一种基于地震数据流的嵌入式文件网络服务器
技术领域
本申请属于地球物理测量技术领域，特别涉及一种基于地震数据流的嵌入式文件网络服务器。
背景技术
对于地震信号，其对应的不同频带携带不同的地层信息，由于对于高频信号，其穿越地层后的衰减较快，因此能反演的地层深度较浅，因而对于工程地震观测以及天然地震观测而言，其采样频率不需要很高，通常都在1000HZ以下。针对地震观测的特殊的应用场景，其数据流都在32000bps以下，因此对于可以选用相应的串口或者SPI口(SerialPeripheral Interface，串行外设接口)进行相互之间的数据流通信。而对于应用于陆上或者海底的各种地震采集设备而言，虽然其自身均可完成数据采集，但缺乏相应的将自身数据流转换为可以和远程网络服务器对接的文件网络模块，使其数据流仅仅限于本地存储的状态。
对于上述的各种地震采集设备存在的不足，虽然可以单独开发用于实现上述远程网络传输功能的硬件，但硬件和整个设备处于高度集成状态，不易于拆卸组装，且在用户不需要此功能时容易造成硬件浪费，造成成本升高。而对于地震采集设备的生产厂家也增加了开发成本，且其开发过程中会出现各种对于协议的理解偏差，造成数据流传输异常等问题。
发明内容
本申请提供了一种基于地震数据流的嵌入式文件网络服务器，旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。
为了解决上述问题，本申请提供了如下技术方案：
本申请实施例采取的技术方案还包括：一种基于地震数据流的嵌入式文件网络服务器，包括宽频电源管理模组、主控单元、串口转RS232模块、PHY桥接层、SD卡和网络接口；
所述宽频电源管理模组的一端与外接电源连接，另一端与主控单元连接，用于对电源输入进行整流和处理，为所述主控单元提供电平；
所述主控单元包括串口、SDIO接口、内部RAM、DMA单元和MAC驱动层；所述串口与串口转RS232模块连接，所述内部RAM通过DMA单元分别与SDIO接口和MAC驱动层连接，所述SDIO接口与SD卡连接，所述MAC驱动层与PHY桥接层连接，所述PHY桥接层与网络接口连接；
所述主控单元通过串口与外部设备进行地震数据交互，通过内部中断进行地震数据接收，接收的地震数据流存入内部RAM中；所述内部RAM将接收到的地震数据流通过DMA单元传送到SDIO接口和MAC驱动层，所述SDIO接口将地震数据流存入SD卡进行数据备份；所述MAC驱动层与PHY桥接层相连，进行地震数据流的输入输出。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述宽频电源管理模块内置有升压及降压模组，所述升压及降压模组采用CMOS逻辑门电路，当识别到外部供电电压低于设定的电压阈值时，所述CMOS逻辑门电路截止，启动升压模组对电压进行升压；当识别到外部供电电压高于设定的电压阈值时，所述CMOS逻辑门电路为开，启动降压模组对电压进行降压。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述服务器还包括晶振，所述主控单元还包括PLL倍频器，所述PLL倍频器与晶振连接，用于对所述晶振进行倍频操作。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述主控单元采用cortex芯片，所述晶振采用22.288m主频的晶振，所述PLL倍频器对晶振进行8倍频操作，经PLL倍频器后采用96M主频。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述主控单元还包括SPI接口，所述串口还包括串口配置寄存器、串口中断寄存器以及串口数据寄存器，用于灵活配置串口波特率，并以中断方式进行数据的接收；所述SPI接口还包括SPI配置寄存器和SPI数据寄存器，用于SPI的数据接收和数据流操作。