MR-2002強震動記錄器事件文件格式淺析及解碼的實現(xiàn)

吳華燈

（1.廣東省地震局，廣州 510070；2.中國地震局地震監(jiān)測與減災技術重點實驗室，廣州 510070；3.廣東省地震預警與重大工程安全診斷重點實驗室，廣州 510070）

MR-2002強震動記錄器事件文件格式淺析及解碼的實現(xiàn)

吳華燈1，2，3

（1.廣東省地震局，廣州 510070；2.中國地震局地震監(jiān)測與減災技術重點實驗室，廣州 510070；3.廣東省地震預警與重大工程安全診斷重點實驗室，廣州 510070）

吳華燈.MR-2002強震動記錄器事件文件格式淺析及解碼的實現(xiàn)[J].華南地震，2016，36（1）：78-82 .[WU Huadeng.The Analysis and Decoding of Event File Format for MR-2002 Strong Notion Recorder[J].South china journal of seismology，2016，36（1）：78-82.]

介紹了MR-2002強震動記錄器壓縮和非壓縮兩種事件文件的格式，從解碼思路和解碼的程序實現(xiàn)兩個方面闡述了事件文件解碼的實現(xiàn)過程，最后對解碼數(shù)據(jù)進行了驗證。驗證結果表明，解碼數(shù)據(jù)是準確無誤的，將為后續(xù)的程序開發(fā)、數(shù)據(jù)應用等相關工作提供可靠的數(shù)據(jù)源。

MR-2002；強震動；記錄器；事件文件；格式；解碼

0 引言

“十五”期間，我國在21個國家地震重點監(jiān)視防御區(qū)建設了近1 160個自由場固定強震動觀測臺，使用了K2、Etna、MR-2002、GDQJ、GSR-18、GSMA-2400IP等六種型號系列的強震動記錄器[1]，儀器種類繁多，事件格式各異，給數(shù)據(jù)處理及研究應用帶來諸多不便。結合近期開發(fā)“國家強震動臺網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸及監(jiān)控管理軟件”的需要，為更便捷、高效地應用上述各種記錄器的事件數(shù)據(jù)，本文作者將陸續(xù)實現(xiàn)這幾種記錄器事件文件的解碼[2-3]，其一是為“國家強震動臺網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸及監(jiān)控管理軟件”自動計算強震動參數(shù)提供數(shù)據(jù)源，其二是為中國地震局工程力學研究所在“十五”期間開發(fā)的“強震動數(shù)據(jù)常規(guī)分析處理軟件SMDP”提供特定格式數(shù)據(jù)，其三是實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一等等。本文就MR-2002強震動記錄器的事件文件格式展開簡要的分析并講解其解碼的實現(xiàn)過程。

1 MR-2002 事件文件格式

1.1 MR-2002事件文件簡要介紹

MR-2002型強震動記錄器由瑞士SYSCOM公司生產(chǎn)，該款儀器的事件文件格式有壓縮格式和非壓縮格式兩種。壓縮格式包括SMR、VMR和XMR三種，SMR、VMR格式為16位記錄器特有，XMR格式為18-24位記錄器特有。我國在“十五”期間進口的MR-2002型強震動記錄器，記錄精度為20位，所使用單元固件的最新版本是420.54，DSP固件的最新版本是9.18，其事件文件壓縮格式是XMR格式。該設備的事件文件是以壓縮二進制的形式寫入到內(nèi)置SRAM存儲器中，同時在大容量存儲器CF卡中備份存儲。事件文件可以通過超級終端或SYSCOM公司的上位機控制軟件WINCOM下載，但兩者下載后的文件格式是有區(qū)別的。通過超級終端中的XMODEM協(xié)議下載的事件文件是原始的壓縮文件，而通過WINCOM下載的文件是解壓后的文件，即非壓縮格式文件。

1.2 MR-2002事件文件格式

如前面所述，我國“十五”時期使用至今的MR-2002型強震動記錄器的事件文件分為XMR壓縮格式和非壓縮格式兩種，兩種格式均由數(shù)據(jù)頭段和數(shù)據(jù)區(qū)兩部分組成，下面分別闡述。

