基于北斗衛(wèi)星和STM32F407的雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

華國(guó)環(huán)，舒 梁，張文鋒，徐瀚文，吳禮福

(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044)

雷電現(xiàn)象是在強(qiáng)對(duì)流天氣情況下發(fā)生的瞬間放電過(guò)程，是自然界中不可抗拒的天氣災(zāi)害，其產(chǎn)生的危害也是巨大的，盡管雷電災(zāi)害無(wú)法杜絕，但利用合理的雷電監(jiān)測(cè)與防護(hù)系統(tǒng)能夠有效達(dá)到防雷減災(zāi)的目的。

因此，對(duì)雷電的監(jiān)測(cè)和預(yù)警顯得至關(guān)重要。在雷電監(jiān)測(cè)方面，雷電波具有陡度高、沖擊速度快的特點(diǎn)，過(guò)低的采樣速率會(huì)使采集到的信號(hào)失真，同時(shí)目前市場(chǎng)上產(chǎn)品單純探測(cè)電磁脈沖信號(hào)，難以綜合研究雷電過(guò)程；在采樣信號(hào)傳輸方面，雷電現(xiàn)象伴隨的較大電磁干擾會(huì)阻礙信號(hào)的傳輸處理[1-2]；在雷電定位方面，目前成熟的產(chǎn)品方案主要是基于甚低頻電磁信號(hào)的二維定位技術(shù)，精度不高；雖然也出現(xiàn)了基于甚高頻電磁信號(hào)的三維定位設(shè)備[3]，但其設(shè)備復(fù)雜、造價(jià)昂貴，市場(chǎng)普及難度大，同時(shí)其本身的技術(shù)方案，也存在一定的局限性。

本文研究設(shè)計(jì)的基于北斗衛(wèi)星的高精度雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是以STM32F407為主控芯片，基于4G通信和北斗定位芯片的雷電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有精度高、實(shí)用性強(qiáng)、成本低、應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)。

1 工作原理及軟硬件設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

現(xiàn)階段，使用羅氏線圈和正交磁環(huán)天線進(jìn)行雷電流感應(yīng)采集的方案已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，二者都能實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)化，以便于系統(tǒng)采樣[4]，此處以羅氏線圈作為雷電流信號(hào)采集傳感器為例，介紹工作原理，圖1是羅氏線圈結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 羅氏線圈結(jié)構(gòu)示意圖

羅氏線圈測(cè)量法基于法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定理，穿過(guò)線圈中心的動(dòng)態(tài)電流會(huì)引起對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)變化[5]，形成與之對(duì)應(yīng)的電場(chǎng):

式中:M為互感系數(shù)，I(t)為電流大小。

互感系數(shù)隨線匝的數(shù)量和線圈大小的變化而變化[6]，由以上公式可知，線圈感應(yīng)電壓的大小與電流的變化程度成正比。

本文采用時(shí)差法(Time of Arrival，TOA)對(duì)云地閃進(jìn)行定位，如直接使用磁信號(hào)定位法，讓各子站接收雷電輻射出的磁信號(hào)，存在各種測(cè)量誤差，而采用時(shí)差法定位精度更高，如圖2所示，在一個(gè)由三個(gè)測(cè)試子站構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中[7]，通過(guò)下列方程組可得出P0(x0，y0，z0)處落雷發(fā)生的位置(x0，y0，z0)。

圖2 三子站時(shí)差法定位示意圖

式中:c是電磁波傳播速度。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

基于北斗衛(wèi)星的雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件組成主要包括主控芯片模塊、電源模塊、雷電流感應(yīng)模塊、信號(hào)處理模塊、BD授時(shí)定位模塊、4G無(wú)線傳輸模塊[8]。整體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 硬件整體結(jié)構(gòu)框圖

