地震前兆仪器网络通信单元运行效能提升

瞿 旻 戴 波 单 菡 宫 杰

（中国南京 210014江苏省地震局）

地震前兆仪器网络通信单元运行效能提升

瞿 旻 戴 波 单 菡 宫 杰

（中国南京 210014江苏省地震局）

介绍地震前兆仪器网络通信单元硬件及程序工作原理，对影响前兆仪器网络通信单元运行性能的常见原因进行分析，包括：系统供电环节、模块环节、工控机接口环节、数据存储环节。作者对各个环节中存在的故障进行分析，并在结合运行原理及实践总结的基础上，提出并实施技术解决方案，有效提高了前兆仪器网络通信单元的运行效能。

地震前兆网络通信单元；工作原理；运行效能；技术实现

0 引言

目前，“十五”地震前兆仪器囊括电磁、形变、流体3大学科各种手段，地震专业仪器也由原来的人工模拟日均采样发展到全自动、网络化的分、秒采样，全方位、多角度地为地震分析预报工作提供详实可靠的前兆数据（曲利等，2012）。现阶段地震前兆仪器按功能可以分为3部分：传感器、数据采集器和网络通信单元。传感器将测量的物理量转换为模拟量电信号传输至数据采集器，经信号放大、滤波、模数转换后，将数据通过串口传输至网络通信单元，网络通信单元负责外设管理、数据处理、数据存储和通信（滕云田等，2002）。从各类地震前兆观测仪器的性能上看，传感器技术及信号处理技术经过“九五”项目运行，发展的较为成熟；网络通信技术由于自身的通用性和应用环境的不同，在不同地震前兆观测仪器中的应用效果各不相同。在数字化、网络化的发展趋势下，地震前兆观测仪器的网络通信效能直接影响了地震观测数据的有效性与及时性，可以说前兆仪器网络通信单元的运行水平决定了地震前兆观测数据质量。

截至2015年底，江苏省地震前兆台网各类在运行前兆观测仪器共254套，均使用网络通信单元实现网络通信功能。随着近年来各种大型建设项目的陆续开展，地震前兆观测仪器数量逐年增加，为保证仪器连续、稳定的高质量数据产出，江苏省地震局技术运维人员通过各种方式的技术改进，保障了网络通信单元正常运行（江昊琳等，2014），提高运行效能。

1 硬件构成

地震前兆网络通信单元的硬件构成有2种：①基于ARM+DSP架构的开发板（瞿旻等，2013），该类型网络通信单元在运行观测仪器数量少，技术应用时间短，不作为本文研究对象；②由PC104、电源适配器和DC/DC模块3个部分组成的网络通信单元，如

图1所示，电源适配器把220 V交流电转换成12 V直流电，DC/DC模块把输入的12 V直流电转换成5 V电压，提供给PC104（即工控机），PC104提供丰富的外设接口，包括：USB接口、打印接口、显示器接口、网口、鼠标接口、键盘接口、串口等。

地震前兆仪器网络通信单元采用嵌入式系统PC104，具有较高集成度，外型紧凑小巧，低功耗、成熟的标准体系结构，以及专业设计、专业生产带来的高可靠性等特点，兼容PC的软件、硬件、外设，开发工具比其他体系丰富、便宜，并且对系统维护具有广泛技术支持，利于扩展、升级和系列化（王兰炜等，2008）。

PC104总线信号与ISA总线相同，各个接口地址和定义，如打印口寄存器、串行口数据和状态寄存器、中断号和入口地址、DMA操作方式与通用微机完全相同，程序设计也是一致的（滕云田等，2002）。PC104硬件结构见图2。

图1 网络通信单元硬件结构示意Fig.1 Schematic diagram of network communication unit hardware structure

图2 PC104硬件结构Fig.2 Hardware structure block diagram of PC104

网络通信单元采用精简版Windows 98作为操作系统，该操作系统运行稳定、可靠，可以高效管理各种端口、外设和系统内存，执行多任务，用户接口VI简单，编程方便，用户界面友好。

2 网络通信单元效能影响环节

常见网络通信单元技术故障有：电源适配器损坏、应用程序无响应、存储卡损坏、存储卡容量不足、PC104时间错误等，可归为系统供电环节、模块环节、工控机接口环节、数据存储环节的技术故障。下文对比常见故障进行技术分析，并提出相应改进方法。

