KR101768392B1 - 시간 동기화의 정확도가 향상된 미소지진 계측 시스템 및 방법 - Google Patents

시간 동기화의 정확도가 향상된 미소지진 계측 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지진 감시 대상 지역에 설치되는 다수의 지진 계측장치의 지진 측정 시간을 정확하게 동기화시켜 정밀한 미소지진 계측이 이루어질 수 있도록 하는 시간 동기화의 정확도가 향상된 미소지진 계측 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따fms 미소지진 계측 시스템은 복수의 계측장치에서 진동센서를 통하여 지진 감시 대상 지역에서 발생하는 진동을 측정하고, 이를 원격의 계측 모니터링 장치에 전송하여 미소지진 발생 유무를 파악하도록 하는 미소지진 계측 시스템에 있어서, 상기 계측장치(100)(200)는 GPS 위성으로부터 수신되는 1PPS 신호와, 설정된 진동 측정 샘플수에 따라 내부 CPU 클럭을 기반으로 생성되는 샘플링 클럭과, 상기 1PPS 신호의 시작점에 생성되는 트리거 신호의 시작점을 일치시켜 시간 동기화를 수행한 후, 시간 동기화에 따라 진동센서(120)를 통하여 측정되는 진동 신호를 A/D 컨버팅하여 원격의 계측 모니터링 장치(300)에 전송함으로써, 매우 정확한 시간 동기화를 구현할 수 있도록 제공한다.

Description

시간 동기화의 정확도가 향상된 미소지진 계측 시스템 및 방법 {MICROEARTHQUAKE MEASURING SYSTEM AND METHOD IMPROVED THE ACCURACY OF TIME SYNCHRONIZATION}
본 발명은 미소지진 계측 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 지진 감시 대상 지역에 설치되는 다수의 지진 계측장치의 지진 측정 시간을 정확하게 동기화시켜 정밀한 미소지진 계측이 이루어질 수 있도록 하는 시간 동기화의 정확도가 향상된 미소지진 계측 시스템 및 방법에 관한 것이다.
지진 발생이 예측되는 지역에는 다수의 지진 계측장치가 설치되어 주변의 진동을 측정하고, 다수의 지진 계측장치에서 측정된 진동 신호를 계측 제어장치에서 분석하여 지진 발생 유무를 파악하게 된다. 이와 같이 다수의 지진 계측장치를 이용하여 진동을 측정할 때 정확한 지진 발생 여부를 파악하기 위해 측정 시간을 동기화시키는 것이 필요한데, 종래에는 각각의 계측장치에서 GPS 모듈을 이용하여 위성으로부터 시간정보를 전달받아 각 계측장치 간의 시간 동기화를 수행하였다. 또한, GPS 모듈로부터 전달받은 시간 정보를 RTC(RTC : Real Time Clock)를 이용하여 보정하고, 이를 이더넷 통신 등을 통하여 다른 계측 제어장치에 실시간으로 전달하여, 계측 제어장치에서 실시간으로 지진 및 진동을 감시하도록 하고 있다.
하지만, 상기와 같은 시간 동기화 방법은 다수의 계측 장치에 대해 각각 시간 동기화 모듈을 구성해서 적용하기 때문에 각 계측 장치에 대한 시간 동기화가 정확하게 이루어지지 못하는 문제점이 있다. 즉, GPS 모듈의 경우 위성신호를 전달받아 시간 정보를 획득하는데 전달받는 시간 정보에 오차가 발생할 수 있기 때문에 정확성이 떨어지게 되는데, 현재 상기와 같은 시간 동기화를 적용한 상용화 제품의 경우 그 정확성이 ±5ms 정도의 오차가 발생하는 것으로 알려져 있다.
