基于STM32的地震觀測臺站通用智能電源控制器的研制

李興泉 邵玉平 劉江

四川省地震局，成都 610041

0 引言

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)域臺網(wǎng)、科考臺陣、流動臺站及地震預(yù)警臺站在全國范圍內(nèi)投入建設(shè)(周克昌等，2013； 李興泉等，2018)。如何保障數(shù)字地震臺站的正常運行成為技術(shù)支持的關(guān)鍵任務(wù)，數(shù)字地震臺站通常由專業(yè)地震信號獲取器、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，穩(wěn)定可靠的供電系統(tǒng)是臺站正常運行的必要條件，目前地震觀測臺站供電主要包含交流供電、太陽能供電和交流+太陽能混合供電等多種形式(肖武軍等，2019)，其中太陽能供電作為臺站重要供電手段之一，使本來無法或者不方便得到電力供應(yīng)的地區(qū)實現(xiàn)建臺的可能，加之其有較好的避雷效果，近年來太陽能+蓄電池構(gòu)建的供電系統(tǒng)在地震觀測臺站中得到普遍推廣應(yīng)用，太陽能管理電源作為該類供電系統(tǒng)的核心設(shè)備，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個臺站能否正常運行。目前針對臺站使用電源的研究較少，現(xiàn)有的太陽能管理電源也大多不能滿足地震觀測臺站的實際需求，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)備故障及記錄數(shù)據(jù)的斷記和丟失現(xiàn)象頻出。同時偏遠地區(qū)電網(wǎng)的不穩(wěn)定性和頻繁停電現(xiàn)象，造成臺站供電系統(tǒng)(交流+蓄電池供電模式)中蓄電池出現(xiàn)過放損壞及后端設(shè)備反復(fù)重啟損壞的情況也時有發(fā)生。

為此，我們研制了一種針對地震觀測臺站系統(tǒng)使用的智能電源控制器，這種控制器能夠根據(jù)臺站供電系統(tǒng)的運行狀態(tài)，自動對輸出端進行智能控制，克服傳統(tǒng)電源在臺站上使用的弊端，完善了功能需求，對供電系統(tǒng)輸出端進行分類管理，優(yōu)先保障臺站數(shù)據(jù)采集單元的正常工作，使其盡可能記錄到完整的地脈動數(shù)據(jù)，另外，也可保障臺站蓄電池達到終止電壓后仍可自行恢復(fù)并重新對外正常供電，從而降低臺站運維成本，提高臺站運行率。同時，該控制器將蓄電池電量狀態(tài)作為對外供電的判斷依據(jù)，避免后端專業(yè)設(shè)備因供電系統(tǒng)電量不足而反復(fù)重啟造成損壞。因此，智能電源控制器的研制可為未來針對地震臺站觀測使用的太陽能管理電源技術(shù)改進提供參考，具有較高推廣價值。

1 總體方案設(shè)計

通過對現(xiàn)有地震觀測臺站供電系統(tǒng)實地調(diào)研，通用智能電源控制器應(yīng)具備以下主要功能：①易于接入，控制器外部接入地震觀測臺站原供電系統(tǒng)后，便可對臺站供電系統(tǒng)的功能進行優(yōu)化和擴展，降低原有臺站供電系統(tǒng)改造成本； ②多種模式輸出，根據(jù)地震觀測臺站運行狀態(tài)，輸出端可呈現(xiàn)多種輸出方式，優(yōu)先保障臺站采集單元的正常供電，最大限度提高臺站記錄數(shù)據(jù)完整性，進而在有效提高臺站專業(yè)設(shè)備及蓄電池使用壽命等方面滿足用戶需求； ③短路保護電流獨立設(shè)置，滿足臺站專業(yè)設(shè)備種類眾多、所承受最大電流值各不相同的實際需要，增強設(shè)備通用性。

地震觀測臺站通用智能電源控制器主要技術(shù)指標見表1。

表1 地震觀測臺站通用智能電源控制器主要技術(shù)指標

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)滲透到生活的各個方面，覆蓋了電子消費、儀器儀表、航空航天等多個領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)是計算軟件和硬件相結(jié)合的針對工業(yè)中某一種特殊功能要求量身設(shè)計的系統(tǒng)，其中嵌入式處理器為核心器件，擔負著整個系統(tǒng)關(guān)鍵的功能控制操作(王宏波，2002； 孫啟富等，2010)。STM32單片機作為嵌入式系統(tǒng)的核心器件，具有出眾的性能、豐富且靈活的外設(shè)，為產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計提供了更多的便利。本文研究的重點是以STM32F107微處理器為控制器核心設(shè)計開發(fā)適用于地震觀測臺站使用的智能電源控制器。智能電源控制器對臺站供電系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行采集處理后，由STM32F107對采集到的數(shù)據(jù)進行分析判斷，并根據(jù)當前臺站供電系統(tǒng)的運行狀態(tài)，對臺站供電系統(tǒng)進行控制。同時，為更好地滿足地震觀測臺站功能需求，開發(fā)設(shè)計了時鐘電路、復(fù)位電路、顯示及溫濕度監(jiān)測電路等輔助電路，系統(tǒng)功能如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計

