瞿 旻 戴 波 單 菡 宮 杰

（中國南京 210014江蘇省地震局）

地震前兆儀器網絡通信單元運行效能提升

瞿 旻 戴 波 單 菡 宮 杰

（中國南京 210014江蘇省地震局）

介紹地震前兆儀器網絡通信單元硬件及程序工作原理，對影響前兆儀器網絡通信單元運行性能的常見原因進行分析，包括：系統(tǒng)供電環(huán)節(jié)、模塊環(huán)節(jié)、工控機接口環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)存儲環(huán)節(jié)。作者對各個環(huán)節(jié)中存在的故障進行分析，并在結合運行原理及實踐總結的基礎上，提出并實施技術解決方案，有效提高了前兆儀器網絡通信單元的運行效能。

地震前兆網絡通信單元；工作原理；運行效能；技術實現(xiàn)

0 引言

目前，“十五”地震前兆儀器囊括電磁、形變、流體3大學科各種手段，地震專業(yè)儀器也由原來的人工模擬日均采樣發(fā)展到全自動、網絡化的分、秒采樣，全方位、多角度地為地震分析預報工作提供詳實可靠的前兆數(shù)據(jù)（曲利等，2012）?，F(xiàn)階段地震前兆儀器按功能可以分為3部分：傳感器、數(shù)據(jù)采集器和網絡通信單元。傳感器將測量的物理量轉換為模擬量電信號傳輸至數(shù)據(jù)采集器，經信號放大、濾波、模數(shù)轉換后，將數(shù)據(jù)通過串口傳輸至網絡通信單元，網絡通信單元負責外設管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和通信（滕云田等，2002）。從各類地震前兆觀測儀器的性能上看，傳感器技術及信號處理技術經過“九五”項目運行，發(fā)展的較為成熟；網絡通信技術由于自身的通用性和應用環(huán)境的不同，在不同地震前兆觀測儀器中的應用效果各不相同。在數(shù)字化、網絡化的發(fā)展趨勢下，地震前兆觀測儀器的網絡通信效能直接影響了地震觀測數(shù)據(jù)的有效性與及時性，可以說前兆儀器網絡通信單元的運行水平決定了地震前兆觀測數(shù)據(jù)質量。

截至2015年底，江蘇省地震前兆臺網各類在運行前兆觀測儀器共254套，均使用網絡通信單元實現(xiàn)網絡通信功能。隨著近年來各種大型建設項目的陸續(xù)開展，地震前兆觀測儀器數(shù)量逐年增加，為保證儀器連續(xù)、穩(wěn)定的高質量數(shù)據(jù)產出，江蘇省地震局技術運維人員通過各種方式的技術改進，保障了網絡通信單元正常運行（江昊琳等，2014），提高運行效能。

1 硬件構成

地震前兆網絡通信單元的硬件構成有2種：①基于ARM+DSP架構的開發(fā)板（瞿旻等，2013），該類型網絡通信單元在運行觀測儀器數(shù)量少，技術應用時間短，不作為本文研究對象；②由PC104、電源適配器和DC/DC模塊3個部分組成的網絡通信單元，如

圖1所示，電源適配器把220 V交流電轉換成12 V直流電，DC/DC模塊把輸入的12 V直流電轉換成5 V電壓，提供給PC104（即工控機），PC104提供豐富的外設接口，包括：USB接口、打印接口、顯示器接口、網口、鼠標接口、鍵盤接口、串口等。

地震前兆儀器網絡通信單元采用嵌入式系統(tǒng)PC104，具有較高集成度，外型緊湊小巧，低功耗、成熟的標準體系結構，以及專業(yè)設計、專業(yè)生產帶來的高可靠性等特點，兼容PC的軟件、硬件、外設，開發(fā)工具比其他體系豐富、便宜，并且對系統(tǒng)維護具有廣泛技術支持，利于擴展、升級和系列化（王蘭煒等，2008）。

PC104總線信號與ISA總線相同，各個接口地址和定義，如打印口寄存器、串行口數(shù)據(jù)和狀態(tài)寄存器、中斷號和入口地址、DMA操作方式與通用微機完全相同，程序設計也是一致的（滕云田等，2002）。PC104硬件結構見圖2。

圖1 網絡通信單元硬件結構示意Fig.1 Schematic diagram of network communication unit hardware structure