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述SDIO接口通过四线模式与SD卡进行数据通信，实现SD卡文件系统的建立和挂接。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述DMA单元具有双路DMA传输能力，实现从串口到SDIO单元、从内部RAM到MAC驱动层、从内部RAM到SDIO单元的多通道数据传输的自动触发；其具体包括：运用多通道DMA同时触发模式，其分为两条DMA总线，分别从AHB总线两侧互不干扰，另外从串口到SDIO的MDA数据流自动由串口寄存器触发，触发后自动实现数据迁移；第二条DMA从MCU内存直接到达网络MAC层寄存器，从MAC层寄存器直接传输到物理层。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述嵌入式文件网络服务器内置有两套打包协议规则，其可自动识别台网协议，当接收到串口的数据流中断后，在中断中将串口数据接收并对其按照不同的数据流格式进行打包，打包后根据各地震采集服务器的注册情况进行传输，从而将所述地震数据流输送到对应的地震采集服务器。
本申请实施例采取的技术方案还包括：所述嵌入式文件网络服务器还内置GPS模块，所述GPS模块通过基于GPS的实时时钟驯服机制对内部时钟进行精准授时和时钟校正；具体为：首先对GPS时间是否锁定进行判断，判定后采用GPS授时筛选算法进行PPS筛选，筛选后对有效PPS进行时间授时，对于后续晶振漂移现象，并应用时钟实时校正算法对晶振漂移偏差进行实时校准。
相对于现有技术，本申请实施例产生的有益效果在于：本申请实施例的基于地震数据流的嵌入式文件网络服务器包括主控单元和其他外围单元模块，通过将地震数据流自动转换为文件记录并映射为远程网络文件服务器，或者通过数据链路端口将数据流传输到远程服务器中。本申请接口简单，采用单向通信模式，可免去协议入网调试的问题，可以嵌入到陆上地震采集器或海底地震采集器等各种地震采集器中，实现数据流和远程网络文件服务器的转换或者将数据流按照台网协议发送到远程地震台网服务器，降低地震采集器开发的复杂度，节省开发时间，降低用户硬件成本，实现设备快速入网；另外，在将数据流发送到远程服务器的同时，可以将数据流存储为本地文件，用于数据备份，保证在主采集设备失效的情况下最大限度的保存采集信息。
附图说明
图1是本申请实施例的基于地震数据流的嵌入式文件网络服务器的硬件结构示意图；
图2为本申请实施例的基于地震数据流的嵌入式文件网络服务器的自适应波特率算法原理图；
图3为本申请实施例的基于地震数据流的嵌入式文件网络服务器的工作原理图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
请参阅图1，是本申请实施例的基于地震数据流的嵌入式文件网络服务器的硬件结构示意图。本申请实施例的基于地震数据流的嵌入式文件网络服务器包括宽频电源管理模组10、主控单元20、PHY(Physical，端口物理层)桥接层30、晶振40、串口转RS232模块50、SD卡60和网络接口70。其中，宽频电源管理模组10的一端与外接电源连接，另一端与主控单元20连接；主控单元20包括PLL(Phase Locked Loop，锁相回路或锁相环)倍频器21、串口22、SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)接口23、SDIO(Secure DigitalInput and Output，安全数字输入输出卡)接口24、内部RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)25、MAC驱动层26、DMA(Direct Memory Access，直接内存存取)单元(图未示)和SDRAM(synchronous dynamic random－access memory，同步动态随机存取内存)单元(图未示)；其中，PLL倍频器21与晶振40连接，串口22与串口转RS232模块50连接，串口转RS232模块50连接有数据接口；SDIO接口24与SD卡60连接，内部RAM25与SPI接口23连接，并通过DMA分别与SDIO接口24和MAC驱动层26连接，SPI接口23连接有数据接口，MAC驱动层26与PHY桥接层30连接，PHY桥接层30与外部的网络接口70连接。