系統(tǒng)的主要硬件電路包括STM32F107主控電路、輸出端電流/電壓監(jiān)測電路、蓄電池狀態(tài)監(jiān)測電路、輸出端短路保護電路、溫濕度監(jiān)測電路及顯示電路等，其中輸出端電流/電壓監(jiān)測電路、蓄電池狀態(tài)監(jiān)測電路及輸出端短路保護電路為整個系統(tǒng)的核心部分。

2.1 主控單元

主控單元采用意法半導(dǎo)體公司出產(chǎn)的32位ARM微處理器STM32F107，該芯片是一款互聯(lián)型微控制器，集成了各種高性能工業(yè)標準接口，適應(yīng)多種應(yīng)用，具有高性能、低功耗、接口豐富和體積小等優(yōu)良特性，為產(chǎn)品開發(fā)帶來出色的擴展功能和豐富的外設(shè)配置，使STM32F107在醫(yī)療、樓宇自動化、警報系統(tǒng)、視頻對講等多種場合得到廣泛使用。

2.2 系統(tǒng)時鐘電路

以微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)中，時鐘是保證系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，其不但為整個系統(tǒng)提供基準的定時信號，還對外圍電路起著功能協(xié)調(diào)的作用(李東等，1999)。本系統(tǒng)的時鐘電路主要由晶體振蕩器和外圍補償電路組成，包括限流電阻、無源晶振和負載電容等(圖2)。電路中電阻R1為反饋電阻(一般≥1MΩ)，主要作用為限流，防止諧振器過驅(qū)、降低諧振阻抗，使STM32F107內(nèi)部反相器在振蕩初始時處于線性工作區(qū)； 晶振Y1采用貼片無源晶振，其兩端的C4和C14為晶體的匹配電容，用來匹配晶體的負載電容，當所接電容為匹配電容，便可保證振蕩頻率在標稱頻率附近的誤差范圍內(nèi)，若電容太小不易起振，在某些情況下，振蕩頻率的微調(diào)可通過調(diào)整這兩個電容的大小來實現(xiàn)，可調(diào)范圍一般在10ppm量級(張小強等，2015)。

圖2 系統(tǒng)時鐘電路

2.3 電壓/電流檢測電路

系統(tǒng)中電壓/電流檢測功能由INA219來實現(xiàn)，INA219具有I2C接口，是一種雙向電流/功率控制器芯片。該芯片可將輸入的模擬電壓和分壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，保存在電壓寄存器和分壓寄存器中，也可把分壓通過內(nèi)部電路換算成電流信號，保存在電流寄存器中，并通過附加乘法寄存器來計算功率。INA219芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 INA219芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

INA219內(nèi)嵌delta-sigma ADC，delta-sigma ADC通過采用過采樣、噪聲整形以及數(shù)字濾波等技術(shù)，降低了對模擬電路的設(shè)計要求，實現(xiàn)了其他類型ADC無法達到的高精度和低功耗，廣泛應(yīng)用在工業(yè)測量、專業(yè)音頻編解碼等高精度場合中，并在多種數(shù)據(jù)接收器中得到應(yīng)用(閆寧等，2016；Candy et al，1992)。

電路設(shè)計中，INA219通過2個模擬輸入端1腳和2腳(輸入+和輸入-)連接電路中采樣電阻的兩端，在正常工作模式時，INA219通過采樣電阻對電路中的電壓進行采樣，并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后保存在寄存器內(nèi)。檢測電路通過取樣電阻對電路上的電壓或電流進行取樣時，將產(chǎn)生瞬態(tài)諧波，其頻率約1MHz或更高，瞬態(tài)諧波會對后端電路產(chǎn)生干擾。因此，通常會在INA219的輸入端添加電容，對信號進行濾波處理。設(shè)計中盡可能選擇串聯(lián)電阻或陶瓷電容器，電容容量建議為0.1～1μF。檢測電路如圖4所示。