1.2.1 主控芯片模塊

主控芯片模塊主要由微處理器、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)和復(fù)位電路等組成。主控芯片采用STM32F407，該微控制器基于ARM Cortex-M4內(nèi)核，工作頻率高達(dá)168 MHz，芯片內(nèi)部包含高速存儲(chǔ)器，SRAM高達(dá)192 kbyte，I/O口豐富[9]。該處理器含有3個(gè)12位的ADC采集器、2個(gè)32位定時(shí)器方便電壓數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和ns級(jí)時(shí)間戳的獲取，一個(gè)SDIO接口和一個(gè)FSMC接口完全能夠滿足SD卡數(shù)據(jù)的備份和大量數(shù)據(jù)采集時(shí)外擴(kuò)SRAM的需要，而且成本較低，性能優(yōu)勢(shì)明顯。

1.2.2 雷電流感應(yīng)處理模塊

雷電感應(yīng)采集模塊包括雷電流傳感器、信號(hào)預(yù)處理電路和觸發(fā)比較電路三部分。實(shí)際上，采集接閃桿的雷電數(shù)據(jù)時(shí)選用羅氏線圈，而在野外布站進(jìn)行雷電測(cè)量定位時(shí)選用正交磁環(huán)天線較為合適，本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際適用場(chǎng)景選用了正交磁環(huán)天線進(jìn)行雷電信號(hào)采集，雷電信號(hào)通過(guò)磁環(huán)天線的線圈和磁芯產(chǎn)生感應(yīng)電壓，其雷電流感應(yīng)原理類似羅氏線圈。

在實(shí)際的雷閃情況下，雷電流傳感器會(huì)輸出±10 V范圍內(nèi)的電壓數(shù)據(jù)[10-11]，而MCU進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換要求輸入0～3.3 V的電壓，需要信號(hào)預(yù)處理電路將±10 V范圍內(nèi)的電壓信號(hào)線性變換到0～3.3 V的范圍[12]，并有效濾除50 Hz工頻干擾，上限頻率大于3 MHz，保證雷電信號(hào)無(wú)損采樣。原理圖如圖4所示。

圖4 信號(hào)預(yù)處理電路原理圖

圖4中R1、R2、C1和R3構(gòu)成信號(hào)衰減和高通濾波電路，將輸入信號(hào)調(diào)整為±1.6 V的信號(hào)，同時(shí)過(guò)濾50 Hz工頻干擾；運(yùn)放U1和R4、R5構(gòu)成電壓跟隨器；運(yùn)放U2和R6、R7、R8、R9構(gòu)成同相加法電路，將±1.6 V的信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～3.2 V的信號(hào)；R10和C2構(gòu)成低通濾波電路，過(guò)濾高頻干擾信號(hào)；運(yùn)放U1和U2是±5 V電源供電的，其中-5 V電壓由負(fù)壓芯片提供；偏移電壓Vbias由可調(diào)LDO產(chǎn)生；此信號(hào)預(yù)處理電路的輸出Vout計(jì)算公式如下:

經(jīng)過(guò)上述電路處理之后，雷電信號(hào)已經(jīng)調(diào)整為模數(shù)轉(zhuǎn)換所能處理的數(shù)據(jù)了，但是對(duì)于主控芯片來(lái)說(shuō)需要滿足觸發(fā)閾值才能夠開(kāi)啟電壓信號(hào)的采集[13]，所以此處還需要設(shè)計(jì)一個(gè)觸發(fā)比較電路來(lái)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)閾值可調(diào)，方便系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)采集，如圖5所示。

圖5 觸發(fā)比較電路原理圖

圖5中將信號(hào)預(yù)處理電路的輸出Vout和可調(diào)LDO產(chǎn)生的觸發(fā)閾值電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生窄脈沖信號(hào)Vcomp觸發(fā)MCU進(jìn)行納秒級(jí)時(shí)間戳的計(jì)算。

