EDAS-C24型数字测震仪实时数据的解码及加速度和位移仿真的实现

吴华灯1, 2, 3) 谢剑波1, 2, 3)

1）广东省地震局，广州 510070

2）中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室，广州 510070

3）广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室，广州 510070

EDAS-C24型数字测震仪实时数据的解码及加速度和位移仿真的实现

吴华灯1, 2, 3) 谢剑波1, 2, 3)

1）广东省地震局，广州 510070

2）中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室，广州 510070

3）广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室，广州 510070

本文尝试使用了一种图形编程语言进行数据解码和仿真研究，阐述了用该语言实现EDAS-C24型数字测震仪实时数据流的解码过程，提出了在G语言下利用数字滤波器逼近模拟积分器及模拟微分器响应实现对解码数据实时仿真的方法，并通过设定频带宽度，比较了设计的补偿滤波响应和实际的幅频响应的一致性。结果表明，在设定的频带内，补偿滤波响应和实际的幅频响应是一致的，仿真的精度是理想的，成果已经在广东省地震科普馆的地震互动区部署运行，取得了一定的实效。

LabVIEW G编程语言 测震仪 实时数据 解码 仿真

引言

Kanamori等（1999）利用美国TriNet强震台网，曾对实时速度记录通过单边差分方法计算位移等问题做过研究，但是其计算精度和相位仍存在问题；金星等（2003）利用单自由度体系地震反应的时域递归方法，系统研究了由数字加速度记录实时仿真地动速度和地动位移的问题，从理论和数值计算上取得了理想的结果；同时金星等（2004）还系统研究了利用数字化宽频带速度型记录仿真地面位移和地面加速度等问题，从时域上提出了一套实时计算公式；谢剑波（2014）也用时域递归方法做过不同带宽的地震记录的仿真研究。以上的实现都是利用地震台网汇集的实时数据或事件数据，在传统文本编程语言的环境下实现数据的仿真。本文将基于LabVIEW图形编程语言——G编程语言，在数据采集现场，直接解码数据采集器的实时速度数据，并设计合适的数字滤波器，实现加速度和位移的实时仿真，最终绘制出速度、加速度和位移三种物理量的实时波形。

1 实时数据解码及仿真开发环境的搭建

1.1 数据采集现场设备的架设

地震动数据采集现场如图1所示，由EDAS-C24型地震数据采集器、FBS-3A型反馈式宽频带地震计、GPS授时系统、12V电源供电系统和集成开发电脑平台等设备架设而成。FBS-3A型反馈式宽频带地震计是机电一体化的测震仪器，它在自振周期为2s的机械拾震器上附加电子线路，构成测量频带约为0.05—40Hz的宽频带测量系统。在仪器结构上，它由一个竖直向和两个相互正交的水平向组成（刘庆伟等，2001）。该仪器用于拾取地面的震动信号，并把信号转换成电压值，供数据采集器数字化。EDAS-C24型地震数据采集器将FBS-3A型地震计输出的模拟电压信号转换成数字信号，并经串口线把数字信号传输到电脑，供计算机程序处理。

图1 数据采集现场设备的架设Fig.1 The set-up of equipment

1.2 数据解码及仿真环境

在图1所示的集成开发平台电脑上，安装了LabVIEW2010集成开发软件。LabVIEW是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench（实验室虚拟仪器集成环境）的简称，是一个功能强大而又灵活的图形开发环境（乔瑞萍等，2008）。由于EDAS-C24型地震数据采集器是基于串口通信，本文用LabVIEW中的VISA（VISA是Virtual Instruments Software Architecture的缩写，中文译为虚拟仪器软件架构或可视化仪器软件架构）编程技术，建立与数据采集器串口的通信，实现实时数据的接收，为数据解码和仿真提供数据源。