具体的，宽频电源管理模块10用于对整个电源输入进行整流和处理，进而为主控单元提供所需必要电平支持。宽频电源管理模块10内置有升压及降压模组(图未示)，通过升压及降压模组自动识别外部3V－24V供电电压并自动完成升压或降压操作，使其达到仪器工作电平；具体为：当识别到外部供电电压低于设定的电压阈值时(本申请实施例以设定该电压阈值为5v为例，具体电压值可根据实际操作进行设定)，则自动启动升压模组对电压进行升压，以达到仪器工作电平；当识别到外部供电电压高于设定的电压阈值时，则自动启动降压模组对电压进行降压，使其达到仪器工作电平。宽频电源管理模块10的电源管理硬件电路采用自动识别电路，模式切换不需要时间延迟，增加了仪器的实用性。
本申请实施例中，升压及降压模组采用CMOS逻辑门电路，当输入电压较低时，CMOS逻辑门电路截止，从而启动升压模组，升压模组采用DCDCLM2577模块实现由低电平到高电平的电压转换，其输入范围在3—5V之间，可输出电平范围为9V；当输入电压较高时，CMOS逻辑门电路为开，此时启动降压模组，采用MP184通过调节其后续匹配电阻实现各种电压输出。其中，CMOS逻辑门电路的LM2577以及MP184并非为限定个例，具体可根据自身电路选取最优解来实现其电源升压降压管理，后续可通过增加π型滤波器滤除文波和冲击电流，实现电平稳定有效。
本申请实施例中，主控单元20采用cortex芯片，并通过PLL倍频器21对晶振40进行倍频操作；通过串口22或者SPI接口23与外部设备进行地震数据交互，通过内部中断进行地震数据接收，接收的地震数据流存入内部RAM25进行缓存，内部缓冲采用双缓冲处理；内部RAM25将接收到的地震数据流通过DMA单元传送到SDIO接口24和MAC驱动层26，SDIO接口24将地震数据流存入外接的SD卡60中进行数据备份，外置USB接口通过SDIO连接USB驱动器，实现外部读取SD卡内存储的数据；MAC驱动层26与外置的PHY桥接层30相连，实现地震数据流的输入输出；MCU接收到地震数据流后对其按照地震台网格式进行打包后将打包数据发送至地震台网服务器；MCU内置FTP服务器，FTP服务器用于对文件系统进行打包操作，方便用户对其远程进行文件删除、下载、更改等操作。
进一步地，PLL倍频器21对晶振40进行8倍频操作，具体参数可根据实际操作进行设定；晶振40采用22.288m主频的晶振，此晶振可以与PLL倍频器21结合实现有效分频和倍频操作，从而获得更高的工作频率，保障工作性能稳定；并给其他电路提供振动源，其时钟精度为1ppm，可与后面的GPS时钟校准程序同时使用，既可实现时钟时间高精度又可节约硬件成本，芯片主频经PLL倍频器21后采用96M主频。
进一步地，串口22还包括串口配置寄存器(图未示)、串口中断寄存器(图未示)以及串口数据寄存器(图未示)，可以灵活配置串口波特率，并可以中断的方式实现数据的接收，串口波特率寄存器的分频值可灵活设置，从而为后续实现串口波特率的动态识别提供基础。SPI接口23还包括SPI配置寄存器和SPI数据寄存器，可实现SPI的数据接收和数据流操作。
进一步地，SDIO接口24通过四线模式与SD卡60进行数据通信，从而实现SD卡文件系统的建立和挂接。
进一步地，DMA单元具有双路DMA传输能力，可实现从内存到外设以及外设到内存的数据传输方式，从而为后续的DMA传输算法提供条件。
进一步地，SDRAM单元需要的内存大小在实现其算法情况下最小为64k，可保障数据运算所需内存空间、堆栈所需空间以及DMA数据传输所需空间。
