黎珠博

（廣東省地震局，廣州 510070）

0 引言

“十一五”期間，廣東省地震局按照中國地震局的統(tǒng)一部署，進(jìn)行了前兆設(shè)備的升級改造工作。由于標(biāo)配的工控設(shè)備不具備無線路由的功能，為更好地整合標(biāo)配設(shè)備的功能，方便組網(wǎng)傳輸，結(jié)合應(yīng)用的需要，自行開發(fā)了一款基于ARM9的地震前兆VPN路由器。目前，該路由器已經(jīng)投入到前兆臺站試運(yùn)行。下面將圍繞路由器的方案設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件實現(xiàn)和應(yīng)用等幾方面展開敘述。

1 概述

1.1 ARM簡介

ARM（Advanced RISC Machines）是一個 32 位精簡指令集處理器架構(gòu)，廣泛地應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。具有體積小、低功耗、低成本、高性能等特點(diǎn)，非常適用于移動通信領(lǐng)域。ARM根據(jù)不同應(yīng)用對處理器的需求，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位嵌入式處理器75%的比例，是全世界最多數(shù)的32位架構(gòu)之一。

1.2 CDMA簡介

CDMA，中文名稱是碼分多址， 是與GSM并列的移動通信技術(shù)，是一種基于數(shù)字?jǐn)U頻的嶄新而成熟的無線通信技術(shù)。相比較其它系統(tǒng)，它具有抗干擾性好，抗多徑衰落，保密安全性高等特點(diǎn)。

2 地震前兆VPN路由器的設(shè)計方案

“十一五”期間，廣東省地震局對前兆臺站技術(shù)設(shè)備進(jìn)行了升級改造。其中，在數(shù)據(jù)傳輸組網(wǎng)方面，結(jié)合日常應(yīng)用的需要，綜合考慮了有線、無線、VPDN（Virtual Private Data Network，虛擬專用數(shù)據(jù)網(wǎng)）和VPN（Virtual Private Network，虛擬專用網(wǎng)）等功能需求，自行試制了一款支持有線、無線接入并且具備路由、VPDN和VPN撥號功能的地震前兆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模塊。嵌入式核心主板微處理器選用三星公司的S3C2440，自身具備網(wǎng)絡(luò)功能；CDMA模塊選用WAVECOM公司的Q2358C，Q2358C模塊通過USB接口與S3C2440實現(xiàn)底層硬件的通信，實現(xiàn)無線功能。軟件方面采用Linux嵌入式操作系統(tǒng)，用pppd和FreeSWAN兩個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)VPDN撥號登錄移動網(wǎng)絡(luò)及VPN的功能。

3 地震前兆VPN路由器的硬件設(shè)計

3.1 硬件架構(gòu)及組成

路由器采用ARM9微處理器架構(gòu)，由功能底板和核心主板兩部分構(gòu)成嵌入式模塊，外接WAVECOM公司的Q2358C CDMA模塊構(gòu)成整機(jī)，硬件構(gòu)成如圖1所示。

圖1 硬件構(gòu)成Fig.1 The hardware composition

核心主板采用6層PCB設(shè)計，為方便安裝拆卸，設(shè)計成192針引腳的方形標(biāo)準(zhǔn)2.0插針形式。核心主板的CPU工作主頻為400～533 MHz；板載64 MB SDRAM；32 bit數(shù)據(jù)總線；板載64 MB Nand Flash，掉電非易失；3.3 V低電壓供電，功耗低且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

功能底板用于提供網(wǎng)卡接口、串口接口、USB接口、電源接口、音頻接口、Jtag接口、攝像頭接口、LCD接口、SD卡接口等功能性接口。

Q2358C CDMA模塊用于撥號上網(wǎng)，提供網(wǎng)絡(luò)資源。

3.2 硬件設(shè)計

硬件部分的設(shè)計主要包括電源供電電路、串口電路、USB接口電路、以太網(wǎng)接口電路、SD卡接口電路、系統(tǒng)總線接口、按鍵電路、蜂鳴器PWM驅(qū)動電路、IIC電路、IIS電路等方面的設(shè)計及PCB的制作。由于在地震前兆的業(yè)務(wù)應(yīng)用重點(diǎn)使用串口、SD卡、網(wǎng)口、USB口等功能，受篇幅所限，本文將重點(diǎn)列舉串口、SD卡、網(wǎng)口、USB口的電路原理圖。串口電路原理如圖2所示，SD卡接口的電路原理圖如圖3所示，USB接口電路的原理圖如圖4所示，以太網(wǎng)接口的電路原理圖如圖5所示。