한편, 근래에는 보다 정확한 시간 동기화를 위해 위성과 통신하여 위성으로부터 GPS의 시간정보 및 1PPS(pulse per second) 펄스신호를 수신하여 시간 동기화를 구현하는 방법이 이용되고 있는데, 이 1PPS는 시각의 시작을 매우 정밀하게 표시하여 주는 전기적인 펄스신호이다. 하지만, 이러한 종래 1PPS 신호를 이용한 시간 동기화 방법 또한 위성으로부터 전달받은 1PPS의 시간 오차가 발생하고, 전송 속도, 타이밍 등의 여러 가지 요인으로 인해 시간 정보의 오차가 유발되기 때문에 이를 보정하는 과정이 필요한데, 보정 과정이 매우 복잡하여 다수의 계측시스템의 시간 동기화 정밀성이 미흡한 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1128491호 (2012.03.13. 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1432469호 (2014.08.13. 등록)
본 발명은 종래 시간 동기화 방법의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 GPS에서 출력되는 1PPS 기준 펄스를 내부 시스템의 클럭 기반으로 생성된 샘플수에 따른 샘플링 클럭을 이용하여 시작점을 일치시키는 동시에 무선 또는 유선 방식의 트리거 발생 장치를 이용하여 다수의 계측장치와 시간 동기화를 함으로써 정확한 시간 동기화가 이루어질 수 있도록 하는 미소지진 계측 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미소지진 계측 시스템은 복수의 계측장치에서 진동센서를 통하여 지진 감시 대상 지역에서 발생하는 진동을 측정하고, 이를 원격의 계측 모니터링 장치에 전송하여 미소지진 발생 유무를 파악하도록 하는 미소지진 계측 시스템에 있어서, 상기 계측장치는 GPS 위성으로부터 수신되는 1PPS 신호와, 설정된 진동 측정 샘플수에 따라 내부 CPU 클럭을 기반으로 생성되는 샘플링 클럭과, 상기 1PPS 신호의 시작점에 생성되는 트리거 신호의 시작점을 일치시켜 시간 동기화를 수행한 후, 시간 동기화에 따라 진동센서를 통하여 측정되는 진동 신호를 A/D 컨버팅하여 원격의 계측 모니터링 장치에 전송하게 된다.
여기에서, 상기 계측장치에는 진동센서를 통하여 측정되는 진동 신호를 AD 컨버팅을 통하여 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기와, GPS 위성으로부터 시간 정보를 나타내는 1PPS 신호를 수신하는 GPS 모듈과, 설정된 진동 측정 샘플수에 따라 내부 CPU 클럭을 기반으로 샘플링 클럭을 생성하는 샘플링 클럭 생성부와, 상기 1PPS 신호의 시작점에 트리거 신호를 생성하는 트리거 발생부와, 상기 1PPS 신호와 샘플링 클럭 및 트리거 신호의 시작점이 일치하는 시점을 A/D 변환기의 컨버팅 시작점으로 동기화시켜 복수의 계측장치 간에 시간 동기화를 수행한 후, A/D 변환기를 통하여 AD 컨버팅되는 진동 신호를 원격의 계측 모니터링 장치에 전송하는 제어부;가 구비된다.
상기 복수의 계측장치는 메인 계측장치와 복수의 서브 계측장치를 포함하되, 상기 메인 계측장치는 트리거 발생부를 통하여 1PPS 신호의 시작점에 트리거 신호를 생성하여 서브 계측장치로 전송하고, 상기 복수의 서브 계측장치는 메인 계측장치로부터 수신되는 트리거 신호에 따라 트리거 발생부를 통하여 트리거 신호를 생성하게 된다.
또한, 상기 메인 계측장치는 RS-422 유선통신 또는 블루투스 무선통신을 수행하는 트리거 통신부를 통하여 트리거 신호를 서브 계측장치로 전송하고, 상기 복수의 계측장치는 이더넷 통신을 수행하는 이더넷 통신부를 통하여 측정된 진동 신호를 원격의 계측 모니터링 장치에 전송하게 된다.
상기 계측장치에는 샘플링 클럭 생성부를 통하여 생성된 샘플링 클럭의 시작점이 GPS 모듈을 통하여 수신된 1PPS 신호의 시작점과 일치하는 않는 경우, 샘플링 클럭의 주기를 타임 시프트를 통하여 보정하여 1PPS 신호의 시작점과 일치시키는 보정처리부가 구비된다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미소지진 계측 방법은 메인 계측장치 및 서브 계측장치를 포함하는 복수의 계측장치에서 진동센서를 통하여 지진 감시 대상 지역에서 발생하는 진동을 측정하고, 이를 원격의 계측 모니터링 장치에 전송하여 미소지진 발생 유무를 파악하도록 하는 미소지진 계측 방법으로서, 상기 메인 계측장치 및 서브 계측장치에서 각각 GPS 위성으로부터 전송되는 1PPS 신호를 수신하고, 설정된 진동 측정 샘플수에 따라 내부 CPU 클럭을 기반으로 샘플링 클럭을 생성하는 단계와; 상기 메인 계측장치에서 상기 1PPS 신호의 시작점에 트리거 신호를 생성하여 유선 또는 무선 통신을 통해 서브 계측장치로 전송하고, 상기 서브 계측장치는 상기 메인 계측장치로부터 수신되는 트리거 신호에 따라 트리거 신호를 생성하는 단계와; 상기 메인 계측장치 및 서브 계측장치에서 각각 상기 1PPS 신호와 샘플링 클럭 및 트리거 신호의 시작점을 일치시켜 시간 동기화를 수행한 후, 시간 동기화에 따라 진동센서를 통하여 측정되는 진동 신호를 A/D 변환기를 통하여 AD 컨버팅하여 이더넷 통신을 통하여 원격의 계측 모니터링 장치에 전송하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 미소지진 계측 시스템 및 방법은 종래의 시간 동기화 기법을 이용하는 동시에 복잡한 보정이 필요없이 CPU에서 생성되는 클럭을 기반으로 생성되는 샘플수와 다수의 계측기에 내부 트리거 발생회로를 적용하여 트리거 신호를 다중 타이밍 동기화를 함으로써 종래의 1PPS를 이용한 시간 동기화에 비해 매우 정확한 시간 동기화를 구현할 수 있는 효과가 있다. 즉, 다수의 미소지진 계측 시스템의 시간 동기화에 대한 복잡한 보정을 하지 않고 간단하면서 종래의 시간 동기화 방법에 비해 정밀성을 완벽하게 구현하여 미소지진 및 진동 신호 분석 시 보다 정확한 정보를 제공한다는 있는 장점이 있다.