进一步地，PHY桥接层30选用dp83848芯片，可与主控单元20的MAC驱动层26配合完成整个网络硬件的搭建；网络接口70包括RJ45网络接口，完成网络硬件的最后组建。MAC驱动层包括各项网络配置的各项寄存器以及和PHY桥接层30桥接的各项寄存器，并实现网络协议的输送及打包。
本申请实施例中，嵌入式文件网络服务器采用创新性自适应波特率识别方案，可以识别串口标准波特率，并可自动识别串口自定义波特率，其识别方案采用软件识别方案，不需要增加CTS和RTS两条引线，从而降低硬件成本。具体的，自适应波特率识别原理具体为：基于信息熵理论，其有效字符在一定时间内必然出现，对应串口通信协议，其第一位为起始位，起始位为低电平，其必然会有从高电平到低电平转换的下降沿，对于最后一个停止位设置为高电平，此时对于停止位前的有效数据位必然会有高低电平跳变，因此在一定数据流的条件下必然会出现低电平，此时可以检测到上升沿，因此其实现方式为通过软件识别并记录每个字符帧的第一个下降沿，和同一字符帧的最后一个上升沿，对接收到的有效数据流进行统计，统计时长1秒，则统计得到的最大时间间隔即为数据流波特率的10倍，故而计算可得波特率，实现串口波特率自动识别。
请一并参阅图2，是本申请实施例的基于地震数据流的嵌入式文件网络服务器的自适应波特率算法原理图。自适应波特率算法具体包括：①将相应的原为串口输入的管脚设置为GPIO输入，并设置为下降沿捕获模式，将其与TIMER的捕获功能寄存器挂接；②使能TIMER的捕获中断功能捕获到其下降沿的分频值；③在TIMER中断函数中，将下降沿捕获值存入到变量CR0中；④设置捕获中断由下降沿中断使能转变为上升沿中断使能，同时开启上升沿中断；⑤等待此时的上升沿中断触发，触发后将其上升沿捕获值存入到寄存器CR1；⑥计算单次的bps值，bps计算公式为：bps＝(CR0－CR1)/PCLK/10，此公式中，PCLK为TIMER定时器的MR0值，MR0值为其分频后的震荡频率，由于其需要一个停止位和一个起始位和8个比特位，故而其bps值需除以10；⑦循环执行①～⑥的步骤，统计2s内所有bps值，选取bps的最大值，即为串口的自适应bps值。此算法中，需要注意其中断由下降沿到上升沿的时间要小于1个bps，否则会造成统计误差。
本申请实施例中，嵌入式文件网络服务器可以嵌入到各种地震采集服务器中，主控单元20内部基于DMA进行数据传输，不占用CPU内存，内部数据流传输包括多条DMA通道，且可实现从串口到SDIO、从内部RAM到MAC驱动层、从内部RAM到SDIO等多通道数据传输的自动触发。具体包括：运用多通道DMA同时触发模式，其分为两条DMA总线，分别从AHB总线两侧互不干扰，另外从串口到SDIO的MDA数据流自动由串口寄存器触发，触发后自动实现数据迁移，从而最大限度的节省MCU软硬件资源；另外由于需要对数据进行打包和协议整理操作，因此第二条DMA从MCU内存直接到达网络MAC层寄存器，进而从MAC层直接传输到物理层，实现网络数据高速输送，从而发挥网卡优势，对于其他公开的算法和架构，此架构可以实现数据的高速处理和网卡的流操作，使用户可以根据此架构选择主频较低或成本较低的MCU。
进一步地，多DMA通道并行数据流处理实施方式具体包括：选取AHB总线数据流，其输入源设置为串口数据寄存器RX，目的地为SDIO数据寄存器，其触发源选取为串口的数据寄存器RX，触发阈值设置为26bit，当其串口数据达到26比特后自动触发DMA传输，其DMA可通过AHB1与AHB2两条总线不占用内部RAM；另外一条DMA通道其输入源为内部RAM，目的地设置为MAC数据寄存器，触发源设置为TIMER4，TIMER4定期对内存数据进行检查，触发阈值设置为522B，如若内存数据大于此值，则由TIMER触发此DMA数据流，进而实现内部RAM到MAC层的自动传输，此两条DMA分别应用MCU的DMA1与DMA2，此双通道DMA互不干扰。由于内存不能作为触发源条件，因此特选取TIMER2作为DMA的触发源，TIMER2作为触发方式，可极大节省MCU内部运算时间，同时可减少内存使用量，对于其他嵌入式MCU，其选型要求为有双通道DMA条件，其DMA通道可由AHB1和AHB2两条总线同时操作即可。