2.1 系统供电环节

目前网络通信单元系统供电采用电源适配器实现，大部分电源适配器为采用输入100—240 V/0.2 A/50—60 Hz交流、输出12 V/3 A直流的开关电源。根据日常维护实践总结，造成该环节故障的原因有：①长期满载运行，内部元器件老化；②观测环境温度过高，导致开关电源超过工作温度范围运行；③灰尘过多沉积，引发故障隐患；④谐波影响。

从开关电源损坏的外在因素分析，选择合适的开关电源，在满足功率需求的前提下，

应选择符合安全规定及电磁兼容（EMC）认证的开关电源。目前国内开关电源市场鱼龙混杂，选择高质量的开关电源应该考虑：抗干扰性能好，可靠性能高；直流纹波小；工作温度低；绝缘性能好；具有短路保护、过载保护、过电压保护功能。

从江苏地区实践经验看，该地区空气湿度大、夏季炎热，大部分台站为无人值守台站，且大部分未安装空调。这些因素导致网络通信单元系统供电模块的长期超负荷运转，加速设备老化，从而引发各类相关故障。

为了提升系统供电稳定性和效能，可以采用以下方法进行技术保障：①定期更换开关电源，周期约为2年；②定期对无人值守台站进行巡检，及时清理台站环境，有条件时可对仪器内部进行初步的除尘处理；③有条件的台站可考虑夏天时用空调降温除湿，改善仪器运行环境。

2.2 模块环节

工控机PC104采用5 V供电，前兆网络通信单元内部的DC/DC模块把输入的12 V电压转换为5 V电压。对DC/DC模块的技术分析，需要考虑其输出特性，如输出电压精度、负载效应、源效应、纹波及噪声、温度系数、隔离电压、存储温度、相对湿度、工作温度、最大壳温等。通常所选DC/DC模块应达到以下要求，见表1。

表1 DC/DC模块选型参数Table 1 DC/DC module selection parameters

可用万用表电压档分别测量DC/DC模块的输入、输出端，以确定DC/DC模块好坏。

影响DC/DC模块运行的因素主要有：模块老化造成工控机运行不稳定，雷雨天气时的瞬时过电压过电流，瞬间外部供电故障（农电不稳定、UPS故障等）。为了提升DC/DC模块的运行效能，可以采用以下方法进行技术保障：①定期巡检仪器，测量供电运行时DC/DC模块的输出端电压，当压降≥3%时应及时更换；②为台站供电系统安装多级配电避雷器（瞿旻等，2013），并保证良好接地，可降低雷雨天气时感应雷的影响；③在台站UPS输入前端安装专业交流稳压电源，以保障外部交流供电的稳定性。

2.3 工控机接口环节

在某些情况（如雷击、电源不稳定、操作不当等）下，可造成通信单元网络接口和串口的损坏，可造成Windows系统无法加载串口配置文件，也会造成串口故障。这时只能通过以下方法进行故障恢复：检查串口芯片各引脚的输入输出是否在芯片的技术要求正常范围以内，对故障的串口芯片进行焊接更换或更改工控机应用程序通信串口配置文件。

为提升接口环节的运行效能，主要技术保障方法与DC/DC模块相同，需要技术人员对各类前兆仪器的串口通信芯片的定义较为熟悉。

2.4 数据存储环节

前兆仪器网络通信单元的数据存储主要依托于工控机上的CF存储卡实现。CF卡采用闪存（flash）技术，是一种稳定的存储解决方案，不需要电池来维持其中存储的数据。

对所保存的数据来说，CF卡比传统的磁盘驱动器安全性和保护性都更高；比传统的磁盘驱动器及Ⅲ型PC卡的可靠性高5到10倍，而且CF卡的功耗仅为小型磁盘驱动器的5%（尹承俊等，2006）。

CF插槽分2排共50根针脚，多次拔插容易造成损害，所以在更换CF卡时应当小心操作，避免损坏针脚。

通常数据存储环节故障会造成以下现象：①PC104无法启动，上电后无法进入Windows系统，自检不通过，提示硬盘错误；②无法加载相关前兆应用程序，无法提供Wed网页服务、FTP服务等；③可以加载前兆应用程序，但是程序运行出现BUG，导致前兆数据紊乱。