도 1은 종래 1PPS 신호를 이용한 시간 동기화 방법의 일례,
도 2는 본 발명에 따른 미소지진 계측 시스템의 전체적인 네트워크 연결도,
도 3은 본 발명에 따른 지진 계측장치의 블럭 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 지진 계측장치를 통하여 시간 동기화가 이루어지는 개념을 나타낸 모식도,
도 5는 본 발명에 따른 계측장치를 통하여 시간 동기화가 이루어지는 과정을 나타낸 흐름도,
도 6은 본 발명에 따른 미소지진 계측 시스템을 통하여 이루어진 시간 동기화 실험 일례를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미소지진 계측 시스템의 전체적인 네트워크 연결도를 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 미소지진 계측 시스템은 지진 감시 대상 지역에 설치되는 복수의 계측장치(100)(200)와, 상기 계측장치(100)(200)의 동작을 제어하며 계측장치를 통하여 측정되는 지진 감지 신호를 분석하여 미소지진 발생 유무를 파악하는 계측 모니터링 장치(300)를 포함하여 이루어진다.
상기 복수의 계측장치(100)(200)는 지진 감지를 위해 주변에서 발생하는 진동 신호를 측정하게 되는데, 이때 계측장치(100)(200)의 측정 시간 정보는 특정 이벤트(미소지진) 발생 시 위치 결정에 아주 중요한 정보가 된다. 즉, 지진 및 진동 계측에서 위치결정 분석시 신호에 대한 초동 주시를 이용하여 분석이 이루어지는데, 여기서 각 계측장치(100)(200)의 시간 정보가 동일하지 않으면 위치 결정 분석에 있어 많은 오차를 유발하게 되고, 이에 따라 신호 분석의 정밀성이 떨어지는 문제점이 발생하게 된다. 본 발명에서는 복수의 계측장치(100)(200) 간의 측정 시간을 동일하게 일치시키는 시간 동기화를 위하여, GPS에서 수신되는 1PPS 신호와, 미리 설정되는 지진 측정 샘플수에 따라 시스템 내부 CPU 클럭을 기반으로 생성되는 샘플링 클럭과, 그리고 각 계측장치의 내부 트리거 발생부를 통하여 생성되는 트리거 신호의 타이밍을 일치시킴으로써, 기준 시간을 모든 계측장치에 동일하게 부여하여 똑같은 시간 영역 대에서 계측장치를 운영할 수 있도록 한다. 또한, 각각의 계측장치(100)(200)에서 내부 클럭을 기반으로 정밀한 샘플링 보정을 수행하여 시간 동기화가 정밀한 계측시스템을 구현할 수 있도록 한다.
이를 위해 상기 계측 장치(100)(200)는 메인 계측장치(100)와 복수의 서브 계측장치(200)를 포함하여 이루어지는데, 이 메인 계측장치(100)와 서브 계측장치(200)는 그 역할에 따라 명칭을 다르게 부여한 것으로, 그 구성은 동일 또는 유사하게 이루어지게 된다. 상기 메인 계측장치(100)는 시간 동기화를 위해 트리거 신호를 발생시켜 서브 계측장치(200)에 전송하는 역할을 수행하고, 서브 계측장치(200)는 메인 계측장치(100)로부터 전송되는 트리거 신호에 따라 자체적으로 트리거 신호를 발생시켜 IPPS 신호 및 샘플수에 따른 샘플링 클럭을 이용하여 시간 동기화를 수행하게 된다. 상기 서브 계측장치(200)에 트리거 신호를 전송하는 메인 계측장치(100) 또한 1PPS 신호 및 샘플링 클럭과 트리거 신호를 이용하여 시간 동기화를 수행한 후, 주변의 진동 신호를 감지하여 계측 모니터링 장치(300)에 전송하게 된다. 본 발명의 실시예에서 메인 계측장치(100)와 복수의 서브 계측장치(200)는 RS-422 등의 유선통신이나 블루투스 등의 무선 통신을 통해 연결되어 트리거 신호를 송수신하게 되고, 각 계측장치(100)(200)와 계측 모니터링 장치(300)는 UDP 또는 TCP/IP 등의 이더넷(Ethernet) 통신을 통하여 데이터를 송수신하게 된다. 즉, 메인 계측장치(100)는 RS-422 유선통신 또는 블루투스 무선통신을 통하여 트리거 신호를 서브 계측장치(200)에 전송하게 되고, 메인 계측장치(100) 및 서브 계측장치(200)는 시간이 동기화된 진동 신호를 측정하여 이더넷 통신을 통하여 계측 모니터링 장치(300)에 전송하게 된다. 이와 같이 메인 계측장치(100)에서 서브 계측장치(200)에 트리거 신호를 전송하는 통신을 이더넷 통신과 별도로 구성되는 것은, 이더넷 통신 특성상 통신 중에 데이터 손실이나 지연이 발생할 수 있는 반면, RS-422 유선통신이나 블루투스 무선통신의 경우 통신 중에 데이터 손실이나 지연이 거의 발생하지 않아 정확한 데이터 전송이 가능하기 때문으로, 이를 통해 정밀한 시간 동기화가 이루어질 수 있게 된다. 하지만, 본 발명에서 유선통신 및 무선통신이 RS-422 및 블루투스 통신으로 한정되는 것은 아니며, 이는 환경에 따라 RS-485 유선통신 또는 Wifi 무선통신 등으로 대치될 수도 있다.