2 实时数据解码的实现

2.1 EDAS-C24型地震数据采集器实时数据格式

EDAS-C24型地震数据采集器实时数据有压缩和非压缩两种数据格式，本文主要针对非压缩数据格式进行解码。该型号数据采集器实时数据帧是由帧头、数据区、校验和组成。帧头长16个字节，包括帧同步标识码、台站编号、帧类型标示字、帧长、秒记数、标志字节、头段区字节检查和；数据区包括3个通道的数据，当采样率是125Hz时，还有一个字节的填充字；帧的尾部是两个字节的检查和。数据帧格式见表1，数据帧的具体内容见图2。从表1中可看出，在EDAS-C24中，字节序是小端，每一个数据帧都是以“74 97 13 BF”同步标识码开头，BF是高字节位。图2中的数据帧内容，是在计算机程序缓冲区中的字节序。因此，程序解码时，将用小端的字节序来判断数据帧和提取3通道的数据。

表1 EDAS-C24数据帧格式Table 1 Data format of EDAS-C24

续表

图2 EDAS-C24数据帧内容Fig.2 Content of EDAS-C24 data frame

2.2 实时数据解码

解码是在LabVIEW2010专业版开发系统下，采用状态机、事件队列消息处理器和事件结构结合的架构进行编程，用到了While循环、条件结构和事件结构，架构代码如图3所示。

图3 程序架构Fig.3 Program frame

状态机里定义了Init、No Action、Receive Data和Exit四种事件状态及对应的事件分支，优先执行Init事件分支，用于初始化串口名称、串口波特率、采样率、满量程、事件触发模式、权重等配置参数和读取串口的数据，为数据的解码提供数据源。通过获取下一个事件的子VI（图形编程语言的子程序），依次改变事件状态为No Action、Receive Data和Exit。在No Action事件分支里，用了事件结构。事件结构的超时端子为50ms，有“超时”、“前面板关闭”、“菜单选择”、“运行状态”4个分支，主要用到了“超时”事件分支。当程序运行超过50ms，将执行“超时”事件框中的程序，如果收到串口的数据并且程序处于运行状态，则驱动Receive Data事件，否则置错误信息。Receive Data事件分支的程序是解码和仿真EDAS-C24型地震数据采集器实时数据的核心。在解码方面，程序首先由图标为GET FRAME、名称为Receive Frame的子VI，从VISA资源里找出数据帧头。然后，通过Parse Frame Header子VI分析数据帧头的有效性。如果数据帧头是有效的，则进一步求解出三个通道的原始速度数据，解码的具体实现过程如下所述。

2.2.1 数据帧头解码的实现

通过隧道和移位寄存器把Init事件分支初始化时的VISA资源输入到GET FRAME子VI的VISA resource name入口（见图4），然后利用“VISA读取”函数，读取16个字节大小的数据帧头到header buffer缓冲区，接着将header buffer缓冲区的数据输入图5所示的Parse Frame Header子VI，实现数据帧头Frame Header的输出及其有效性的判断。

图4 GET FRAME子VIFig.4 GET FRAME sub VI

图5 Parse Frame Header子VIFig.5 Parse Frame Header sub VI

“从字符串还原”函数有类型、二进制字符串、字节序等参量的输入。类型就是按照“表1 EDAS-C24数据帧格式”以簇方式定义的帧头；二进制字符串就是header buffer；由于在EDAS-C24中，字节序是小端，所以字节序选择little endian。该函数的输出结果是数据帧头Frame Header。数据帧头Frame Header有效性的判断用了3个判断条件：其一，从数据帧头Frame Header的簇中求出帧长，判断帧长是否小于1000；其二，取Frame Header前四个字节，判断是否与“BF 13 97 74”相等；其三，取Frame Header第七、第八个字节，判断是否与“AA55”相等，当3个判据同时满足时，认为Frame Header是有效的，至此实现了数据帧头解码。

2.2.2 数据区解码的实现

在解码出数据帧头和确认帧头有效后，程序进入Case结构。依据EDAS-C24数据帧格式，数据区的字节数byte count等于数据帧长度减8个字节，从VISA resource out读取byte count个字节的数据到读写缓冲区read buffer。当采样率为100bps时，每个通道每个采样点有3个字节，3个通道每个采样点一共9个字节。可以用一个循环，循环的次数为byte count字节/9字节，在循环体里结合“索引数组”函数、24bit子VI和“创建数组”函数，分解出三个通道的数据，如图6所示。“索引数组”函数的作用是建立每个通道LMH的索引；24bit子VI的作用是将每个通道的LMH重新组合成24位的数据，并转换成计算机的32位数据，再右移8位，得到每个通道的最终数据；“创建数组”函数的作用是把每个通道的最终数据添加到数组，为绘制波形提供数据源。