以上几种情况一般通过更换CF卡进行排除，可以通过仪器厂家更换储存卡或CF卡“对拷贝”的方式完成。“对拷贝”的主要方法是：将一台支持IDE接口的计算机安装GHOST软件，通过CF/IDE转接卡连接本地源盘和目标盘，在GHOST软件中采用硬盘到硬盘对拷模式，完成CF卡拷贝。

3 应用效果

江苏省地震局自2011年底起，逐步开展提升地震前兆仪器网络通信单元运行效能的若干措施，主要有：①每年开展1次台站巡检，巡检时的工作包括：清理台站环境，对灰尘较多的仪器进行初步的简易除尘，用万用表检查主要供电模块的输出电压；②改善仪器运行环境，有人值守专业台站仪器室均配备空调，减少了高温导致的仪器故障次数；③逐步对台站进行综合防雷改造，为台站供电系统安装多级避雷，以及专业线路清理；④省地震局维修团队内部进行PC104系统维护技术及CF卡维护技术的总结与培训，提高维修技术水平，缩短网络通信单元的修复周期。

通过对2009—2015年江苏省地震局前兆观测仪器维护日志的整理，统计每年网络通信单元的故障次数，见表2。

表2 2009—2015年江苏省地震局地震前兆仪器网络通信单元故障次数Table 2 Failure times of the network communication unit for earthquake precursor instrument in Jiangsu Province between 2009 and 2015

从表2可以看出，2012年以前，江苏省地震前兆仪器网络通信单元的年故障次数在15次以上，逐步采取针对措施后，从2012年起网络通信单元年故障次数稳定在10次以下，故障率明显下降，地震前兆仪器网络通信单元的运行效能得到较为显著的提升。

4 结束语

对于网络化的地震前兆观测仪器，网络通信单元主要完成数据通信和远程控制两大功能，在前兆观测仪器产出过程中起到关键作用。文章对地震前兆仪器网络通信单元常见故障环节进行整理归纳，对故障机理进行较为全面地分析，并提出解决故障的技术方案，通过江苏地区的实践检验，较好地提升了地震前兆仪器网络通信单元运行效能，保障了前兆观测数据产出。

江昊琳，等.地震监测仪器综合管理系统的设计与应用[J].高原地震，2014，26（4）：38-42.

曲利，董晓娜，胡旭辉，等.浅谈山东“十五”地震前兆仪器的运行维护[J].华北地震科学，2012，30（2）：56-59.

瞿旻，居海华，等.CMG-DM24数据采集器维护[J].地震地磁观测与研究，2013，34（1/2）：194-198.

瞿旻，居海华，戴波，等.江苏省数字地震台站防雷改造工程效果分析[J].华南地震，2013，33（3），99-104.

滕云田，张炼，王彦，等.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，2002，24（4）：421-427.

王兰炜，赵家骝.网络化地电阻率仪的研究[J].地震学报，2008，30（5）：484-490.

尹承俊.基于CF卡的数据存储模块研究与应用[D].中国地震局工程力学研究所，2006：3-4.

Realization of technology on the improvement of operational effi ciency of the network communication unit for earthquake precursor instrument

Qu Min，Dai Bo，Shan Han and Gong Jie
(Earthquake Administration of Jiangsu Province,Nanjing 210014,China)

In this paper,the working principle of hardware and software of the network communication unit of the earthquake precursor instrument is introduced.Then the common cause,which have bad influence to operational efficiency of the network communication unit for earthquake precursor instrument are analyzed.These common causes include system power supply,DC/DC modular,the interface of IPC,and data storage.Then the fault in each link analyzed.Finally,combining operation principle and practice summary,technique solutions for each fault are proposed.These technique solutions effectively improved the operational effi ciency of the network communication unit of the earthquake precursor instrument.

network communication unit of the earthquake precursor instrument，working principle，the operational effi ciency，technology realization

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.05.028

瞿旻（1983—） ，男，江苏南京人，硕士，工程师 ，主要从事地震观测设备运维及相关研究工作

中国地震局三结合课题（编号：1630404）

本文收到日期：2016-06-17