1.2.1 XMR壓縮格式

XMR壓縮格式的事件文件包括數(shù)據(jù)頭段和壓縮數(shù)據(jù)區(qū)兩部分，如圖1所示。數(shù)據(jù)頭段由256個字節(jié)組成，包括一些重要的文件信息、事件信息、時間日期和GPS信息、記錄器參數(shù)、觸發(fā)參數(shù)、儀器健康狀態(tài)、儀器自檢信息等。文件信息的起止地址是0x00-0x0B，事件信息的起止地址是0x0C-0x15，時間日期和GPS信息的起止地址是0x16-0x35，記錄器參數(shù)的起止地址是0x36-0x73,觸發(fā)參數(shù)的起止地址是0x74-0xB1，儀器健康狀態(tài)的起止地址是0xB2-0xCA，儀器自檢信息的起止地址是0xCB-0xD4。數(shù)據(jù)區(qū)采用壓縮算法對數(shù)據(jù)進行了壓縮，可從字節(jié)碼格式入手加以判別和解壓縮。字節(jié)碼格式有 “00”、 “10”、 “11”、 “0100”、“0101”、“0110”、“0111”7種，也就是XMR壓縮算法，數(shù)據(jù)的具體排列組合如圖2所示。

圖1 XMR壓縮格式Fig.1 XMR compress format

1.2.2 非壓縮格式

非壓縮數(shù)據(jù)格式的事件文件同樣包括256字節(jié)的數(shù)據(jù)頭段和非壓縮數(shù)據(jù)區(qū)兩部分，數(shù)據(jù)頭段的格式和壓縮數(shù)據(jù)格式事件文件的相同。每一個事件文件的數(shù)據(jù)以二進制的格式存儲在數(shù)據(jù)區(qū)中。數(shù)據(jù)按照由第一個采樣到最后一個采樣順序存放。對于SMR和VMR文件，每一個采樣包含6個字節(jié)，即3個通道數(shù)據(jù)，每個通道數(shù)據(jù)2字節(jié)。對于XMR文件，每一個采樣包含9個字節(jié)，即3個通道數(shù)據(jù)，每個通道數(shù)據(jù)3字節(jié)。其中，通道數(shù)據(jù)的存放順序是X，Y，Z，每通道采樣值是單精度整形，字節(jié)序由低字節(jié)到高字節(jié)，單位是康特（counts）。非壓縮格式文件的二進制格式如圖3所示。

圖2 XMR非壓縮格式Fig.2 XMR uncompress format

圖3 XMR壓縮算法Fig.3 XMR compress arithmetic

2 事件文件解碼的實現(xiàn)

2.1 解碼思路

對于壓縮數(shù)據(jù)格式，首先找出數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)起始字節(jié)，然后結合字節(jié)碼格式進行判斷，如果采樣值以字節(jié)碼“00”開頭，則其采樣是7個字節(jié)、18位的格式；以字節(jié)碼“10”開頭，其采樣是3個字節(jié)、7位的格式；以字節(jié)碼“11”開頭，其采樣是4個字節(jié)、10位的格式；以字節(jié)碼“0100”開頭，其采樣是2個字節(jié)、4位的格式；以字節(jié)碼“0101”開頭，其采樣是5個字節(jié)、12位的格式；以字節(jié)碼“0110”開頭，其采樣是6個字節(jié)、14位的格式；以字節(jié)碼“0111”開頭，其采樣是8個字節(jié)、20位的格式。各通道解碼數(shù)據(jù)的排列組合，可根據(jù)“圖2 XMR壓縮算法”進行組合。在組合過程中，需要考慮高位數(shù)據(jù)的正負值問題。

對于非壓縮數(shù)據(jù)格式，根據(jù)“1.2.2非壓縮格式”的描述和圖3的展示，第一個采樣時，X通道的數(shù)據(jù)是“7E 00 00”，Y通道的數(shù)據(jù)是“53 00 00”，Z通道的數(shù)據(jù)是“ED FE FF”，以此類推，通過一個大循環(huán)即可解碼出所有采樣值。

2.2 解碼的程序實現(xiàn)

2.2.1 解碼流程

因后期開發(fā)的需要和便于與同行的交流，作者除了用C語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)的解碼外，還嘗試使用JAVA程序設計語言實現(xiàn)解碼的過程。數(shù)據(jù)解碼的實現(xiàn)并不復雜，解碼的流程如圖4所示。

根據(jù)圖4的解碼流程，程序首先讀取256個字節(jié)的頭文件，把文件信息、事件信息、時間日期和GPS信息、記錄器參數(shù)、觸發(fā)參數(shù)、儀器健康狀態(tài)、儀器自檢信息提取出來。其次是找到數(shù)據(jù)區(qū)的起始位置，根據(jù)標志位判斷是否是壓縮數(shù)據(jù)。如果是壓縮數(shù)據(jù)，讀取第一個采樣數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)值進行字節(jié)碼格式判斷，確定采樣數(shù)據(jù)的大小和組成，進而求取X、Y、Z三通道的數(shù)據(jù)。如果是非壓縮數(shù)據(jù)，則讀取9個字節(jié)的數(shù)據(jù)，每3個字節(jié)的數(shù)據(jù)分別就是X、Y、Z通道的值。最后循環(huán)讀取并把解碼的X、Y、Z三通道數(shù)據(jù)寫進數(shù)據(jù)庫或者文件里。