圖4 電壓/電流檢測電路

通過選擇通道和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，INA219可將輸入電壓Vin+與分壓Vin-以二進制數(shù)據(jù)的形式保存到電壓寄存器與分壓寄存器中，電流則由分壓和一個校準值組合計算得到，計算結(jié)果作為邏輯判斷參數(shù)，用于對臺站供電系統(tǒng)控制的依據(jù)。計算公式如下

Vshunt=Vin+-Vin-

(1)

VBUS=Vin+-GND

(2)

CurrentRegsister=ShuntVoltageRegister×CalibrationRegister/4096

(3)

式中，Vshunt為高精度檢測電阻電壓；VBUS為輸入電壓；CurrentRegsister為電流寄存器中保存的電流值。

2.4 輸出端控制電路

輸出端控制電路負責臺站專業(yè)設(shè)備供電線路的通斷，其主要由三極管開關(guān)電路、分壓電阻及磁保持繼電器等器件共同組成(圖5)。STM32F107通過電流/電壓檢測電路對供電系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行采集，并與設(shè)定的參數(shù)進行比對，根據(jù)系統(tǒng)當前運行狀態(tài)產(chǎn)生脈沖控制信號，脈沖控制信號經(jīng)三級管開關(guān)電路對磁保持繼電器進行驅(qū)動，進而實現(xiàn)對輸出端狀態(tài)和通斷狀態(tài)的控制。

圖5 輸出端控制電路

設(shè)計中選擇磁保持繼電器作為輸出端開關(guān)，對輸出端進行接通和切斷。與其他繼電器相比，磁保持繼電器的常閉或常開狀態(tài)依賴永久磁鋼，其開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換由一定寬度的脈沖電信號觸發(fā)完成(Kawata et al，1969)，通常觸點處于保持狀態(tài)時，線圈不需要繼續(xù)通電，僅靠磁力就能維持繼電器的狀態(tài)不變，具有安全可靠、壽命長、功耗低、負載能力強等特點，其廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防及航天自動控制系統(tǒng)、智能電表等領(lǐng)域(公茂法等，2011； 鄭磊等，2015)。

磁保持繼電器選用HF163F，其為超小型中功率磁保持繼電器，具有雙線圈磁保持功能。電路中二極管的作用主要是對磁保持繼電器進行保護，防止電源斷電后級電路反向供電對繼電器造成損壞； 三級管Q1和Q11相互配合，實現(xiàn)磁保持繼電器開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，當Out-1-B口輸入高電平時，三極管Q1導(dǎo)通，繼電器開關(guān)閉合，輸出端對外供電，當Out-1-A口輸入高電平時，三極管Q11導(dǎo)通，繼電器開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)為關(guān)閉，輸出端停止對外供電，電路連接如圖5所示。

基極電阻R88在電路中用于限流，設(shè)計中需根據(jù)Out-1-A/Out-1-B口的高電平狀態(tài)，選擇合適的基極電阻R88，使三極管處于飽和狀態(tài)，限流電阻阻值計算方法如下

(4)

式中，U為Out-1-A/Out-1-B口輸入電壓；β為三極管放大倍數(shù)；IC為電路中三極管最大集電極電流；Ube為基極與發(fā)射極之間的壓差，一般為0.4～0.7V左右。

2.5 短路保護電路

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，在無保護措施情況下，極易引起臺站電源設(shè)備損壞，造成臺站維護成本增加。因此，系統(tǒng)開發(fā)過程中應(yīng)充分考慮專業(yè)觀測設(shè)備發(fā)生短路故障時，臺站供電系統(tǒng)的保護措施。本系統(tǒng)短路保護電路主要由INA219、磁保持繼電器等器件構(gòu)成(圖6)。

圖6 短路保護電路

INA219的1腳和2腳接至采樣電阻R89兩端并與磁保持繼電器HF163F的1腳相連，當系統(tǒng)檢測到輸出電路電流達到設(shè)定閾值時，便執(zhí)行中斷子程序，子程序首先從STM32F107的38腳送出一高電平經(jīng)R81到三級管基極Q11，用于三極管Q11的選通，繼電器開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)為斷開，輸出端停止對外供電，同時子程序?qū)TM32F107的38腳狀態(tài)進行鎖定，此時需技術(shù)人員對臺站系統(tǒng)進行檢測，排除故障后通過智能電源控制器的功能按鈕解除鎖定狀態(tài)，重新恢復(fù)系統(tǒng)輸出端正常對外供電功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了滿足地震觀測臺站對供電系統(tǒng)的功能需求，系統(tǒng)軟件包含鍵盤輸入、顯示輸出、環(huán)境監(jiān)測、電流/電壓監(jiān)測、輸出控制、短路保護、串口通信等功能模塊。系統(tǒng)初始化后，從FLASH中讀取保存的參數(shù)，隨后進入主循環(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，實時對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，并做出控制判斷。系統(tǒng)功能如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件功能