圖2 PC104硬件結構Fig.2 Hardware structure block diagram of PC104

網絡通信單元采用精簡版Windows 98作為操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，可以高效管理各種端口、外設和系統(tǒng)內存，執(zhí)行多任務，用戶接口VI簡單，編程方便，用戶界面友好。

2 網絡通信單元效能影響環(huán)節(jié)

常見網絡通信單元技術故障有：電源適配器損壞、應用程序無響應、存儲卡損壞、存儲卡容量不足、PC104時間錯誤等，可歸為系統(tǒng)供電環(huán)節(jié)、模塊環(huán)節(jié)、工控機接口環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)存儲環(huán)節(jié)的技術故障。下文對比常見故障進行技術分析，并提出相應改進方法。

2.1 系統(tǒng)供電環(huán)節(jié)

目前網絡通信單元系統(tǒng)供電采用電源適配器實現(xiàn)，大部分電源適配器為采用輸入100—240 V/0.2 A/50—60 Hz交流、輸出12 V/3 A直流的開關電源。根據(jù)日常維護實踐總結，造成該環(huán)節(jié)故障的原因有：①長期滿載運行，內部元器件老化；②觀測環(huán)境溫度過高，導致開關電源超過工作溫度范圍運行；③灰塵過多沉積，引發(fā)故障隱患；④諧波影響。

從開關電源損壞的外在因素分析，選擇合適的開關電源，在滿足功率需求的前提下，

應選擇符合安全規(guī)定及電磁兼容（EMC）認證的開關電源。目前國內開關電源市場魚龍混雜，選擇高質量的開關電源應該考慮：抗干擾性能好，可靠性能高；直流紋波小；工作溫度低；絕緣性能好；具有短路保護、過載保護、過電壓保護功能。

從江蘇地區(qū)實踐經驗看，該地區(qū)空氣濕度大、夏季炎熱，大部分臺站為無人值守臺站，且大部分未安裝空調。這些因素導致網絡通信單元系統(tǒng)供電模塊的長期超負荷運轉，加速設備老化，從而引發(fā)各類相關故障。

為了提升系統(tǒng)供電穩(wěn)定性和效能，可以采用以下方法進行技術保障：①定期更換開關電源，周期約為2年；②定期對無人值守臺站進行巡檢，及時清理臺站環(huán)境，有條件時可對儀器內部進行初步的除塵處理；③有條件的臺站可考慮夏天時用空調降溫除濕，改善儀器運行環(huán)境。

2.2 模塊環(huán)節(jié)

工控機PC104采用5 V供電，前兆網絡通信單元內部的DC/DC模塊把輸入的12 V電壓轉換為5 V電壓。對DC/DC模塊的技術分析，需要考慮其輸出特性，如輸出電壓精度、負載效應、源效應、紋波及噪聲、溫度系數(shù)、隔離電壓、存儲溫度、相對濕度、工作溫度、最大殼溫等。通常所選DC/DC模塊應達到以下要求，見表1。

表1 DC/DC模塊選型參數(shù)Table 1 DC/DC module selection parameters

可用萬用表電壓檔分別測量DC/DC模塊的輸入、輸出端，以確定DC/DC模塊好壞。

影響DC/DC模塊運行的因素主要有：模塊老化造成工控機運行不穩(wěn)定，雷雨天氣時的瞬時過電壓過電流，瞬間外部供電故障（農電不穩(wěn)定、UPS故障等）。為了提升DC/DC模塊的運行效能，可以采用以下方法進行技術保障：①定期巡檢儀器，測量供電運行時DC/DC模塊的輸出端電壓，當壓降≥3%時應及時更換；②為臺站供電系統(tǒng)安裝多級配電避雷器（瞿旻等，2013），并保證良好接地，可降低雷雨天氣時感應雷的影響；③在臺站UPS輸入前端安裝專業(yè)交流穩(wěn)壓電源，以保障外部交流供電的穩(wěn)定性。

2.3 工控機接口環(huán)節(jié)

在某些情況（如雷擊、電源不穩(wěn)定、操作不當?shù)龋┫拢稍斐赏ㄐ艈卧W絡接口和串口的損壞，可造成Windows系統(tǒng)無法加載串口配置文件，也會造成串口故障。這時只能通過以下方法進行故障恢復：檢查串口芯片各引腳的輸入輸出是否在芯片的技術要求正常范圍以內，對故障的串口芯片進行焊接更換或更改工控機應用程序通信串口配置文件。

