智能雙電源轉(zhuǎn)換控制器應(yīng)用于無(wú)人地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站的設(shè)計(jì)

汪偉明

（陜西省地震局榆林綜合地震臺(tái)，陜西 榆林719000）

0 引 言

隨著我國(guó)地震監(jiān)測(cè)科技水平的不斷提高，無(wú)人地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站的觀測(cè)系統(tǒng)由原來(lái)的人工模擬觀測(cè)方式轉(zhuǎn)變成現(xiàn)在的數(shù)字化智能觀測(cè)方式。無(wú)人地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站的觀測(cè)系統(tǒng)主要包括供電系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。截止目前為止，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)變得更加智能化、多元化。地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站的網(wǎng)絡(luò)通信也基本形成了現(xiàn)在的國(guó)家、省和市縣三級(jí)的網(wǎng)絡(luò)模式，基本能滿(mǎn)足現(xiàn)階段的地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的觀測(cè)水平；但是其供電系統(tǒng)的方式比較落后，一直依賴(lài)于市電供電或者太陽(yáng)能供電。然而地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站所產(chǎn)出的觀測(cè)數(shù)據(jù)資料主要服務(wù)于地震的科學(xué)研究，為了能夠保證地震觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)率和完整率，提高地震的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)水平，早日實(shí)現(xiàn)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)現(xiàn)代化，設(shè)計(jì)出新型的供電系統(tǒng)應(yīng)用于無(wú)人地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站的觀測(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要?？紤]到地震監(jiān)測(cè)供電系統(tǒng)的連續(xù)性，以及地震監(jiān)測(cè)設(shè)施的安全性和可靠性的基礎(chǔ)下，本文擬對(duì)智能雙電源轉(zhuǎn)換控制器應(yīng)用于無(wú)人地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站做初步的設(shè)計(jì)和探討。通過(guò)智能雙電源轉(zhuǎn)換控制器的開(kāi)關(guān)智能切換市電電源和太陽(yáng)能電源兩路供電電源，最大化地保證地震觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。

1 智能雙電源轉(zhuǎn)換控制器的硬件設(shè)計(jì)

目前，無(wú)人地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站的供電方式主要采用單一的市電或者太陽(yáng)能供電，本設(shè)計(jì)方案擬采用將市電和太陽(yáng)能供電兩者結(jié)合起來(lái)，將智能雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)應(yīng)用于無(wú)人地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站的供電系統(tǒng)，配備了兩路電源，一路電源是市電供電方式的常用電源，另一路是太陽(yáng)能供電電源的備用電源。因其太陽(yáng)能供電電源容易受到天氣的影響，所有將其作為備用電源能最大化的滿(mǎn)足地震觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)率和完整率。智能雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)首先通過(guò)CPLD主板控制器對(duì)兩路不同的電源電壓參數(shù)進(jìn)行釆集，采集到的電壓值與設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較，并且判斷是否低于或者高于電壓的設(shè)定值。當(dāng)確定需要轉(zhuǎn)換時(shí)，控制器發(fā)出轉(zhuǎn)換信號(hào)的請(qǐng)示，然后通過(guò)電源信號(hào)的調(diào)理電路中的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)雙電源的智能轉(zhuǎn)換。其智能雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 智能雙電源轉(zhuǎn)換控制器的硬件原理框圖

其主要模塊的功能介紹如下：

（1）電源信號(hào)調(diào)理電路。該模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)市電供電和太陽(yáng)能供電的電壓值的采集和處理。

智能雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的工作方式：手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。在手動(dòng)模式下，CPLD控制器判斷是否故障以及顯示故障，并不執(zhí)行任何操作，需地震監(jiān)測(cè)運(yùn)維操作人員現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)完成市電和太陽(yáng)能供電電源的切換。在自動(dòng)模式下，CPLD控制器不僅可以判斷故障，同時(shí)在發(fā)生故障時(shí)還能實(shí)現(xiàn)市電和太陽(yáng)能供電電源的自動(dòng)切換。