本申请实施例中，嵌入式文件网络服务器可以实现数据打包，进而将数据流输送到中国地震台网服务器或实传式地震服务器等多种地震采集服务器。嵌入式文件网络服务器内置有两套打包协议规则，其可自动识别台网协议，进而将数据流输送到不同服务器。其中，数据流自动识别机制具体为：首先开启并初始化tcp socket，将其初始化为tcpclient，并开启两个数据流，对于数据流1的client(客户端)，首先对固定端口1973发起连接，后对地震台网服务器发起注册，等待注册包回应，如若在规定时间内收到应答包，则标记为注册成功，从而进一步发送数据包给台网服务器，同时对于数据流2的client，其对实传式地震服务器的端口5000发起连接，连接成功后，可以对其发送注册指令，注册成功后进入数据流发送状态。当接收到串口的数据流中断后，在中断中将串口数据接收并对其按照不同的数据流格式进行打包，打包后根据两者的注册情况进行传输，如若注册成功则将数据流进行发送，如果两者数据流均注册成功则同时发送，从而既能实现数据流自动识别，又能实现数据流同时发送。
本申请实施例中，嵌入式文件网络服务器还内置GPS模块(图未示)，GPS模块通过基于GPS的实时时钟驯服机制对内部时钟进行精准授时和时钟校正；GPS模块可以接收信号并对整个系统进行授时，进而嵌入式文件网络服务器可以具有高精度的时间系统，可以在只接收串口数据流且数据流内没有有效时间标志的情况下对其输入的数据加入有效的时间标志位，从而进一步简化使用输入体的使用成本，特别是对于没有有效时间系统或者时间精度较低的地震采集器，可以对其时间校准进行有效补充，从而拓宽其应用场景和使用范围。具体的，内部时间校准机制为：首先对GPS时间是否锁定进行判断，判定后采用GPS授时筛选算法T1进行PPS筛选，筛选后对有效PPS进行时间授时，对于后续晶振漂移现象，应用时钟实时校正算法T2对其进行实时校准，可以有效抵消晶振因温度以及老化造成的震荡偏差。
进一步地，GPS授时筛选算法T1的具体实施方式为：
状态1：首先通过解析GPRMC语句判定时间标志位有效，如果有效则进入状态2，否则在状态1等待；
状态2：解析GPRMC语句判定位置信息锁定是否有效，如果有效进入状态3，否在在状态2等待；
状态3：GPS输出脉冲初始稳定性初判，设置稳定性判断计数Cont1，在每次定时器1捕获单元Cpt捕获脉冲上升沿PPS时计数Cont1加一，在Cont1等于20时进入状态4；
状态4：计数器振动基值矫正，设置捕获计数Cont2，该值在定时器1捕获单元Cpt捕获PPS时加一，设置捕获时定时器1振动值Tm1，该值等于定时器捕获单元捕获的在PPS上升沿时刻的定时器振动值，设置捕获定时器1振动累加值Sum，该值等于在捕获时刻的之前Tm1的累加和。初始时刻Cont2清零，Tm1清零，Sum清零。当捕获第一个PPS时，判定Tm1是否大于晶振标称值的一半并小于晶振标称值的1.5倍，如果不是，说明PPS不稳定，则将Cont2、Tm1、Sum清零，计数重新开始；否则说明PPS正常，Cont2加一并将Cont2的值累加到Sum，此后继续。当Cont2等于256时，将Sum右移8位后作为计数器1振动基值TA，进入到状态5；
状态5：计数器授时启动，计数器1等待PPS来临，在PPS来临时刻将GPS时间授时给时间变量数组，并复位和开始计数器，计数器完成授时同步，设置计数器1进位中断，设置在计数器1振动次数等于状态4中计算的振动基值TA时产生进位秒中断，将时间数组秒位进位，授时完成。授时完成后仪器内部任意时刻的时间可以通过读取时间数组获得，秒内的时间信息可以通过读取定时器1次时刻的振动值TB除以晶振基值TA获得。
