e p a p e ru n f o i d sg r a d u a l l ya c c o r d i n gt ot h eo v e r a l lp r o i e c tp l a n ， d e s i g n sm ec o l l e c t o rs o m v a r ea 1 1 db a c k o f f i c es o 胁a r e t h ep a p e ru s e se m b e d d e ds o 觚a r e d e v e l o p m e n tm e t h o d o l o g yt od e s i g nt h ec o l l e c t o rs o f t w a r ew h i c hi si n c l u d e ds v s t e ms o f 呐a r ca n d a p p l i c a t i o ns o 触a r e t h eb a c k - o 币c es o f h a r ei sd e s i g n e db yu s i n go b j e c t - o r i e n t e da p p r o a c hi 1 1 m f c ，w h i c hi n c l u d e sm o n i t o r i n gs o f t w a r e ( s e i s m o s ) a n da n a l y s i ss o f t w a r e ( s e i s m a n a l y s e ) t h e n ，t h es o f h v a r cd e b u g g i n gm e t h o di si n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l y i i la d d i t i o n ，t h ep r o b l e m si n d e b u g g i n ga n ds o l u t i o n sa r es u m m a r i z e d f i n a l l y ，ab r i e fs u m m a r 讫ei sd e s c r i b e d 卸dt h ef o l i o w i n gr e s e a r c hw o r ki sd i s c u s s e d ， e s p e c i a l l yt h ee x t e n s i o n so fs e i s m i ce l e c t r o m a 呈皿e t i ci n f o m a t i o nc o l l e c t o r k e y w o r d s ：s e i s m i ce l e c t r o m a g n e t i ci n f o r n l a t i o nc o l l e c t o r ，a r m 9 ，e m b e d d e ds y s t e m s ，l i n u x ， m i n i s e e d ，s 可蜘l 1 a ，c s ，m u l t i t i l r e a d ，m f c ，s o 胁a r ed e s i g n n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i l 目勇专i i i 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景及意义l 1 2 相关技术的研究现状l 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状3 1 3 本文研究内容及章节安排4 第二章需求分析及总体设计5 2 1 采集器硬件平台介绍5 2 2 功能需求6 2 3 总体方案设计6 2 3 1 软件构架7 2 3 2 采集器软件8 2 3 - 3 后台软件9 2 3 4 数据存储管理l0 2 4 本章小节1l 第三章地震信息数据相关处理算法及实现1 2 3 1 地震数据压缩1 2 3 1 1m i n i s e e d 数据格式1 2 3 1 2s t e i m 2 压缩1 4 3 1 3 数据压缩算法。