图6 三个通道数据的解码Fig.6 Decoding of three channels data

3 实时数据仿真

3.1 实时数据的仿真方法

实时数据的仿真，一般通过计算单自由度系统的地震反应即可得到（胡聿贤，2006）。单自由度系统地震反应的计算方法可分为二大类：一类是在频域内进行；另一类是在时域下进行。由于频域分析方法必须在获取完整的地震记录后才能进行，不适合于实时计算的要求，人们一般采用时域方法进行仿真计算。即用时间上有限个离散的动力平衡方程来替换连续形式的动力平衡方程，进而在一定假定下依据离散动力平衡方程来寻找数字滤波器，使得所寻找的数字滤波器的传递函数逼近理论传递函数。同时，利用数字滤波尤其是递归滤波的特点实现实时计算。

3.1.1 常用的时域计算方法

有关单自由度系统地震反应的时域计算方法有很多，如中心差分方法、New-mark方法、变换方法、Duhamel逐步积分法和wilson-0法等。许多学者开展了相关的研究工作，并取得了很好的成果。如金星等（2004）的分析与研究，得到了计算单自由度系统相对位移、相对速度、相对加速度的递归公式，并求得由地面速度时程计算位移时程的公式：

式中，b1，b2是递归系数；xk-3/2和xk-5/2是前两个输出点位移；S0是与传递函数的零频约束条件有关的参数；Δt是离散时间间隔；δ 是与Δt/T0有关的参数；T0是自振周期；Vk是k点的速度。

以及求得由地面速度时程计算相对加速度时程的公式：

利用式（1）和式（2）进行了实时仿真位移与加速度时程的计算研究。

3.1.2 本文作者提出及使用的仿真方法

式中，i=0，1，2…，n-1，n是采样数；0x是首端，xΔ=(末端-首端)/m，不包括末端时，m=n，否则，m=n–1。Sinc信号的输入采样数为101，tΔ=0.005，如用序列y表示Sinc信号，可依据下式生成Sinc信号：

输出的Sinc信号一组取输出值，另一组取输出值的倒数。斜坡信号与两者捆绑成簇数组后，按照设定的频带0.4Hz，提取一定数量的数据，重新组合成簇数组，再由Remez的交换方法建立equi-ripple等纹波滤波器，并输出实际纹波值。等文波滤波器的滤波输出经过DFD plot Freq Response子VI，输出并绘制补偿滤波响应，再将filter out输入到获取传递函数的子VI，取出系统的传递函数。接着，由给定的频率和截止频率，计算增益、零点、极点参数，通过DFD build filter from zeros-poles-gain子VI设计出新的滤波器。最后，级联两个滤波器，再经DFD plot Freq Response子VI得到最终的滤波输出，实现逼近模拟积分器响应的设计。

微分滤波器的设计，也是首先生成斜坡信号和Sinc信号，再由Remez数字滤波器设计方法设计任意频响的数字滤波器。任意频响的数字滤波器经DFD Get Transfer Function子VI后，取出传递函数。利用传递函数，通过DFD Build Filter From Transfer Function子VI，建立新的滤波器。最后，级联两个滤波器，再经DFD plot Freq Response子VI得到最终的幅频响应和滤波输出，实现逼近模拟微分器响应的设计。

3.2 实时数据仿真的实现

如图7所示，微分滤波器和积分滤波器的滤波输出分别接入DFD Filter子VI，速度数据便可实时仿真成加速度和位移数据，同时将加速度、速度和位移数据在波形图上显示出来，见图8。

图7 仿真信号输出Fig.7 Output of simulation signal

图8 加速度、速度和位移数据波形图Fig.8 Waveform of acceleration, velocity and displacement

4 仿真数据的验证

在进行滤波器设计过程中，为了观察仿真的精度，设定了频带宽度，将实际的幅频响应和设计的补偿滤波响应绘制了出来（见图9）。此外，还输出了实际纹波值和绘制了纹波波形（见图10），输出了滤波系数，绘制了最终的幅频响应。从图中可看出，补偿滤波响应在设定的频带内和实际的幅频响应是一致的，设计的纹波值在0.005左右，从设计的原型上看，仿真的精度是理想的。

