基于ARM9的地震前兆VPN路由器的设计与实现

黎珠博

（广东省地震局，广州 510070）

0 引言

“十一五”期间，广东省地震局按照中国地震局的统一部署，进行了前兆设备的升级改造工作。由于标配的工控设备不具备无线路由的功能，为更好地整合标配设备的功能，方便组网传输，结合应用的需要，自行开发了一款基于ARM9的地震前兆VPN路由器。目前，该路由器已经投入到前兆台站试运行。下面将围绕路由器的方案设计、硬件设计、软件实现和应用等几方面展开叙述。

1 概述

1.1 ARM简介

ARM（Advanced RISC Machines）是一个 32 位精简指令集处理器架构，广泛地应用于嵌入式系统设计。具有体积小、低功耗、低成本、高性能等特点，非常适用于移动通信领域。ARM根据不同应用对处理器的需求，主要包括 ARM7系列、ARM9系列、ARM10系列、ARM11系列以及CortexM/R/A系列。在今日，ARM家族占了所有32位嵌入式处理器75%的比例，是全世界最多数的32位架构之一。

1.2 CDMA简介

CDMA，中文名称是码分多址， 是与GSM并列的移动通信技术，是一种基于数字扩频的崭新而成熟的无线通信技术。相比较其它系统，它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高等特点。

2 地震前兆VPN路由器的设计方案

“十一五”期间，广东省地震局对前兆台站技术设备进行了升级改造。其中，在数据传输组网方面，结合日常应用的需要，综合考虑了有线、无线、VPDN（Virtual Private Data Network，虚拟专用数据网）和VPN（Virtual Private Network，虚拟专用网）等功能需求，自行试制了一款支持有线、无线接入并且具备路由、VPDN和VPN拨号功能的地震前兆VPN路由器。地震前兆VPN路由器硬件的核心包括嵌入式核心主板、功能底板和CDMA模块。嵌入式核心主板微处理器选用三星公司的S3C2440，自身具备网络功能；CDMA模块选用WAVECOM公司的Q2358C，Q2358C模块通过USB接口与S3C2440实现底层硬件的通信，实现无线功能。软件方面采用Linux嵌入式操作系统，用pppd和FreeSWAN两个网络应用程序实现VPDN拨号登录移动网络及VPN的功能。

3 地震前兆VPN路由器的硬件设计

3.1 硬件架构及组成

路由器采用ARM9微处理器架构，由功能底板和核心主板两部分构成嵌入式模块，外接WAVECOM公司的Q2358C CDMA模块构成整机，硬件构成如图1所示。

图1 硬件构成Fig.1 The hardware composition

核心主板采用6层PCB设计，为方便安装拆卸，设计成192针引脚的方形标准2.0插针形式。核心主板的CPU工作主频为400～533 MHz；板载64 MB SDRAM；32 bit数据总线；板载64 MB Nand Flash，掉电非易失；3.3 V低电压供电，功耗低且运行稳定可靠。

功能底板用于提供网卡接口、串口接口、USB接口、电源接口、音频接口、Jtag接口、摄像头接口、LCD接口、SD卡接口等功能性接口。

Q2358C CDMA模块用于拨号上网，提供网络资源。

3.2 硬件设计

硬件部分的设计主要包括电源供电电路、串口电路、USB接口电路、以太网接口电路、SD卡接口电路、系统总线接口、按键电路、蜂鸣器PWM驱动电路、IIC电路、IIS电路等方面的设计及PCB的制作。由于在地震前兆的业务应用重点使用串口、SD卡、网口、USB口等功能，受篇幅所限，本文将重点列举串口、SD卡、网口、USB口的电路原理图。串口电路原理如图2所示，SD卡接口的电路原理图如图3所示，USB接口电路的原理图如图4所示，以太网接口的电路原理图如图5所示。

（1）电源供电电路。路由器采用5V供电，设计有电源开关和电源指示灯。其中核心板是3.3V的供电，由AS2815AR-3.3IC芯片稳压后得到。

（2）串口电路。采用五线异步串行接口和一个UART扩展接口，原理图如图2所示。

（3）SD卡接口电路。SD （Security Digital）卡接口电路主要是根据S3C2440芯片里面的SD模块展开设计，具体电路如图3所示。

图2 串口电路原理图Fig.2 The principle diagram of serial port circuit

图3 SD卡接口电路图Fig.3 The circuit diagram of SD card interface

（4）USB接口电路。由于路由器的核心主板微处理器是基于三星公司的S3C2440芯片展开设计，直接利用其中的USB模块即可，USB接口电路如图4所示。

图4 USB口的电路原理图Fig.4 The circuit diagram of USB interface

（5）以太网接口电路。实现的方法是在底板上使用DM9000E芯片扩展网络接口，其电路如图5所示。

4 地震前兆VPN路由器的软件实现

在硬件设计好后，需要在硬件上安装系统软件和应用软件。本文所开发的核心主板支持嵌入式Linux系统和Windows CE系统，由于Linux系统是开源系统，有许多开源并且免费的应用软件可以使用，因此在本方案中采用嵌入式Linux系统，以方便无线拨号上网、路由和VPN功能的实现。具体过程是，首先搭建交叉编译环境，完成嵌入式Linux系统移植，包括bootloader的编译和移植、Linux-2.6内核的编译和移植、根文件系统的制作和移植。其次是移植pppd和FreeSWAN应用程序，实现VPDN及VPN的功能。