1 4 3 1 4 数据解压算法。1 5 3 2 地震事件检测16 3 2 1s 1 a i 丑气原理【1 4 j 1 6 3 2 2s 1 、a i 胎算法18 3 3 本章小节2 0 第四章采集器软件系统的设计2 l 4 1 系统软件的设计2 l 4 1 1 交叉开发环境的建立2 l 4 1 2b o o t l o a d e r 的设计2 2 4 1 3 嵌入式操作系统的设计。2 3 4 2 应用软件的设计2 9 4 2 1 串口通信的实现2 9 4 2 2 网口通信的实现3 3 4 2 3 数据存储管理4 0 4 2 4 多线程设计与实现4 5 4 3 本章小节4 7 第五章后台软件系统的设计一4 8 5 1 实现中涉及的m f c 技术4 8 n i 目录 5 1 1m f c 类4 8 5 1 2 单文档视图4 9 5 1 3w i n d o w s 图形界面编程技术【3 3 】4 9 5 1 4m f cs o c k e t 编程技术5 0 5 2 监控软件s e i s m o s 设计及实现5 0 5 2 1 软件功能需求分析5 0 5 2 2 程序主要类设计5 2 5 2 - 3 软件具体实现5 5 5 3 分析软件s e i s m a n a i y s e 设计及实现6 0 5 3 1 软件功能需求分析6 0 5 3 2 程序主要类设计6 0 5 3 3 软件具体实现6 2 5 4 本章小节6 5 第六章软件调试6 6 6 1 调试方法的选择。6 6 6 2 调试中遇到的问题6 7 6 3 本章小结6 7 结束语6 8 致谢6 9 参考文献7 0 作者在攻读硕士学位期间发表的论文7 2 i v 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 第一章绪论 地震是世界上最凶恶的敌人，它是对人类生存安全危害最大的自然灾害之一。而地震的 发生又是极其频繁的，全球每年发生地震5 0 0 万次，且看近几年来全球比较大的地震灾害： 2 0 0 8 年5 月1 2 日，我国四川省汶川县发生8 0 级地震，截至当年9 月2 5 日，汶川地震 确认6 9 2 2 7 人遇难，3 7 4 6 4 3 人受伤，失踪1 7 9 2 3 人。 2 0 0 9 年4 月6 日，意大利首都罗马以东约1 0 0 公里的山城拉奎拉发生5 8 级地震，致使 近3 0 0 人死亡，财产损失严重。 2 0 0 9 年9 月3 0 日，萨摩亚群岛地区发生8 o 级强震，致死1 0 0 多人；同日，印尼苏门答 腊岛南部发生7 7 级地震，1 0 0 0 多人遇难【1 1 。 2 0 l o 年1 月1 2 日，海地发生7 3 级地震，联合国2 月2 3 日称，海地大地震造成的死亡 人数已经上升至2 2 2 5 万人，并且还有超过5 0 的产值随着灾难的降临而被摧毁，由于物资 短缺，灾区物价全面飞涨，海地政府还需面对大量灾民和遗孤安置以及灾后重建难题。 面对地震一次次对人类带来的重创，人们强烈的要求防震减灾的科技能力与地震对社会 经济生活影响之间的差距必须不断缩小，于是，地震观测技术的提高就显得至关重要。 在地震的孕育过程中，震源区及其周围介质会随着应力的不断增强集中而发生某些变化。 裂隙增多、裂纹串通和进水等都会加剧介质的各向异性，从而导致在介质中传播的地震波的 波形、振幅及波速等也随之发生一系列变化【2 】。充分利用地震波所携带的各种异常信息，探 索和研究震前地震波振幅比的异常特征，无疑是实现地震观测的一个途径。 随着电子技术以及通信技术的发展，地震波观测的方式也日趋先进和完善，数字化地震 观测已成为世界发展的潮流。数字化地震观测系统把地震波形记录在计算机中，因而便于用 计算机进行处理。通过自动处理和人机交互处理，能从地震记录中快速读取数据，进行震源 位置和地震大小的分析与测定。