（1）電源供電電路。路由器采用5V供電，設(shè)計有電源開關(guān)和電源指示燈。其中核心板是3.3V的供電，由AS2815AR-3.3IC芯片穩(wěn)壓后得到。

（2）串口電路。采用五線異步串行接口和一個UART擴(kuò)展接口，原理圖如圖2所示。

（3）SD卡接口電路。SD （Security Digital）卡接口電路主要是根據(jù)S3C2440芯片里面的SD模塊展開設(shè)計，具體電路如圖3所示。

圖2 串口電路原理圖Fig.2 The principle diagram of serial port circuit

圖3 SD卡接口電路圖Fig.3 The circuit diagram of SD card interface

（4）USB接口電路。由于路由器的核心主板微處理器是基于三星公司的S3C2440芯片展開設(shè)計，直接利用其中的USB模塊即可，USB接口電路如圖4所示。

圖4 USB口的電路原理圖Fig.4 The circuit diagram of USB interface

（5）以太網(wǎng)接口電路。實現(xiàn)的方法是在底板上使用DM9000E芯片擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口，其電路如圖5所示。

4 地震前兆VPN路由器的軟件實現(xiàn)

在硬件設(shè)計好后，需要在硬件上安裝系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。本文所開發(fā)的核心主板支持嵌入式Linux系統(tǒng)和Windows CE系統(tǒng)，由于Linux系統(tǒng)是開源系統(tǒng)，有許多開源并且免費(fèi)的應(yīng)用軟件可以使用，因此在本方案中采用嵌入式Linux系統(tǒng)，以方便無線撥號上網(wǎng)、路由和VPN功能的實現(xiàn)。具體過程是，首先搭建交叉編譯環(huán)境，完成嵌入式Linux系統(tǒng)移植，包括bootloader的編譯和移植、Linux-2.6內(nèi)核的編譯和移植、根文件系統(tǒng)的制作和移植。其次是移植pppd和FreeSWAN應(yīng)用程序，實現(xiàn)VPDN及VPN的功能。

4.1 嵌入式Linux系統(tǒng)移植

在移植系統(tǒng)前，需要在開發(fā)主機(jī)的Linux系統(tǒng)上搭建一個交叉編譯環(huán)境，包括交叉編譯器、網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng) （NFS）、FTP、Telnet等服務(wù)功能。如圖6所示，在建好的交叉編譯環(huán)境里，配置并編譯bootloader、Linux-2.6內(nèi)核、根文件系統(tǒng)，通過USB、JTAG等連接方式把映像燒錄到TARGET核心主板上，完成Linux系統(tǒng)移植。由于Linux-2.6內(nèi)核支持路由功能，在配置編譯時，已經(jīng)選擇路由支持功能，使地震前兆VPN路由器具備路由功能。

圖5 以太網(wǎng)接口的電路原理圖Fig.5 The circuit principle diagram of Ethernet interface

圖6 嵌入式Linux系統(tǒng)移植Fig.6 Transplantation of embedded Linux system

4.2 VPDN應(yīng)用程序移植及配置

Pppd是常用的VPDN應(yīng)用程序，移植該程序的目的是為VPDN的建立提供支持,撥號登錄過程遵循PPP通信協(xié)議。Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核中支持PPP協(xié)議，在編譯Linux-2.6的內(nèi)核時，啟用PPP協(xié)議支持，并在制作根文件系統(tǒng)時，移植pppd應(yīng)用程序，最后通過簡單配置/etc/ppp/peers下的cdma撥號腳本，便可以很簡單地實現(xiàn)PPP撥號功能。以下是本案的配置實例：