4.1 嵌入式Linux系统移植

在移植系统前，需要在开发主机的Linux系统上搭建一个交叉编译环境，包括交叉编译器、网络文件系统 （NFS）、FTP、Telnet等服务功能。如图6所示，在建好的交叉编译环境里，配置并编译bootloader、Linux-2.6内核、根文件系统，通过USB、JTAG等连接方式把映像烧录到TARGET核心主板上，完成Linux系统移植。由于Linux-2.6内核支持路由功能，在配置编译时，已经选择路由支持功能，使地震前兆VPN路由器具备路由功能。

图5 以太网接口的电路原理图Fig.5 The circuit principle diagram of Ethernet interface

图6 嵌入式Linux系统移植Fig.6 Transplantation of embedded Linux system

4.2 VPDN应用程序移植及配置

Pppd是常用的VPDN应用程序，移植该程序的目的是为VPDN的建立提供支持,拨号登录过程遵循PPP通信协议。Linux操作系统的内核中支持PPP协议，在编译Linux-2.6的内核时，启用PPP协议支持，并在制作根文件系统时，移植pppd应用程序，最后通过简单配置/etc/ppp/peers下的cdma拨号脚本，便可以很简单地实现PPP拨号功能。以下是本案的配置实例：

上述配置需要注意 “#配置登录用户信息”和“#配置拨号分配的固定IP地址和缺省网关”这两项，若需要登录公网进行VPN连接，则屏蔽这两项配置。若需要建立VPDN拨号连接，则需配置这两项，只有授权正确才能登陆VPDN服务器和获取固定IP地址的分配，实现内部网的互通。

4.3 VPN应用程序的移植及配置

本案选用FreeSWAN开源软件实现VPN功能。该软件是一款运行在Linux平台上免费、公开源代码的VPN软件，在移植嵌入式Linux系统时，该软件已经被包含其中，只需对相关代码部分的修改和配置，即可实现VPN功能。

在FreeSWAN中，为实现VPN功能，需要配置ipsec.conf和ipsec.secrets这两个文件。具体步骤如下：

（1）执行#ipsec showhostkey-left命令，获取主机的RSA公钥。

（2）编辑ipsec.conf，增加n-n新连接；配置leftsubnet=x.x.x.x/x（拨号所获得的对外IP地址）；rightsubnet=x.x.x.x/x（VPN服务器的对外IP地址）；leftrsasigkey=***（网关保护子网的IP地址范围）；right=x.x.x.x（主机的RSA公钥）；rightrsasigkey=***（对端子网IP地址范围）；auto=add x.x.x.x（VPN服务器的right RSA公钥）。

（3）执行#ipsec auto-up n-n建立相关连接。

5 地震前兆VPN路由器的应用

图7 VPN路由器传输应用Fig.7 Application of VPN routers

地震前兆VPN路由器研制出来后，我们在“十一五”广东省地震局前兆台站技术设备升级改造项目里进行了部署测试，如图7所示。其中韶关、信宜、汕头3个前兆台使用SDH有线方式传输数据，河源台分别通过CDMA+VPN的方式传输地磁FHD观测数据，通过ADSL+VPN传输气氡、水位、水温、气象三要素观测数据。测试过程中，路由器设备工作正常，数据连续率保证，双向通信稳定，日后拟利用该产品逐步替换从市场购买的路由设备，以方便集成数据接口和节约设备购置费用[4-5]。

6 结语

自行研制的支持有线、无线接入并且具备路由、VPDN和VPN拨号功能的地震前兆VPN路由器，经过前兆台站数据传输测试，证明该设备是可行的。但在应用测试过程中，发现存在几方面的缺陷，尚需完善和改进。一是，路由器的配置需要编辑多个配置文件，操作专业性太强，宜开发一款网页界面实现配置功能。二是，台站的前兆数据采集器均通过串口与另外一块工控板相连接，宜将前兆数据采集器的接口集成到VPN路由器，剔除工控板，提高台站设备的集成度，降低过多设备带来的故障率。该款地震前兆VPN路由器的设计与实现，可以在今后的前兆项目建设中推广使用，进一步提高前兆技术的自主创新能力，推动前兆观测技术的发展。

[1]华清远见嵌入式培训中心.嵌入式Linux系统开发标准教程第2版[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[2]吴华灯，叶春明.基于GPRS／CDMA的强震无线数据传输终端的设计与实现[J].华南地震，2008，28（2）：95-102.

[3]孙宏志，王学成，刘一萌，等.基于3G无线传输的测震台站监控设备的研制[J].地震工程学报，2014，36（2）： 387-392.

[4]黎珠博.VPN技术及在地震前兆观测台站中的应用[J].华南地震，2013，33（1）：81-85.

[5]周振贵，祝怡红，曹志磊，等.地震前兆模拟数据管理软件设计与应用[J].华南地震，2013，33（4）：93-96.