同时，由于数字化系统的引入，加上新型地震计的使用，有 可能获取宽频带、大动态范围的地震波记录，从而得到关于地震震源和地震介质更丰富、更 完全和更真实的信息，给地震监测、地震速报、地震和地球物理科学研究带来极大帮助。 随着国家数字地震台网的建设，对地震数据采集器也提出了越来越高的要求。地震数据 采集器的作用是将地震计输出的地震电磁信号进行放大、滤波、采样、量化、编码成数字信 号，并进一步对此数字信号进行自动事件检测，将检测出的地震事件进行存储或传输出去， 或将编码数字信号直接传输出去l 引。 本课题来源于江苏省地震局的委托项目地震电磁信息数据采集器的开发。这款设备 主要用来配套d u f i 型临震电磁信息监测仪，用于单台地震观测，以实现地震数据采集、记 录与分析，这对于地震信号的研究是具有重要研究价值与实际应用价值的，同时对于地震观 测与预报也具有重要意义。 1 2 相关技术的研究现状 目前国内外的地震数据采集器主要朝着以下几个方面发展： l 、多通道数据采集。在地震监测中，多通道地震计广泛使用。多通道地震计输出的是多 个方向的地动信号，因此，地震数据采集器连接一台多通道地震计则需要多个通道来采集多 通道的地动信号。 东南大学硕士学位论文 2 、采集精度。目前，市场上的地震数据采集的位数主要有1 6 位和2 4 位两种，其中以 2 4 位居多。 3 、时间服务精度。地震数据采集器的结构中，时间服务是个核心技术问题，保证采集时 间精度，就可以保证地震数字震相的识别精度，以及进行分析处理的精度。 4 、标定功能。采集器普遍内置标定信号发生器，能够提供方波及正弦波，其频率、幅值、 持续时间均可调。 5 、滤波。采集器需要完成对多通道，d 转换读取及数字滤波处理。 6 、配套软件。提供专业软件或者通用软件，串口或网络进行实时数据输出，提供大容量 的地震数据存储介质，对地震数据进行压缩存储与自动地震事件检测，对地震数据进行实时 监控与分析。 1 2 1 国外研究现状 国外，地球物理学相关仪器的开发制造厂商主要有美国的k i n e m e 仃i c s ，瑞士s y s c o m 和g e o s i g 。 k i n e m e t r i c s 成立于1 9 6 9 年【训，用户遍布全球l o o 多个国家。其产品主要用于全球地震观 测台网，以及桥梁、水坝、建筑物和核能设施的地震观测。目前用k i n e m e t r i c s 仪器收到的地 震记录数量居全球之首。 在地震数据采集器的产品方面，k i n e m e t r i c s 研发了一款数字记录器a l t u sm a k a l u ，如图 1 1 所示。它是一种2 4 位数字记录器，在高动态范围传感器使用时，可提供高分辨力的数据。 m a k a l u 可以作为单独的记录器使用，也可在地震监测网络配置中作数字化仪器使用。 m a k a l u 是动态范围约为1 3 0 d b 的2 4 位数字记录器，可与市场上大多数地震计和加速度 计相连。m a k a i u 具有可同时进行数据获取及询问的多任务操作系统，由于用g p s 时间系统同 步采样，时间精度可达0 5 毫秒，可以数字化输入信号并对所有通道用g p s 接受器按时归类 数据。m a k a l u 使用先进和灵活的压缩数据形式进行传输，可最大限度地利用有限的遥测带宽， 从而降低网络费用。标准的m a k a l u 仪器有3 个高分辨率a ，d 转换器( 2 4 位) 和一个记忆卡， 还可选用外加通道和存储媒质。m a k a i u 对系统事件或自动诊断失效具有远程报警能力，可与 a l t u s 家族的其他类型记录器互连共用触发和共享g p s 功能，同时可与a l t u s 家族其他类型的 记录器具有通用的用户界面、文件格式、和支持工具。 m a k a l u 可配套使用q u i c k t a l k 、q u i c k l 0 0 k 、a n t e l o p e 、e a n h w o n n 、n m s 、 s m a i 汀s 、 p s d 、s m a 和l q c o s m o s 等软件，为用户提供友善环境，可令系统设置、通信及快速数据 分析更快捷。 