上述配置需要注意 “#配置登錄用戶信息”和“#配置撥號分配的固定IP地址和缺省網(wǎng)關(guān)”這兩項，若需要登錄公網(wǎng)進(jìn)行VPN連接，則屏蔽這兩項配置。若需要建立VPDN撥號連接，則需配置這兩項，只有授權(quán)正確才能登陸VPDN服務(wù)器和獲取固定IP地址的分配，實現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)的互通。

4.3 VPN應(yīng)用程序的移植及配置

本案選用FreeSWAN開源軟件實現(xiàn)VPN功能。該軟件是一款運(yùn)行在Linux平臺上免費(fèi)、公開源代碼的VPN軟件，在移植嵌入式Linux系統(tǒng)時，該軟件已經(jīng)被包含其中，只需對相關(guān)代碼部分的修改和配置，即可實現(xiàn)VPN功能。

在FreeSWAN中，為實現(xiàn)VPN功能，需要配置ipsec.conf和ipsec.secrets這兩個文件。具體步驟如下：

（1）執(zhí)行#ipsec showhostkey-left命令，獲取主機(jī)的RSA公鑰。

（2）編輯ipsec.conf，增加n-n新連接；配置leftsubnet=x.x.x.x/x（撥號所獲得的對外IP地址）；rightsubnet=x.x.x.x/x（VPN服務(wù)器的對外IP地址）；leftrsasigkey=***（網(wǎng)關(guān)保護(hù)子網(wǎng)的IP地址范圍）；right=x.x.x.x（主機(jī)的RSA公鑰）；rightrsasigkey=***（對端子網(wǎng)IP地址范圍）；auto=add x.x.x.x（VPN服務(wù)器的right RSA公鑰）。

（3）執(zhí)行#ipsec auto-up n-n建立相關(guān)連接。

5 地震前兆VPN路由器的應(yīng)用

圖7 VPN路由器傳輸應(yīng)用Fig.7 Application of VPN routers

地震前兆VPN路由器研制出來后，我們在“十一五”廣東省地震局前兆臺站技術(shù)設(shè)備升級改造項目里進(jìn)行了部署測試，如圖7所示。其中韶關(guān)、信宜、汕頭3個前兆臺使用SDH有線方式傳輸數(shù)據(jù)，河源臺分別通過CDMA+VPN的方式傳輸?shù)卮臚HD觀測數(shù)據(jù)，通過ADSL+VPN傳輸氣氡、水位、水溫、氣象三要素觀測數(shù)據(jù)。測試過程中，路由器設(shè)備工作正常，數(shù)據(jù)連續(xù)率保證，雙向通信穩(wěn)定，日后擬利用該產(chǎn)品逐步替換從市場購買的路由設(shè)備，以方便集成數(shù)據(jù)接口和節(jié)約設(shè)備購置費(fèi)用[4-5]。

6 結(jié)語

自行研制的支持有線、無線接入并且具備路由、VPDN和VPN撥號功能的地震前兆VPN路由器，經(jīng)過前兆臺站數(shù)據(jù)傳輸測試，證明該設(shè)備是可行的。但在應(yīng)用測試過程中，發(fā)現(xiàn)存在幾方面的缺陷，尚需完善和改進(jìn)。一是，路由器的配置需要編輯多個配置文件，操作專業(yè)性太強(qiáng)，宜開發(fā)一款網(wǎng)頁界面實現(xiàn)配置功能。二是，臺站的前兆數(shù)據(jù)采集器均通過串口與另外一塊工控板相連接，宜將前兆數(shù)據(jù)采集器的接口集成到VPN路由器，剔除工控板，提高臺站設(shè)備的集成度，降低過多設(shè)備帶來的故障率。該款地震前兆VPN路由器的設(shè)計與實現(xiàn)，可以在今后的前兆項目建設(shè)中推廣使用，進(jìn)一步提高前兆技術(shù)的自主創(chuàng)新能力，推動前兆觀測技術(shù)的發(fā)展。

[1]華清遠(yuǎn)見嵌入式培訓(xùn)中心.嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)教程第2版[M].北京：人民郵電出版社，2009.

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[5]周振貴，祝怡紅，曹志磊，等.地震前兆模擬數(shù)據(jù)管理軟件設(shè)計與應(yīng)用[J].華南地震，2013，33（4）：93-96.