為提升接口環(huán)節(jié)的運行效能，主要技術保障方法與DC/DC模塊相同，需要技術人員對各類前兆儀器的串口通信芯片的定義較為熟悉。

2.4 數(shù)據(jù)存儲環(huán)節(jié)

前兆儀器網絡通信單元的數(shù)據(jù)存儲主要依托于工控機上的CF存儲卡實現(xiàn)。CF卡采用閃存（flash）技術，是一種穩(wěn)定的存儲解決方案，不需要電池來維持其中存儲的數(shù)據(jù)。

對所保存的數(shù)據(jù)來說，CF卡比傳統(tǒng)的磁盤驅動器安全性和保護性都更高；比傳統(tǒng)的磁盤驅動器及Ⅲ型PC卡的可靠性高5到10倍，而且CF卡的功耗僅為小型磁盤驅動器的5%（尹承俊等，2006）。

CF插槽分2排共50根針腳，多次拔插容易造成損害，所以在更換CF卡時應當小心操作，避免損壞針腳。

通常數(shù)據(jù)存儲環(huán)節(jié)故障會造成以下現(xiàn)象：①PC104無法啟動，上電后無法進入Windows系統(tǒng)，自檢不通過，提示硬盤錯誤；②無法加載相關前兆應用程序，無法提供Wed網頁服務、FTP服務等；③可以加載前兆應用程序，但是程序運行出現(xiàn)BUG，導致前兆數(shù)據(jù)紊亂。

以上幾種情況一般通過更換CF卡進行排除，可以通過儀器廠家更換儲存卡或CF卡“對拷貝”的方式完成?！皩截悺钡闹饕椒ㄊ牵簩⒁慌_支持IDE接口的計算機安裝GHOST軟件，通過CF/IDE轉接卡連接本地源盤和目標盤，在GHOST軟件中采用硬盤到硬盤對拷模式，完成CF卡拷貝。

3 應用效果

江蘇省地震局自2011年底起，逐步開展提升地震前兆儀器網絡通信單元運行效能的若干措施，主要有：①每年開展1次臺站巡檢，巡檢時的工作包括：清理臺站環(huán)境，對灰塵較多的儀器進行初步的簡易除塵，用萬用表檢查主要供電模塊的輸出電壓；②改善儀器運行環(huán)境，有人值守專業(yè)臺站儀器室均配備空調，減少了高溫導致的儀器故障次數(shù)；③逐步對臺站進行綜合防雷改造，為臺站供電系統(tǒng)安裝多級避雷，以及專業(yè)線路清理；④省地震局維修團隊內部進行PC104系統(tǒng)維護技術及CF卡維護技術的總結與培訓，提高維修技術水平，縮短網絡通信單元的修復周期。

通過對2009—2015年江蘇省地震局前兆觀測儀器維護日志的整理，統(tǒng)計每年網絡通信單元的故障次數(shù)，見表2。

表2 2009—2015年江蘇省地震局地震前兆儀器網絡通信單元故障次數(shù)Table 2 Failure times of the network communication unit for earthquake precursor instrument in Jiangsu Province between 2009 and 2015

從表2可以看出，2012年以前，江蘇省地震前兆儀器網絡通信單元的年故障次數(shù)在15次以上，逐步采取針對措施后，從2012年起網絡通信單元年故障次數(shù)穩(wěn)定在10次以下，故障率明顯下降，地震前兆儀器網絡通信單元的運行效能得到較為顯著的提升。

4 結束語

對于網絡化的地震前兆觀測儀器，網絡通信單元主要完成數(shù)據(jù)通信和遠程控制兩大功能，在前兆觀測儀器產出過程中起到關鍵作用。文章對地震前兆儀器網絡通信單元常見故障環(huán)節(jié)進行整理歸納，對故障機理進行較為全面地分析，并提出解決故障的技術方案，通過江蘇地區(qū)的實踐檢驗，較好地提升了地震前兆儀器網絡通信單元運行效能，保障了前兆觀測數(shù)據(jù)產出。

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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，江蘇南京人，碩士，工程師 ，主要從事地震觀測設備運維及相關研究工作

中國地震局三結合課題（編號：1630404）

本文收到日期：2016-06-17