한편, 상기 계측 모니터링 장치(300)는 이더넷 통신을 통하여 각 계측장치(100)(200)에 제어 신호를 전송하여 계측장치(100)(200)의 동작을 제어하게 된다. 즉, 계측 모니터링 장치(300)는 복수의 계측장치(100)(200)에 각 장치의 IP별 초기값을 전송하여 동작 환경을 설정할 수 있는데, 이러한 장치의 초기값으로는 통신 채널, 측정 신호의 샘플링, 측정 데이터의 저장시간 등이 될 수 있다. 또한, 계측 모니터링 장치(300)는 각 계측장치(100)(200)로부터 진동 감지신호를 전송받아 이를 분석함으로써 미소지진 발생 유무를 파악하는 모니터링 과정을 수행하게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지진 계측장치의 블럭 구성도를 나타낸 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 메인 계측장치(100) 또는 서브 계측장치(200)는, 주변에서 발생하는 지진을 감지하기 위해 진동을 측정하는 진동센서(120)와, 상기 진동센서(120)를 통하여 측정되는 진동 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기(125)와, 제어부(110)의 CPU에서 발생하는 클럭을 기반으로 진동 측정 신호의 샘플수에 대한 샘플링 클럭을 생성하는 샘플링 클럭 생성부(130)와, 상기 샘플링 클럭 생성부(130)를 통하여 생성된 샘플링 클럭에 시간 지연이 발생하는 경우 타임 시프트를 통해 이를 보정하는 보정처리부(135)와, 계측장치의 동작 환경 및 계측 데이터를 저장하는 저장부(140)와, GPS 위성으로부터 1PPS 신호를 수신하는 GPS 모듈(150)과, 시간 동기화를 위한 트리거 신호를 생성하는 트리거 발생부(160)와, 계측 모니터링 장치(300)와 이더넷 통신을 수행하는 이더넷 통신부(170)와, 계측장치 간에 트리거 신호를 송수신하는 트리거 통신부(180)와, 상기 각 구성부의 동작을 제어하는 제어부(110)와, 상기 각 구성부에 전원을 공급하는 전원부(190)가 구비된다.
상기 진동센서(120)는 제어부(110)의 제어에 따라 주변의 미소지진 감지를 위한 진동 신호를 측정하는 센서로서, 이 진동센서(120)에 의해 측정되는 신호는 A/D 변환기(125)에 의해 AD 컨버팅을 통해 디지털 데이터로 변환된다. 상기 A/D 변환기(125)는 진동센서(120)를 통하여 측정된 진동 신호를 AD 컨버팅 하는 과정에서 미리 설정되는 샘플수, 즉 초당 샘플 갯수에 따라 아날로그 진동 신호를 샘플링하여 디지털 신호로 변환하게 된다. 본 발명에서 명칭되는 샘플수는 이러한 AD 컨버팅을 위한 초당 샘플 개수를 의미하는 것으로, 이 샘플수는 계측장치(100)(200)에서 자체적으로 설정되거나 원격의 계측 모니터링 장치(300)를 통하여 설정될 수 있다.