系統(tǒng)對輸出端的控制，是通過獲取INA219芯片采集并存放在寄存器中的電流和電壓信息進行邏輯判斷來實現(xiàn)的。INA219由采樣電阻對模擬信號采集后，通過內(nèi)部ADC進行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號并存儲在寄存器內(nèi)，寄存器存儲的數(shù)據(jù)為一個無符號的二進制16位數(shù)，需參照數(shù)據(jù)的存儲方式對存儲的數(shù)據(jù)進行解碼，以得到真實的電壓、電流等數(shù)據(jù)。電壓寄存器的低3位為無效位，需截斷低3位，電壓寄存器的分辨率為4mV，截斷低3位之后的數(shù)值乘以4mV得到電壓值。即Result[i]=4×(Decode(RecvBuf)?3)，得出樣本之后求平均便可得到真實電壓值。電流寄存器是全字段有效的，分辨率為500μA，電流寄存器的數(shù)據(jù)乘以500μA得到電流值，即Result[i]=500×(Decode(RecvBuf)。程序根據(jù)I2C的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和INA219的讀寫時序關(guān)系，對INA219進行讀寫操作，如圖8所示。

圖8 INA219寄存器的讀寫操作

系統(tǒng)上電后，用戶可通過菜單界面，設(shè)置控制電壓值、輸出端保護電流值等功能參數(shù)，程序通過調(diào)用控制函數(shù)，實時對蓄電池和兩路輸出狀態(tài)進行監(jiān)測，對采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行處理后，與設(shè)置狀態(tài)參數(shù)進行比較，并根據(jù)系統(tǒng)當前工作狀態(tài)，對輸出端發(fā)出驅(qū)動信號，執(zhí)行相應(yīng)的控制動作，從而實現(xiàn)系統(tǒng)對輸出端控制及短路保護功能。程序流程如圖9所示。

圖9 程序流程

4 實驗結(jié)果與分析

樣機完成后，針對系統(tǒng)的主要性能指標進行測試，通過系統(tǒng)功能測試，得出電源智能控制器整機功耗小于0.6W、工作電壓范圍DC7～20V，智能控制邏輯合理并具有足夠的切換靈敏度，同時具備溫度、濕度、蓄電池電壓、輸出端電流等屏顯功能。

為了獲得系統(tǒng)的智能邏輯控制效果，對樣機的控制邏輯進行了測試，測試中樣機接入地震觀測臺站供電系統(tǒng)，樣機輸出端接入烈度計和無線通信設(shè)備，對樣機進行數(shù)天測試，測試結(jié)果如圖10 所示。

圖10 功能測試

從圖10 的測試結(jié)果中可以得出，當蓄電池電壓降至11.5V時，智能控制器的通信單元輸出端停止對外供電，當蓄電池電壓降至10.9V時，智能控制器的數(shù)采輸出端停止對外供電，第4至6天，蓄電池電壓持續(xù)上升，當電壓達到12.5V后，智能控制器兩路輸出端同時對外供電，地震觀測臺站設(shè)備恢復(fù)正常工作，測試結(jié)果基本反映控制器在地震觀測臺站上對兩輸出端狀態(tài)的控制效果，系統(tǒng)達到設(shè)計要求。目前，臺站通用智能電源控制器已在安縣測震臺、劍門關(guān)測震臺進行了先期試用，得到較好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

本文以STM32F107微處理器為核心設(shè)計了一種智能電源控制器。該系統(tǒng)功耗小、性能穩(wěn)定、操作簡單，并具有溫濕度、蓄電池電壓、容量等屏顯功能。該控制器外部接入臺站供電系統(tǒng)后，便可對臺站供電系統(tǒng)的功能進行優(yōu)化和擴展，防止當前臺站供電系統(tǒng)功能不足及邏輯功能缺失所引起的臺站設(shè)備損壞等常見問題，可有效提高臺站設(shè)備的壽命及保障觀測臺站記錄數(shù)據(jù)的完整性，能較好地滿足當前地震觀測臺站對電源的功能需求。