本申请实施例中，基于GPS的时钟实时校正算法T2实现方式具体为：在仪器授时完成后，定时器1捕获单元Cpt继续捕获GPS产出的PPS信号，记此时捕获的定时器1的振动值TB为Tm2，对Tm2进行判定，如果此时Tm2小于晶振TA的一半，则此时定时器1刚刚完成秒中断进位操作，此时将计数器振动值TB清零并复位；如果此时Tm2大于晶振TA的一半，那么此时定时器还未进行进位秒中断进位操作，此时将时间数据进行秒进位操作后再将数器振动值TB清零并复位。
如附图3所示，为本申请实施例的基于地震数据流的嵌入式文件网络服务器的工作原理图。本申请实施例的基于地震数据流的嵌入式文件网络服务器的工作原理具体为：
第一步、仪器上电以后，首先启动PLL倍频器21进行频率锁定，将晶振40的频率主频锁定为96M，等待锁定频率稳定后，开始挂接文件系统，将SD卡60的文件系统挂接为FAT32，并初始化USB驱动器后，即可接受用户的任意USB驱动请求；
第二步、开始挂接网络的PHY桥接层驱动代码，挂接完成后初始化MAC驱动层，进而初始化TCP/IP协议层，在上端，此协议分为两部，一方面挂接FTP(File TransferProtocol，文件传输协议)的文件服务器，并将文件服务器与SD卡的文件系统相连，初始化FTP的配置协议，包括两个数据端口和一个通讯端口，从而完成FTP服务器挂接；另外，初始化基于TCP/IP的TCPSERVER，初始化SOCKET流，分别初始化端口为5000的服务器和端口为8899的客户端，且服务器可实现自定义数据流链路，客户端可供数据台网服务器使用；
第三步、初始化串口数据流接收，其程序包含串口波特率的初始化、串口硬件引脚配置和串口数据中断寄存器配置，数据流初始化完成，SPI数据流接受初始化其内容包含SPI控制寄存器、SPI数据寄存器、以及SPI硬件引脚配置等；
第四步、分配处理中断服务，其中断服务包括检测PPS上升沿的捕获中断(RRQ1)、串口数据中断(RRQ2)、SPI的数据中断(RRQ3)和网络数据中断(RRQ4)，其中断优先级配置为RRQ1＞RRQ2＝RRQ3＞RRQ4，RRQ2和RRQ3采用并发处理，其可保证数据流接收稳定性；
第五步、启动普通任务优先级调度算法，其任务包含串口数据流到内存(SDRAM)(MSG1)、SPI数据流到内存(MSG2)、内存到SDIO文件系统(MSG3)、内存到外部网络(MSG4)、数据流协议打包(MSG5)和网络掉线管理(MSG6)，对于此6项普通任务调度，其先后顺序级别为MSG1＞MSG2＞MSG3＞MSG4＞MSG5＞MSG6，由于从MSG1～MSG6此6项任务其处理耗时分别从少到多，时效性由高到低，因此在主循环中以此为调度算法既可保证数据时效性，又可保证网络发包的稳定性。
本申请实施例的基于地震数据流的嵌入式文件网络服务器包括主控单元和其他外围单元模块将地震数据流自动转换为文件记录并映射为远程网络文件服务器，或者通过数据链路端口将数据流传输到远程服务器中。本申请接口简单，采用单向通信模式，可免去协议入网调试的问题，可以嵌入到陆上地震采集器或海底地震采集器等各种地震采集器中，实现数据流和远程网络文件服务器的转换或者将数据流按照台网协议发送到远程地震台网服务器，降低地震采集器开发的复杂度，节省开发时间，降低用户硬件成本，实现设备快速入网；另外，在将数据流发送到远程服务器的同时，可以将数据流存储为本地文件，用于数据备份，保证在主采集设备失效的情况下最大限度的保存采集信息。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本申请中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本申请所示的这些实施例，而是要符合与本申请所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