상기 샘플링 클럭 생성부(130)는 시간 동기화에 사용되는 진동 신호의 샘플수에 따른 샘플링 클럭을 생성하는 장치로서, 이 샘플링 클럭 생성부(130)는 제어부(110)의 내부 CPU 클럭을 이용하여 설정된 진동 측정 신호의 샘플수에 대한 샘플링 클럭을 생성하게 된다. 상기 A/D 변환부에서 설명한 바와 같이 샘플수는 측정 대상이 되는 진동 측정 신호의 초당 샘플 개수를 의미하는 것으로, 진동 측정이 1khz로 설정된다면 샘플수는 1000개가 되며, 이에 따라 샘플링 클럭 생성부(130)는 내부 CPU의 클럭을 이용하여 초당 1000개의 클럭을 생성하게 된다. 일반적으로 CPU는 매우 정밀한 주파수 클럭(예를 들면, 약 150khz, 초당 150,000개의 클럭)을 가지고 있으므로, 샘플링 클럭 생성부(130)는 이 정밀한 CPU 클럭을 이용하여 샘플수에 대한 샘플링 클럭을 생성하게 된다.
상기 보정처리부(135)는 샘플링 클럭 생성부(130)를 통하여 생성되는 샘플수에 따른 샘플링 클럭을 1PPS 신호 및 트리거 신호와 일치시키기 위해 보정하는 장치이다. 이 보정처리부(135)는 샘플링 클럭 생성부(130)를 통하여 생성된 샘플링 클럭의 시작점 또는 종료점이 GPS 모듈(150)을 통해 수신되는 1PPS 신호의 시작점 및 트리거 발생부(160)를 통하여 생성된 트리거 신호의 시작점과 일치하지 않는 경우, 1PPS 펄스 신호의 시작점을 기준으로 출력 지연시간, 출력 종료시간 등을 고려하여 타임 시프트를 통해 보정하여 시간 동기화를 이루게 된다. 상기 보정처리부(135)를 통해 시간 동기화가 이루어지면, 동기화된 시간을 기준으로 A/D 변환부(125)는 AD 컨버팅을 진행하게 된다.
상기 GPS 모듈(150)은 GPS 위성으로부터 1PPS 신호를 수신하는 장치로서, GPS 모듈(150)은 안테나를 통하여 수신되는 GPS 신호에 포함된 1PPS 신호를 추출하여 제어부(110)로 전송하게 된다.
상기 트리거 발생부(160)는 시간 동기화를 위한 트리거 신호를 생성하는 장치로서, 메인 계측장치(100)에 구비된 트리거 발생부(160)는 GPS 모듈(150)을 통하여 수신된 1PPS 신호의 시작점에 일치시켜 트리거 신호를 발생시켜 트리거 통신부(180)를 통하여 복수의 서브 계측장치(200)에 전송하게 된다. 한편, 서브 계측장치(200)는 메인 계측장치(100)로부터 트리거 신호를 수신하는 동시에 내부의 트리거 발생부(160)를 통하여 트리거 신호를 생성하여 시간 동기화 신호로 이용하게 된다.
상기 이더넷 통신부(170)는 UDP 또는 TCP/IP 등의 이더넷 통신을 통하여 계측 모니터링 장치(300)와 통신을 수행하는 장치로서, 이 이더넷 통신부(170)는 계측 모니터링 장치(300)로부터 설정 초기값을 전송받아 제어부(110)에 전송하고, 진동센서(120)를 통하여 측정되어 디지털 신호로 변환된 지진 측정신호를 계측 모니터링 장치(300)에 전송하게 된다.
상기 트리거 통신부(180)는 RS-422 유선통신 또는 블루투스 등의 무선통신을 통하여 계측장치 간에 통신을 수행하는 장치로서, 이 트리거 통신부(180)를 통하여 메인 계측장치(100)는 트리거 신호를 복수의 서브 계측장치(200)에 전송하게 된다.
상기 제어부(110)는 계측장치(100)(200)의 전체적인 동작을 제어하는 디지털 신호처리 장치(DSP ; Digital Signal Processor)로서, 이 제어부(110)는 이더넷 통신부(170)를 통하여 수신되는 계측 모니터링 장치(300)의 설정 초기값에 따라 지진 계측장치의 초기값을 설정하고, GPS 모듈(150)을 통하여 수신되는 1PPS 신호와 샘플링 클럭 생성부(130)를 통하여 생성되는 샘플수에 따른 샘플링 클럭 신호 및 트리거 발생부(160)를 통하여 생성된 트리거 신호의 시작점을 일치시키는 시간 동기화를 수행하고, 시간 동기화가 이루어지면 A/D 변환기(125)를 통하여 AD 컨버팅을 수행하여 진동 신호를 획득하고 이를 이더넷 통신부(170)를 통하여 계측 모니터링 장치(300)에 전송하게 된다. 또한, 상기 제어부(110)는 1PPS 신호와 샘플링 클럭 신호 및 트리거 신호의 시작점이 일치되지 않는 경우 보정처리부(135)를 통하여 샘플링 클럭을 타임 시프트를 통해 보정하여 1PPS 신호 및 트리거 신호와 일치시키게 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 계측장치를 통하여 시간 동기화가 이루어지는 개념을 나타낸 모식도로서, 도 4의 A는 계측장치의 GPS 모듈(150)을 통하여 수신된 1PPS 신호이고, B는 계측장치의 샘플링 클럭 생성부(130)를 통하여 생성되는 샘플수에 따른 샘플링 클럭 신호이며, C는 계측장치의 트리거 발생부(160)를 통하여 생성되는 트리거 신호를 나타낸 것이다.
