地震觀測臺站通用電源控制器的研究

李興泉,吳 朋，何 謙

(四川省地震局，四川 成都 610041)

近年來隨著國家和地方對地震觀測研究的重視，各種手段的區(qū)域地震臺網(wǎng)、科考臺陣、流動(dòng)臺站及地震預(yù)警臺站在全國范圍內(nèi)投入建設(shè)，地震觀測臺站的數(shù)量成倍增加。臺站觀測數(shù)據(jù)作為寶貴的資源，為科學(xué)考察、監(jiān)測預(yù)報(bào)研究及地震預(yù)警信息服務(wù)等提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。如何更好地保證設(shè)備的連續(xù)正常運(yùn)行，提高觀測數(shù)據(jù)完整性成為監(jiān)測系統(tǒng)維護(hù)技術(shù)保障工作的首要任務(wù)。數(shù)字地震臺站通常由專業(yè)地震計(jì)、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備以及多功能電源設(shè)備組成，引起觀測數(shù)據(jù)丟失的原因多種多樣，包括采集器故障、傳輸故障、地震計(jì)故障和電源故障等，其中電源故障(包含因電源原因引起的其它設(shè)備故障)在各種臺站系統(tǒng)故障中出現(xiàn)的頻率最高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，無論從故障發(fā)生率還是資料使用率來看，電源系統(tǒng)故障占臺網(wǎng)故障總數(shù)的35%以上(舒優(yōu)良，2000)。因此，設(shè)計(jì)一種優(yōu)先保障數(shù)采正常工作，合理控制蓄電池電量輸出的通用電源控制器，成為亟需解決的問題。

1 總體框架設(shè)計(jì)

地震觀測臺站的供電系統(tǒng)應(yīng)該具備較長的的續(xù)航能力和低故障率，以保障監(jiān)測設(shè)備穩(wěn)定工作，降低斷記率，產(chǎn)出高質(zhì)量的監(jiān)測數(shù)據(jù)(劉永剛，2009)。目前地震觀測臺站供電主要包含交流供電、太陽能+蓄電池供電和交流+太陽能+蓄電池混合供電等多種形式的供電手段。目前針對臺站使用電源的研究很少，市面上太陽能電源也大多不能滿足地震觀測臺站的實(shí)際需求，或采用純硬件電路及低端的微處理器，導(dǎo)致其性能和可靠性有一定的局限性，造成觀測設(shè)備故障、記錄數(shù)據(jù)的斷記和丟失。同時(shí)，偏遠(yuǎn)地區(qū)電網(wǎng)的不穩(wěn)定性和頻繁停電現(xiàn)象，造成交流電+蓄電池模式臺站供電系統(tǒng)中的蓄電池出現(xiàn)過放損壞及后端設(shè)備反復(fù)重啟損壞的情況也時(shí)有發(fā)生。通用電源控制器通過檢測臺站原有供電電源輸出端和蓄電池工作狀態(tài)等的重要參數(shù)信息，對臺站供電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和判斷，進(jìn)而對臺站供電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制和管理，使臺站供電系統(tǒng)具有自診能力，可有效減少因蓄電池過放而無法重新充電，及引起后端采集設(shè)備不能工作或反復(fù)重啟造成觀測數(shù)據(jù)丟失和設(shè)備損壞現(xiàn)象，提高系統(tǒng)的可靠性、壽命和供電質(zhì)量，降低維護(hù)成本。臺站通用電源控制器連接示意圖如圖1所示。

圖1 臺站電源控制器連接示意圖

圖2 系統(tǒng)框圖

電源控制器主要由控制單元和執(zhí)行電路構(gòu)成，控制單元主要負(fù)責(zé)電壓、電流及功率的檢測、運(yùn)算處理和控制輸出，其可采用STM32或STC89C51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)；執(zhí)行電路主要負(fù)責(zé)快速準(zhǔn)確的響應(yīng)控制單元發(fā)生的各種控制脈沖，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定、可靠的控制系統(tǒng)。同時(shí)，為更好的適應(yīng)野外工作需求，系統(tǒng)開發(fā)時(shí)還應(yīng)考慮時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、顯示及溫濕度監(jiān)測電路等輔助電路，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)基本功能