2.2.2 程序實現(xiàn)

受篇幅所限，列舉解碼的結構代碼如下：

圖4 解碼流程Fig.4 Decode flow

3 解碼數(shù)據(jù)的驗證

為了驗證解碼數(shù)據(jù)的正確性，采用了兩種比較方法。一種是直觀的波形圖比較法，另一種是數(shù)據(jù)文件的比較法。

波形圖比較法的優(yōu)點是直觀，但只能大致判斷數(shù)據(jù)的一致性，不容易看出波形的微小差異。其方法是，對于壓縮數(shù)據(jù)，首先使用儀器廠家提供的格式轉換軟件，把壓縮文件轉換成非壓縮文件后，再用波形查看軟件繪制波形圖。對于本文程序解碼生成的非壓縮文件，則可直接用作者的繪圖程序繪制波形圖，也可以用廠家的波形查看軟件讀取本文程序解碼生成的非壓縮文件進行波形圖繪制，最后比較波形圖的差異性。如圖5和圖6所示。

數(shù)據(jù)文件的比較法是數(shù)值比較，即把廠家格式轉換軟件轉換成的非壓縮文件與本文解碼出的非壓縮文件進行比較，只要有一個采樣結果不相等，均視為不正確，因此能保證解碼數(shù)據(jù)的正確性。如圖7所示，兩個非壓縮文件的字節(jié)差異是0:0，80 707個字節(jié)全部匹配。

4 結語

文章從事件文件的格式分析入手，并通過程序實現(xiàn)了壓縮和非壓縮兩種事件格式的解碼。從“圖5原始數(shù)據(jù)”和“圖6解壓縮數(shù)據(jù)”的兩個波形圖可以看出，它們具有一致性，初步判定解碼數(shù)據(jù)沒有畸變。從“圖7文件比較”可以看出，兩個文件的數(shù)值結果是相等的，可以判定解碼數(shù)據(jù)是準確無誤的。事件文件的正確解碼，將為后續(xù)的程序開發(fā)、數(shù)據(jù)應用等相關工作提供可靠的數(shù)據(jù)源，同時也可以為工程技術人員在數(shù)據(jù)應用研究中提供數(shù)據(jù)解碼的思路和方法上的借鑒。

圖5 原始數(shù)據(jù)波形Fig.5 Raw data waveform

圖6 解壓縮數(shù)據(jù)波形Fig.6 Decompressed data waveform

圖7 文件比較Fig.7 File comparison

[1]吳華燈，葉春明.基于GPRS／CDMA的強震無線數(shù)據(jù)傳輸終端的設計與實現(xiàn)[J].華南地震，2008，28（2）：95-102.

[2]吳華燈，閆俊義，葉春明.Altus強震數(shù)據(jù)采集器實時數(shù)據(jù)流解碼的實現(xiàn)[J].華南地震，2010（S1）：1-2.

[3]吳華燈，葉春明.TDE-324CI數(shù)據(jù)采集器強震實時數(shù)據(jù)流格式及解碼過程淺析[J].防災科技學院學報，2011，13（4）：61-66.

[4]吳華燈，葉春明，郭德順.基于網(wǎng)絡的強震動臺網(wǎng)監(jiān)控平臺的設計與實現(xiàn)[J].地震工程與工程振動，2011，31 （5）：8-12.

The Analysis and Decoding of Event File Format for MR-2002 Strong Notion Recorder

WU Huadeng1，2，3
（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 Guang Dong Province，Earthquake Early Warning and Safety Diagnosis of Major Projects，Guangzhou 510070，China）

The paper introduced the compression and non compression formats of event files for MR-2002 strong motion recorder, and described the realization process of the event file decoding in two aspects from decoding method and decoding procedure.The verification results showed that the decoded data was accurate, and thus could serve as reliable data source for follow-up program development, data applications and other related work.

MR-2002；Strong motion；Strong motion Recorder；Event file；Format；Decoding

P315.780.1

A

1001-8662（2016）01-0078-05

10.13512/j.hndz.2016.01.011

2015-03-16

中國地震局地震科技星火計劃項目（XH14038Y）

吳華燈（1980-），男，高級工程師，主要從事地震觀測研究和軟硬件開發(fā)工作.

E-mail：gdea_whd@aliyun.com.