본 발명에서는 GPS로부터 수신된 1PPS의 펄스신호(A)를 이용하되, 시스템 내부에서 발생되는 클럭을 기반으로 생성되는 샘플수에 따른 샘플링 클럭 신호(B)와, 트리거 신호(C)가 일치하는 시작점을 AD 컨버팅의 시작점으로 하여 동작하게 된다. 즉, 계측장치(100)(200)의 제어부(110)는 GPS 모듈(150)을 통하여 수신된 1PPS 신호의 상승 에지 시작점과, 시스템 클럭에 의해 생성된 샘플수에 따른 샘플링 클럭 신호의 주기와 내부 트리거 신호의 타이밍을 일치화 시켜 동기화를 이루게 된다. 이 과정에서 1PPS 신호의 상승 에지와 샘플링 클럭의 시작점이 일치되지 않을 경우, 제어부(110)는 보정처리부(135)를 통하여 1PPS 신호를 기준으로 샘플링 클럭 신호의 출력 지연시간, 출력 종료시간을 고려하여 타임 시프트를 통해 보정하여 1PPS 신호의 시작점과 일치시켜 AD 컨버팅 시작점으로 동기화시키게 된다.
이러한 시간 동기화 과정을 예를 들어 설명하면, 계측에 필요한 샘플링 클럭 설정이 4kHz(샘플수 4000개)라고 가정했을 때, 1PPS 신호의 시작점으로부터 1초를 1/4000 (250㎲) 한 내부 타이머를 이용하여 1초당 4000번의 AD 컨버팅을 하여 전송하고, 다음 1초의 시작점이 GPS로부터 입력되면 같은 동작을 반복하여 시간 동기화가 이루어지게 된다. 여기서, 제어부(110)에서는 초기에 시스템을 초기화하고 GPS로부터 전송되는 1PPS 신호가 수신되는지에 대한 여부와, 1PPS 신호와 주 클럭의 샘플링 클럭 신호가 정확히 동기하는지에 대한 여부, 그리고 내부 트리거 발생부(160)에서 트리거(펄스)를 발생시켜 각 동기 신호에 대해 판단하고, 정상적으로 출력이 되면 램프로 점등시켜 표시하고, 시스템 이상 발생시 트리거 발생부(160) 회로를 리셋시키도록 한다.
즉, GPS 위성으로부터 출력되는 1PPS 신호(1초당 하나의 펄스 신호)를 GPS 모듈(150)을 통해 수신하면, 1PPS의 시작점을 계측에 필요한 샘플수에 따라 내부 타이머를 이용하여 샘플링 클럭과 동기화시키고, 더블어 다수의 계측장치에서 내부 트리거 발생부(160)를 통하여 발생된 트리거 신호를 재동기 시킴으로써, 다수의 계측장치 간의 정확한 동기화가 이루어지게 된다.
이러한 과정을 통하여 동기화된 기준 신호에 따라 A/D 변환기(125)는 진동센서(120)를 통하여 측정된 진동 신호를 설정된 샘플수에 따라 샘플링을 수행하게 되는데, 이때 일정한 샘플링 간격으로 모든 채널을 동기화하기 위해 타임 시프트가 적용된다. 또한, 제어부(110)에서는 GPS 모듈(150)에서의 출력을 보정하여 1PPS와 주 클럭의 샘플링을 정확히 동기화 시키는데, 이때 만약 1PPS 신호와 샘플이 다를 경우 이를 보정하여 1초에 설정된 샘플수가 정확하게 일치하도록 한다.
이하에서는 상기의 구성으로 이루어진 미소지진 계측 시스템을 통하여 지진이 계측되는 과정에 대하여 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 계측장치를 통하여 시간 동기화가 이루어지는 과정을 나타낸 흐름도이다.
단계 S100, S110 : 먼저, 계측 모니터링 장치(300)는 이더넷을 통하여 복수의 계측장치(100)(200)에 각각 지진 계측을 위한 초기값, 예를 들면 각 장치별 채널, 샘플수, 저장 시간 등을 전송하게 되며(S100), 계측 모니터링 장치(300)로부터 지진 계측 초기값을 전송받은 각 계측장치(100)(200)는 수신된 초기값으로 동작 환경을 설정하게 된다(S110).