為了實(shí)現(xiàn)地震觀測臺站對電源的功能需求，系統(tǒng)應(yīng)具備顯示功能、參數(shù)設(shè)置、短路保護(hù)、判斷控制及電壓或電流值檢測電路等。顯示功能：可以顯示供電系統(tǒng)輸出端電壓或電流值、蓄電池的電壓值或電量及臺站溫濕度等，采用LCD液晶中文顯示、操作方便；參數(shù)設(shè)置：控制器的所有參數(shù)可在外部通過按鍵進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置時(shí)可采用密碼進(jìn)入的方式，避免誤操作引起系統(tǒng)誤觸發(fā)；短路保護(hù)功能：輸出端短路保護(hù)，臺站觀測設(shè)備在野外使用過程中，因工作環(huán)境苛刻，常出現(xiàn)短路故障，在無保護(hù)措施情況下，極易引起臺站電源設(shè)備損壞；判斷和控制：控制器通過對臺站供電系統(tǒng)輸出端和蓄電池工作狀態(tài)的檢測，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，調(diào)整輸出端通斷，使供電系統(tǒng)具備自診和自我修復(fù)的能力；電壓或電流值檢測功能：電壓或電流值檢測主要是為系統(tǒng)邏輯判斷及短路保護(hù)提供判斷依據(jù)，通過采樣電阻對電路中的電壓或電流值進(jìn)行采樣，并由單片機(jī)的AD采樣端進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖3 電流檢測的電路示意圖

電流檢測是電源控制器對地震觀測臺站供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，系統(tǒng)通過采樣電阻對電路中的電流進(jìn)行采樣，采樣電阻通常選用普通厚膜電阻及合金電阻，在相同封裝條件下，合金電阻相比普通厚膜電阻具有更長的壽命和更高的可靠性。電流檢測電路可考慮使用AD8205儀表運(yùn)放芯片作為核心器件，通過檢測采樣電阻兩端的電壓，可實(shí)現(xiàn)測量線路中電流的測量。AD8205是美國模擬器件公司推出的一種單電源高性能差分放大器，典型單電源供電電壓為5V，其共模電壓輸入范圍為-2～65 V，可以耐受-5～70 V的輸入共模電壓，適用于高共模電壓情況下檢測小差分電壓的工業(yè)設(shè)備中(呂常智，2006)。它的增益固定為50 V/V，其測量環(huán)路誤差小，精度高，在馬達(dá)控制、傳動(dòng)控制、磁懸浮控制、車輛動(dòng)力控制、燃料噴射控制、引擎管理和DC-DC變換等控制系統(tǒng)中得到廣泛使用。設(shè)計(jì)中將AD8205芯片的OUT引腳通過電阻R1連接到單片機(jī)的ADC采集引腳，通過采樣電阻R2采集到的電壓經(jīng)過單片機(jī)處理后即可計(jì)算出流過采樣電阻的電流，從而實(shí)現(xiàn)電路中電流的檢測功能。

3 程序控制流程

電源控制器通過軟件對鍵盤輸入，并進(jìn)行顯示輸出、環(huán)境監(jiān)測、電流或電壓值監(jiān)測、輸出控制、短路保護(hù)等的控制和調(diào)用，程序初始化后，便進(jìn)入主循環(huán)，循環(huán)調(diào)用“鍵盤”、“控制”、“數(shù)傳”和“顯示”等模塊處理函數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)業(yè)務(wù)功能，實(shí)時(shí)對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并做出控制判斷。系統(tǒng)軟件功能如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件功能圖

系統(tǒng)讀取到用戶設(shè)置的控制電壓值、輸出端保護(hù)電流值等參數(shù)后，判斷臺站供電系統(tǒng)當(dāng)前輸出端和蓄電池的工作狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對輸出端的控制及短路保護(hù)功能。根據(jù)野外臺站設(shè)備工作實(shí)際情況，智能控制器輸出端將設(shè)計(jì)兩個(gè)閾值電壓(低閾值VL和高閾值VH)和一個(gè)保護(hù)電流Iout，設(shè)備上電后，系統(tǒng)會自動(dòng)跟蹤檢測蓄電池電壓Vin和輸出端電流的變化情況。當(dāng)Vin≤VL時(shí)，輸出端A和輸出端B同時(shí)停止對外供電；當(dāng)VL

圖5 程序流程圖

4 結(jié)論

本文提出了以微處理器為核心通用電源控制器的設(shè)計(jì)思路，控制器的使用可對臺站原有供電系統(tǒng)的功能進(jìn)行優(yōu)化和擴(kuò)展，實(shí)時(shí)監(jiān)測臺站供電系統(tǒng)的工作狀態(tài)，從而使臺站供電系統(tǒng)具有自診能力，避免供電系統(tǒng)工作異常引起數(shù)據(jù)采集設(shè)備和通信設(shè)備的損壞，為相應(yīng)供電模式地震觀測臺站提供技術(shù)支撐。有效提高臺站設(shè)備的壽命及保障觀測臺站記錄數(shù)據(jù)的完整性。