q u i c k t a l k ：基于w i n d o w s 的控制和数据回收程序，用于直接连接或调制解调器的方便设 置和数据回收。 q u i c k l o o k ：基于w i n d o w s 的数据回收程序，用于快速查阅波形和事件信息，也可操作 d o s 通信软件。 a n t e l o p e ：商业综合网运行和管理系统，可为中等和较大的网络使用。 e a n h w o m ：公共域网综合运行和管理系统，可为中等和较大的网络使用。 n m s ：基于p c 机的商业网络管理系统，可为小至中等尺度的网络经由调制解调器或实 时数据使用。 s m a r t s ：商用的、开放结构式的、用户可扩展的实时数据收集和处理软件，可在多种 计算机上使用。 p s d ：商用的、地震数据分析用的膺谱密度软件。 s m a ：商用的、地震数据分析和处理用的强震分析软件。 k 2 c o s m o s ：从a l t u se v t 文件格式转换到c o s m o sv 1 2 0 版本格式的转换软件【5 1 。 2 第一章绪论 图1 1k i n 锄e t r i c s 的a l t u sm a l ( a l u图1 2s y s c o m 的m r 2 0 0 2 s m 2 4 此外，瑞士s y s c o m 也有一款强震记录仪m r 2 0 0 2 s m 2 4 ，如图1 2 所示。这是一款2 4 位分辨率强震记录仪，有3 ( x ，y z ) 个数据通道，内置g p s 引导的电压控制晶体振荡器，内部 v 9 2 调制解调器，用于远程访问，同时使用以太网接口( 1 0 1 0 0b a s e t i s o8 8 7 7 ) ，通过 w 曲浏览器配置( 通过h t q p s 或s n m p 远程配置) 。 1 2 2 国内研究现状 国内，在地震采集器研发和生产方面，北京港震机电技术有限公司和珠海泰德企业有限 公司占有着国内的主要市场。 作为集产品研发、制造和提供系统解决方案的高科技实体，北京港震公司致力于数字化 地震台网( 台站) 系统以及与振动测量有关的技术系统的各项设备和软件的研发、系统集成与 推广。在地震数据采集的产品方面，港震的主要产品是e d a s 2 4 l 3 6 地震数据采集器，如图 1 5 所示。 图1 3 港震的e d a s 2 4 l 3 6 地震数据采集器 e d a s 2 4 l 3 6 型地震数据采集器是一台高分辨率、大动态范围的地震数据采集设备。数 据采集部分采用了2 4 位模拟数字转换器，高分辨率，大动态范围，同时采用高速数字信号处 理器( d s p ) 实现采样数字滤波。e d a s 2 4 l 3 6 提供两个标准r s 2 3 2 c 串口，配合先进的看 门狗电路及软件，连续不问断地输出实时数据流。e d a s 2 4 l 3 6 采用+ 1 2 v 单电源供电，能够 在没有交流电的场合使用，其内部具有高效的低噪声的d c d c 转换电路使其能适应+ 9 1 8 v 宽电压输入。e d a s 2 4 l 3 6 不仅可以应用到固定台站，而且低于l w 的功耗使其可以扩充到 对功耗要求比较高的流动观测领域【6 j 。 e d a s 2 4 l 3 6 的配套软件有港震s e d s p 单台地震数据处理软件和港震n e d s p 队s 地震 数据分析软件，实现进行地震数据处理和分析。 珠海的泰德企业有限公司研发生产的t d e 系列地震数据采集器是一套2 4 位地震数据采 集器，如图1 4 所示。该采集器的特点是高性能、高精度、低功耗、程控增益、现场模数转 换、高集成度、动态范围大、运行稳定可靠。采集器将拾震计输出的模拟信号转化成数字信 号，同时通过接收g p s 信号产生精确定时，然后经过数字滤波并抽样为所需要的地动数据， 并以串口数据的格式输出，以便于进行数字传输和计算机处理。该采集器可以同d s 1 、d s 4 a 、j c v 1 0 0 、f b s 3 a 、s 1 3 、b b 1 3 、j d 1 等地震计相连。 