（2）CPLD主板控制器模塊。該模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心模塊，根據(jù)監(jiān)測(cè)當(dāng)前電源電壓的工作狀態(tài)和設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較，若高于或者低于設(shè)定值，都執(zhí)行雙電源的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能雙電源轉(zhuǎn)換功能。

（3）電源電路模塊。該模塊主要提供整個(gè)控制系統(tǒng)的供電。直流電壓值設(shè)定為3．3 V，主要用于對(duì)CPLD主板和單片機(jī)的供電工作。

（4）單片機(jī)。該單片機(jī)的設(shè)計(jì)采用Atmega32型號(hào)，主要實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與CPLD控制系統(tǒng)兩者的通信，其通信主要通過(guò)RS485接口。

（5）顯示模塊。主要顯示市電或者太陽(yáng)能供電電源的當(dāng)前電壓值，以及設(shè)定電壓值等信息。

2 智能雙電源轉(zhuǎn)換控制器的軟件設(shè)計(jì)

智能雙電源轉(zhuǎn)換控制器的軟件設(shè)計(jì)主要包括與PC機(jī)通信模塊、單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)模塊、CPLD控制器軟件設(shè)計(jì)模塊三大模塊。本文只介紹單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)模塊和CPLD控制器的軟件設(shè)計(jì)模塊的主要思路，為以后無(wú)人地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站的供電系統(tǒng)智能化提供新思路。

2.1 單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)模塊

Atmega32型號(hào)的單片機(jī)在本系統(tǒng)內(nèi)主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：

（1）系統(tǒng)初始化功能：對(duì)CPLD控制系統(tǒng)的電壓參數(shù)進(jìn)行初始化。

（2）電壓采用和設(shè)定功能：實(shí)時(shí)采樣市電的電壓值和太陽(yáng)能供電的電壓值，并對(duì)電壓的初始值設(shè)定交流電壓220 V。

（3）連接CPLD控制器的通信功能：主要對(duì)單片機(jī)與CPLD的相互通信，實(shí)現(xiàn)兩路不同電源的智能轉(zhuǎn)換。

（4）數(shù)據(jù)處理和PC機(jī)的通信功能：CPLD控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之后，與設(shè)定的電壓值比較，將電壓值顯示到PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)兩者互相通信。

2.2 CPLD控制器的軟件設(shè)計(jì)模塊

CPLD控制器的主程序設(shè)計(jì)決定是否能實(shí)現(xiàn)智能雙電源之間的轉(zhuǎn)換，并且決定是否能成功將無(wú)人地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站的供電系統(tǒng)智能化。其主要包括控制系統(tǒng)初始化、讀取電壓的設(shè)置、監(jiān)測(cè)電壓值作用于CPLD控制器并且將監(jiān)測(cè)的電壓值輸出到顯示模塊。其設(shè)計(jì)的主程序流程圖如圖2所示。

圖2 CPLD控制器主程序設(shè)計(jì)

CPLD控制器的中斷程序主要是對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)到的電壓值，與預(yù)設(shè)的電壓值進(jìn)行比較，將實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)上傳到PC機(jī)，同時(shí)也要完成PC的控制程序，計(jì)算機(jī)通過(guò)與單片機(jī)、CPLD控制器三者之間的通信協(xié)議，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)無(wú)人地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站供電方式的智能轉(zhuǎn)換，最大化地保證地震觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)率和完整率。其設(shè)計(jì)的中斷程序流程圖如圖3所示。

圖3 CPLD控制器中斷程序設(shè)計(jì)

3 結(jié) 論

本文通過(guò)設(shè)計(jì)智能雙電源轉(zhuǎn)換控制器的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的整體原理框圖，對(duì)無(wú)人地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站的供電方式提出了新的方法和思路，將市電和太陽(yáng)能供電兩種不同的供電方式結(jié)合起來(lái)，制作新型的智能雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，最大化地保證了地震觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)率和完整率，同時(shí)也能提高無(wú)人地震觀測(cè)數(shù)據(jù)的內(nèi)在質(zhì)量。