图9 设计的补偿滤波响应Fig.9 Designed compensation filter response

图10 设计的纹波波形输出Fig.10 Output of designed ripple waveform

为了验证仿真数据的正确性及精度，在同一台址架设了珠海泰德企业有限公司生产的强震动数据采集器TDE-324CA和力平衡加速度计TDA-33M，进行仿真加速度记录与实测加速度记录对比观测实验，对比观测所使用的仪器信息如表2所示。

从傅立叶幅值谱（图12）和自相关系数（图13）的结果可以看出，仿真的加速度数据在频带和相位上与实测的加速度数据吻合较好，说明本文设计的滤波器是符合预期的，具有一定的可靠性。

5 结论

本文在解码出数据采集器的速度数据后，利用数字滤波器逼近模拟积分器和模拟微分器响应的方法，实现了由速度数据实时仿真位移和加速度数据，数据的仿真精度是理想的。但本文设计的滤波器更多的是考虑加速度数据所关心的频带，仿真系统在有效频带方面尚应做更多的分析研究。此外，在没有实测位移数据的情况下，还应考虑利用现有的一些典型地震事件数据进行相关性试算验证，计算不同阻尼比、不同自振周期等条件的结果，逐步修正和优化滤波器，使其具有实用性，方便应用于地震观测数据的实时仿真。本文的成果已经在广东省地震科普馆的地震互动区部署运行，取得了一定的实效。

胡聿贤，2006．地震工程学（第二版）．北京：地震出版社.

金星，马强，李山有，2004．利用数字化速度记录实时仿真位移与加速度时程．地震工程与工程振动，24（6）：9—14.

金星，马强，李山有，2003．四种计算地震反应数值方法的比较研究．地震工程与工程振动，23（1）：18—30.

刘庆伟，庄灿涛，刘慧宁，2001．FBS-3A型反馈式宽带地震计的传递函数．地震学报，23（1）：79—86

乔瑞萍，林欣等译，2008．LabVIEW 8实用教程．北京：电子工业出版社.

万永革，2007．数字信号处理的MATLAB实现．北京：科学出版社.

谢剑波，2014．地震记录的时间域反褶积仿真及在地震计方位角相对测量中的应用．地球物理学报，57（1），167—178．

Kanamori H.，Maechling P.，Hauksson E.，1999．Continuous monitoring of strong motion parameters. Bull. Seism. Socmer.，89 (1)：311—316.

Implement for EDAS-C24 Digital Seismograph Real-time Data Decoding and Simulation of Ground Displacement and Acceleration

Wu Huadeng1,2,3)and Xie Jianbo1,2,3)

1) Earthquake Administration of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China
2) Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology，Guangzhou 510070，China
3) Key Laboratory of Guangdong Province，Earthquake Early Warning and Safety Diagnosis of Major Projects, Guangzhou 510070，China

This paper outlines a new research on data decoding and simulation using graph programming language, which can realize decoding real-time stream of EDAS-C24 digital seismometer. A new method is proposed to realize real-time simulation for decoded data by using digital filter approach to the response of analog integrator and differentiator with G programming language. Through setting the bandwidth, we compared the designed compensation filter response with the actual amplitude-frequency response. We found that the compensation filter response is consistent with the actual amplitude response with a good simulation precision. This method has been well applied to the interaction display area of earthquake science museum of Guangdong province.

LabVIEW; Graphical programming language; Seismograph; Real-time data; Decoding; Simulation

吴华灯，谢剑波，2014．EDAS-C24型数字测震仪实时数据的解码及加速度和位移仿真的实现．震灾防御技术，9（3）：508—517．

10.11899/zzfy20140318

2013-11-21

吴华灯，男，生于1980年。理学学士，工程师。主要从事地震观测研究和软硬件开发工作。E-mail：gdea_whd @aliyun.com