t d e 系列地震数据采集器已经安装在国内许多省市如上海、重庆、广州、唐山、福建、 了 进 器 第二章：介绍地震电磁信息数据采集器软件系统的总体方案设计。在功能需求分析的基 础上，根据采集器硬件平台，确定了软件的设计方案，具体包括采集器软件和后台软件的设 计。 第三章：介绍了软件设计中涉及的地震行业信息数据处理的相关算法及实现，包括地震 数据压缩和地震事件检测。 第四章：介绍了采集器软件系统的设计与实现，其中就系统软件和应用软件分别进行设 计。 第五章：介绍了后台软件系统的设计，该系统包括2 个软件：监控软件s e i s m o s 和分析 软件s e i s m a n a l y s e 。 第六章：介绍了整个软件系统的调试以及遇到的问题及解决。 结束语部分为文章的最后一部分，对自己在课题中的工作进行了总结，并对地震电磁信 息数据采集器的进一步发展做出了展望。 4 第二章需求分析及总体设计 第二章需求分析及总体设计 地震电磁信息数据采集器主要的作用就是将从地震计来到的地震电磁信息模拟信号，进 行a d 转换、存储、观察以及分析，从而实现一个完整的地震电磁信息数据采集系统。本课 题开发的地震电磁信息数据采集器，根据江苏省地震局的要求，用来配套d u f i 型临震电磁 信息监测仪，如图2 1 所示。 d u 卜i 型临震电磁 地震模拟数摆 地震电磁信息 采集器信息监测仪 2 1 采集器硬件平台介绍 图2 1 地震电磁信息数据采集系统 地震电磁信息数据采集器硬件平台，由实验室的其他同学设计，其硬件框图如下图2 2 所示。 超低频n s_ 卜2 4 位a d c ! - 超低频e w_ -2 4 位a d c ! - c 割g p s 接 点频n s _ _ 叫-2 4 位a 矗司_ - 光 j 电 d s p 羚 串口通呐 点频e w _ 叫2 4 位a d c ! 一-耦 以a n r a m 合 标定信号输出电路l 一 r t c 实时时钟电路! - 剐串口通信卜一 、 ：二爿赂2 3 2 超级终墙口 n a n d f l a s h 1 ： w 9 0 p 9 5 0 、 7 ：二爿r 2 3 2 实时数据口 s d r l m 匡兰耋 内 大容量f l a s h辱冷 置 n o rf l a s h = 刊 外置u s b ut 小 n 、 闪存 ， s 剑l a n b 图2 - 2 硬件总体框图 为了本文软件系统实现时描述的方便性，将其分成以下4 个模块： ( 1 ) a r m 板：包括核心板和接口板。核心板：c p u 型号为w 9 0 p 9 5 0 ，内核为a r m 9 ， 最高主频2 0 0 m h z ；s d r a m 型号为w 9 8 1 2 g 6 g h 6 ，容量2 m 4b a n k s 1 6b i t s ，1 6 6 m h z ； n o r f l a s h 型号为w 1 9 8 3 2 0 a b t ，容量2 m 1 6 b i t s ：n a n df l a s h 型号为k 9 f 1 g 0 8 u o d ， 容量为1 2 8 m 8b i t s ；l 订c 芯片为m a x i m 公司的d s 3 2 3 l ，提供地震信息采集中时间系统。 接口板：2 个u s b 2 o ，1 个l o l o o m 以太网口，3 个串口，一个j t a g 口以及接插件。核心 板实现了a r m 9 的最小系统，通过接插件将接口信号线传输给接口板，由接口板来实现具体 s 东南大学硕士学位论文 的接口电路。接口板的高速串口l 用于与d s p 板通信，串口2 用于与标定板和电源板通信。 ( 2 ) d s p 板：由d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和2 4 位a d 芯片a d s l 2 5 5 为核心，以实 现4 通道2 4 位，d 数据采集转换，从而实现了地震电磁信息数据的数字化。同时其连接了 g p s 接收机，以接收授时信号和定位信息。 ( 3 ) 标定板：提供方波和正弦波组标定信号的电流和电压输出，波形频率范围 o 1 h z 一3 8 3 3 舷，输出波形幅度可调，其中电压范围5 v ，电流为5 m a ，输出波形个数可 调。 ( 4 ) 电源板：为采集器各电路提供电源转换。同时其内置g p s 接收机，通过串口向a r m 板发送授时信号和定位信息。 2 2 功能需求 地震电磁信息数据采集器在d s p 板上已经实现了舳转换，所以在软件系统功能上主要 实现地震电磁信息数据存储、观察以及分析，由此，江苏省地震局提出了如下具体要求： l 、地震电磁信息数据压缩存储功能 采集器应具有将4 通道地震电磁信息数据以m i n i s e e d 的格式进行压缩的功能，地震电磁 信息数据压缩文件存储到非易失的固态存储介质中。 2 、地震电磁信息数据分钟文件存储功能 采集器除了对4 通道数据进行压缩存储外，还应该对地震电磁信息数据每6 0 s 内的地震 数据的绝对值进行求和取平均值的运算，并将计算结果以一定的格式写入一分钟文件中，存 储到非易失的固态存储介质中。 3 、地震事件检测存储功能 采集器应具有将4 通道地震电磁信息数据按照s t a i 聪算法进行地震事件判断，将地震 事件文件存储到非易失的固态存储介质中。 4 、事务管理功能 采集器应具有一定的事每管理能力，主要是用户，台站参数，网络参数，采样频率，标 定参数，环境参数等的设置与查询功能。 5 、地震电磁信息数据观察分析功能 根据设定参数显示方式进行观察和分析地震电磁信息数据。 6 、数据服务 采集器可提供控制台服务( 比如f t p 服务、h t t p 服务) ，实现数据的远程服务。 2 3 总体方案设计 根据地震电磁信息数据采集器的硬件条件以及软件功能需求，软件系统采用采集器软件 ( 运行于采集器) + 后台软件( 运行于p c 机) 的开发方式进行设计。采集器，是一个基于 a l 洲9 为内核的嵌入式系统平台，后台软件运行在以w i n d o w s 作为操作系统的普通p c 机上， 它们之间通过以太网进行数据流的通信，系统架构图如图2 3 所示。 6 第二章需求分析及总体设计 2 3 1 软件构架 图2 3 系统软件架构 本课题中地震电磁信息数据采集器软件系统采用采集器软件系统+ 后台软件系统的开发 模式，采集器与p c 机通过以太网进行数据通信。从图2 3 可知，采集器与p c 机属于一对多 的通信模式，在软件构架上可以采用如下两种方案。 方案一：c s 结构 c s 结构，即c l i e n t s e r v e r ( 客户机服务器) 结构，是一种熟知的软件系统体系结构，通 过将任务合理分配到c l i e n t 端和s e r v c r 端，降低了系统的通信开销，可以充分利用两端硬件 环境的优势。c s 结构通常是指数据服务和应用服务安装在一台或多台服务器硬件上，用户 通过用户端的程序访问服务器提供的资源博l 。 方案二：b s 结构 b s 结构，即b r o w s e r s e n ，e r ( 浏览器服务器) 结构，是随着i n t e m e t 技术的兴起，对c s 结构的一种变化或者改进的结构。b s 结构，服务器端没什么变化，但前端不需要安装程序， 只要有浏览器就可以了。b s 结构，主要是利用了不断成熟的w w w 浏览器技术，结合浏览 器的多种s c r i p t 语言( v b s c r i p t ，j a v a s c r i p t ，) 和a c t i v e x 技术，用通用浏览器就实现了原来 需要复杂专用软件才能实现的强大功能，并节约了开发成本，是一种全新的软件系统构造技 术【8 1 。 下面就c s 与b s 在应用中涉及的几方面，做了一下比较，具体见表2 1 。 表2 1c ，s 与b s 区别 c sb s 硬件环境一般建立在专用的网络上，小范围里的网络建立在广域网之上，不必是专门的网络硬件环 环境，局域网之间再通过专门服务器提供连境；信息需要自己管理。 接和数据交换服务。 安全要求般面向相对固定的用户群，对信息安全的建立在广域网之上，面向是不可知的用户群，对 控制能力很强。