단계 S120, S130 : 초기값 설정이 이루어진 후, 각 계측장치(100)(200)는 GPS 모듈(150)을 통해 1PPS 신호를 수신하고(S120), 설정된 진동 측정 샘플수에 따라 샘플링 클럭 생성부(130)에서 CPU 클럭을 기반으로 샘플링 클럭을 생성하게 된다(S130).
단계 S140, S150 : 한편, 메인 계측장치(100)에서는 수신된 1PPS 신호의 시작점에서 트리거 발생부(160)를 통하여 트리거 신호를 생성하게 되는데, 생성된 트리거 신호는 RS-422 유선통신이나 블루투스 무선통신을 통해 복수의 서브 계측장치(200)로 실시간 전송된다(S140). 또한, 상기 메인 계측장치(100)로부터 트리거 신호를 수신하는 서브 계측장치(200)는 트리거 신호 수신 시점에 내부 트리거 발생부(160)를 통하여 트리거 신호를 생성하게 된다(S150).
단계 S160 : 1PPS 신호와 샘플수에 따른 샘플링 클럭 신호, 트리거 신호를 생성하는 메인 계측장치(100) 및 서브 계측장치(200)는 이 1PPS 신호와 샘플링 클럭 신호 및 트리거 신호의 타이밍이 일치되는 시점을 AD 컨버팅의 시작점이 되도록 하는 시간 동기화 과정을 수행하게 된다. 상기 트리거 신호는 1PPS 신호의 시작점에 생성되기 때문에 서로 시작점이 일치되는데 반해, 샘플링 클럭의 경우 샘플수에 따라 CPU 클럭을 기반으로 생성되기 때문에 1PPS 신호의 시작점과 일치하지 않는 경우가 발생할 수 있다. 이런 경우 보정처리부(135)는 타임 시프트를 통해 샘플링 클럭의 시작점을 조절함으로서 1PPS 신호의 시작점과 일치시켜 시간 동기화가 되도록 보정하게 된다.
단계 S170, S180 : 상기 과정을 통해 1PPS 신호와 샘플링 클럭 신호 및 트리거 신호의 타이밍을 일치시켜 시간 동기화가 이루어지면, A/D 변환기(125)는 진동센서(120)를 통하여 측정되는 진동 신호를 샘플링하여 디지털 신호로 변환하게 된다(S170). 메인 계측장치(100) 및 서브 계측장치(200)는 측정되는 진동 샘플링 신호를 이더넷 통신을 통하여 계측 모니터링 장치(300)에 전송하게 되고, 각 계측장치로부터 측정 신호를 수신하는 계측 모니터링 장치(300)는 수신되는 측정 신호를 분석하여 미소지진 발생 유무를 파악하게 된다(S180).
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 미소지진 계측 시스템을 통하여 이루어진 시간 동기화 실험 일례를 나타낸 것으로, 두 대의 계측장치(계측장비_1, 계측장비_2)를 이용하여 미소 진동 측정을 위한 시간 동기화 검증을 수행한 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 계측장비_1과 계측장비_2를 1PPS 신호와 샘플수에 따른 샘플링 클럭 신호 및 트리거 신호를 이용하여 시간 동기화를 수행한 후, 시간 데이터를 확대하여 피킹으로 시간을 비교해 본 결과, 계측장비_1의 경우 14일 29분 13초 825001로 측정되고 계측장비_2는 14일 29분 13초 825002로 측정되어 서로 1㎲의 차이가 발생하였다. 이러한 계측장치 간의 ±1㎲ 오차 범위는 종래 시간 동기화 계측장치의 시간 오차가 대략 ±1~5ms인데 비해 매우 적은 오차가 발생한 것으로, 종래에 비해 매우 정확한 시간 동기화가 이루어지도록 구현되었음을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 미소지진 계측 시스템은 복수의 계측장치에서 GPS의 1PPS 신호와, 진동 계측 샘플수에 따른 샘플링 클럭 신호와, 내부 트리거 신호의 시작점을 일치시켜 시간 동기화를 수행함으로써, 각 계측장치들의 시간 동기화가 정확하게 이루어져 미소지진 및 진동 분석이 정확하게 이루어질 수 있도록 제공된다.