安全的控制能力相对弱。 程序架构可以更加注重流程，可以对权限多层次校出于对安全以及访问速度的多重的考虑，建立在 验，对系统运行速度可以较少考虑。需要更加优化的基础之上。 软件重用为整体性考虑，构件的重用性不够好。 采用多重结构，要求构件具有相对独立的功能， 能够较好的重用。 东南大学硕士学位论文 系统维护由于整体性，必须整体考察，处理出现的问由构件组成，构件更换方便，可实现系统的无缝 题以及系统升级时，可能是再做一个全新的升级。系统维护开销小，升级方便。 系统。 处理问题 可以处理用户固定，相同区域，安全要求高 建立在广域网上，面向不同的用户群。有分散地 和操作系统相同的问题。域的问题，与操作系统平台关系小。 用户接口多建立在操作系统平台上，表现方法有限；建立在浏览器上，有更加丰富和生动的表现方式 对程序员普遍要求较高。 与用户交流；大部分难度减低，开发成本低。 信息流一般采用典型的中央集权的机械式处理，交信息流向可变化，如b b ，b c ，b g 等方式， 互性相对低。更象交易中心。 通过比较，很显然，b s 结构将极大地减少客户端程序的维护工作，甚至可以说基本不 用维护。但是，因为目前浏览器提供的界面和功能有限，程序界面的友好性不是很好。如果 在局域网上，可以用a c t i v e x 控件来扩展浏览器的功能，但如果网络带宽不够，运行效率成 为问题。另一方面，不同的浏览器对a c t i v e x 的支持也不同。 c s 一般面向相对固定的用户群，对信息安全的控制能力很强，一般高度机密的信息系 统采用c s 结构适宜。b s 建立在广域网之上，对安全的控制能力相对弱，面向是不可知的 用户群。而且，c s 结构的软件具有很强的功能和很好的界面。唯一的问题是维护工作比较 大，尤其是用户多，分布广的时候。但对于本课题设计的地震电磁信息数据采集器，用户是 专业的地震领域的研究人员，所以适合采用c s 结构。 同时，对于本课题，采集器仅仅是一款以a l 洲9 为核心的嵌入式开发平台，数据处理速 度以及数据存储能力是有限的。而客户端则是以w i n d o w s 作为操作系统的p c 机，数据处理 速度以及数据存储能力都能够保证在其上运行专业的后台软件。同时从开发成本和技术上综 合考虑，采用c s 结构都是很好的选择。 所以，经过分析，本课题软件设计采用了c s 结构的软件架构，采集器作为s e n r e r 端， p c 机作为c l i e n t 端。 2 3 2 采集器软件 一、具体功能 根据硬件环境、软件需求以及软件架构，可以将采集器软件系统功能进行具体细化： l 、数据存储管理 采集器对实时地震电磁信息数据，使用m i n i s e e d 格式进行压缩存储和分钟存储。同时， 对实时地震电磁信息数据采用s t 肌t a 算法进行地震事件检测，并对其进行存储。存储介质 可选采集器n a n df l a s h 和采集器u s b 接口挂载的u 盘。 2 、参数设置、查询功能 采集器通过以太网接收后台软件发送的设置、查询命令。 3 、数据通信 采集器通过以太网与访问客户通信，将地震电磁信息数据实时的传送给客户端，以便客 户端实现实时监控；同时接收客户端发送的设置、查询参数。 4 、f t p 服务功能 采集器提供f 1 1 p 服务，提供u 盘上的数据给客户端。 根据以上的4 个功能，可以清楚的得到数据处理流程图，如图2 4 所示。 8 第二章需求分析及总体设计 采l 集地震 器 嚣 电源板 雾譬萎荐ii 券毳耋篓ii 压缩算法分钟文件i1 分析算法ii 一开m 波形分钟ll 地震信息l| 实时波形 文件 i 文件 文件 u 盘 设 置 及 查 询 参 数 图2 - 4 数据处理流程图 二、开发方式 采集器是一个以删9 为核心的嵌入式系统，开发中，嵌入式的软件系统平台一般分为 系统软件( 包括b 0 0 t l o a d e r 和嵌入式操作系统) 和应用软件两部分。这两个部分有机的结合 起来就构成了一个完整的嵌入式软件系统，对于本课题，采集器的平台结构如图2 5 所示。 硬件驱动程序 硬件