이러한 본 발명은 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
100 : 메인 계측장치 110 : 제어부
120 : 진동센서 125 : A/D 변환기
130 : 샘플링 클럭 생성부 135 : 보정처리부
140 : 저장부 150 : GPS 모듈
160 : 트리거 발생부 170 : 이더넷 통신부
180 : 트리거 통신부 190 : 전원부
200 : 서브 계측장치 300 : 계측 모니터링 장치

Claims (6)

  1. 진동센서(120)를 통하여 측정되는 진동 신호를 AD 컨버팅을 통하여 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기(125)와, GPS 위성으로부터 시간 정보를 나타내는 1PPS 신호를 수신하는 GPS 모듈(150)과, 설정된 진동 측정 샘플수에 따라 내부 CPU 클럭을 기반으로 샘플링 클럭을 생성하는 샘플링 클럭 생성부(130)와, 복수의 계측장치 간의 시간 동기화를 위한 트리거 신호를 생성하는 트리거 발생부(160)와, 상기 1PPS 신호와 샘플링 클럭 및 트리거 신호의 시작점을 일치시켜 A/D 변환기(125)의 컨버팅 시작점으로 동기화시켜 AD 컨버팅되는 진동 신호를 원격의 계측 모니터링 장치(300)에 전송하는 제어부(110)가 구비된 메인 계측장치(100) 및 복수의 서브 계측장치(200)를 포함하는 미소지진 계측 시스템으로서,
    상기 메인 계측장치(100)는, 상기 GPS 모듈(150)을 통하여 1PPS 신호가 수신되면 트리거 발생부(160)를 통하여 1PPS 신호의 시작점에 일치시켜 트리거 신호를 생성하고, 생성된 트리거 신호를 RS-422 유선통신 또는 블루투스 무선통신을 수행하는 트리거 통신부(180)를 통하여 복수의 서브 계측장치(200)로 전송하며, 상기 제어부(110)를 통하여 트리거 신호를 기준으로 1PPS 신호와 샘플링 클럭 및 트리거 신호의 시작점을 일치시키는 시간 동기화를 수행한 후, 상기 A/D 변환기(125)를 통하여 AD 컨버팅을 수행하고,
    상기 복수의 서브 계측장치(200)는, 상기 트리거 통신부(180)를 통하여 메인 계측장치(100)로부터 트리거 신호가 수신되면, 수신되는 트리거 신호에 따라 트리거 발생부(160)를 통하여 트리거 신호를 생성하고, 상기 제어부(110)를 통하여 트리거 신호를 기준으로 1PPS 신호와 샘플링 클럭 및 트리거 신호의 시작점을 일치시키는 시간 동기화를 수행한 후, 상기 A/D 변환기(125)를 통하여 AD 컨버팅을 수행하며,
    상기 메인 계측장치(100) 및 복수의 서브 계측장치(200)는 시간 동기화에 따라 AD 변환기(125)를 통하여 AD 컨버팅된 진동 신호를 이더넷 통신을 수행하는 이더넷 통신부(170)를 통하여 원격의 계측 모니터링 장치(300)에 전송하는 것을 특징으로 하는 미소지진 계측 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 계측장치(100)(200)에는
    상기 샘플링 클럭 생성부(130)를 통하여 생성된 샘플링 클럭의 시작점이 GPS 모듈(150)을 통하여 수신된 1PPS 신호의 시작점과 일치하는 않는 경우, 샘플링 클럭의 주기를 타임 시프트를 통하여 보정하여 1PPS 신호의 시작점과 일치시키는 보정처리부(135)가 구비된 것을 특징으로 하는 미소지진 계측 시스템.
  6. 메인 계측장치 및 서브 계측장치를 포함하는 복수의 계측장치에서 진동센서를 통하여 지진 감시 대상 지역에서 발생하는 진동을 측정하고, 이를 원격의 계측 모니터링 장치에 전송하여 미소지진 발생 유무를 파악하도록 하는 미소지진 계측 방법으로서,
    (a) 상기 메인 계측장치(100) 및 서브 계측장치(200)에서 각각 GPS 위성으로부터 전송되는 1PPS 신호를 GPS 모듈(150)을 통해 수신하고, 설정된 진동 측정 샘플수에 따라 샘플링 클럭 생성부(130)를 통해 내부 CPU 클럭을 기반으로 샘플링 클럭을 생성하는 단계와;
    (b) 상기 메인 계측장치(100)에서 트리거 발생부(160)를 통해 상기 수신된 1PPS 신호의 시작점에 일치시켜 트리거 신호를 생성하고, 생성된 트리거 신호를 RS-422 유선통신 또는 블루투스 무선통신을 통하여 복수의 서브 계측장치(200)로 전송하며, 상기 복수의 서브 계측장치(200)에서 상기 메인 계측장치(100)로부터 트리거 신호가 수신되면 트리거 발생부(160)를 통해 자체적으로 트리거 신호를 생성하는 단계와,
    (c) 상기 메인 계측장치(100) 및 복수의 서브 계측장치(200)는 제어부(110)를 통해 상기 생성된 트리거 신호를 기준으로 1PPS 신호와 샘플링 클럭 및 트리거 신호의 시작점을 일치시키는 시간 동기화를 수행한 후, 시간 동기화에 따라 진동센서(120)를 통하여 측정되는 진동 신호를 A/D 변환기(125)를 통하여 AD 컨버팅하여 이더넷 통신을 통하여 원격의 계측 모니터링 장치(300)에 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소지진 계측 방법.
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