1.2.3 北斗授時(shí)定位模塊

定位模塊主要用于獲取子站的經(jīng)緯度信息，同時(shí)同步系統(tǒng)各子站的時(shí)間。本系統(tǒng)的定位模塊采用中科微的ATGM332D定位模塊，該模塊能夠以99通道同時(shí)接收北斗和GPS衛(wèi)星信號(hào)[14]，功耗低的同時(shí)又保持高靈敏度，并且能夠適應(yīng)多種弱信號(hào)場(chǎng)景并迅速準(zhǔn)確定位，滿足探測(cè)子站野外布站的工作需求。其產(chǎn)生的1 pps脈沖信號(hào)能夠同步各探測(cè)子站的秒基準(zhǔn)，結(jié)合主控芯片內(nèi)置的32位的定時(shí)器可以獲取精確的納秒級(jí)時(shí)間戳，為時(shí)差法雷電定位提供了精確數(shù)據(jù)。

1.2.4 4G無(wú)線傳輸模塊

4G無(wú)線傳輸模塊使用移遠(yuǎn)通信的EC200T-CN，該模塊帶分集接收功能，支持LTE-FDD、LTE-TDD、

DC-HSDPA、HSPA＋、HSDPA、HSUPA、WCDMA、TDSCDMA、EVDO、CDMA、EDGE和GPRS多種制式的網(wǎng)絡(luò)傳輸。既滿足了日常情況下的高速率傳輸，又確保了在網(wǎng)絡(luò)覆蓋不完善的偏遠(yuǎn)地區(qū)能正常工作。

EC200T-CN模塊能夠用AT指令連接HTTP、MQTT、FTP服務(wù)器等，本系統(tǒng)利用AT指令連接指定的FTP服務(wù)器，發(fā)送各個(gè)子站采集的數(shù)據(jù)。

1.2.5 硬件實(shí)物圖

硬件實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件實(shí)物圖

1.3 軟件設(shè)計(jì)

本部分采用MDK Keil5作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，基于模塊化思想進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)將不同的硬件模塊所對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序放置在不同的C文件中，最終構(gòu)成一個(gè)完整的工程，模塊化設(shè)計(jì)的程序邏輯清晰、可讀性高、后期調(diào)試方便[15]。程序流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖

初始化完成后，連接FTP服務(wù)并開(kāi)啟看門(mén)狗，接下來(lái)進(jìn)行觸發(fā)閾值判斷，當(dāng)達(dá)到觸發(fā)條件時(shí)采集并處理數(shù)據(jù)，接著判斷網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)良好時(shí)，SD卡存儲(chǔ)同時(shí)FLASH備份，然后通過(guò)4G通信發(fā)送到服務(wù)器；網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)較差時(shí)，直接進(jìn)行SD卡存儲(chǔ)備份，存儲(chǔ)完成后再嘗試連接FTP服務(wù)器，連接成功后發(fā)送備份數(shù)據(jù)，連接失敗就直接使用SD卡存儲(chǔ)，防止數(shù)據(jù)的丟失。

2 測(cè)量與分析

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后先后進(jìn)行了性能測(cè)試、功耗測(cè)試、穩(wěn)定性測(cè)試、高溫可靠性測(cè)試等[16]，根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示該系統(tǒng)預(yù)期的功能都能實(shí)現(xiàn)，能較好地完成實(shí)際監(jiān)測(cè)的需要，測(cè)試結(jié)果如下:

2.1 納秒級(jí)時(shí)間戳精度測(cè)試

本系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)監(jiān)測(cè)子站儀器獲取的時(shí)間戳，采用時(shí)差法來(lái)計(jì)算，得到準(zhǔn)確的雷電定位，為了驗(yàn)證系統(tǒng)的定位準(zhǔn)確性，對(duì)同一位置的三個(gè)子站采用脈沖波形和正弦波兩種觸發(fā)方式進(jìn)行了多次試驗(yàn)，通過(guò)比較每次納秒級(jí)時(shí)間戳的變化來(lái)測(cè)試定位的最大誤差值[17]，測(cè)試結(jié)果如表1所示，每組子站時(shí)間差從上至下依次為子站1與子站2時(shí)間差、子站2與子站3時(shí)間差、子站1與子站3時(shí)間差。

表1 納秒級(jí)時(shí)間戳獲取測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三個(gè)監(jiān)測(cè)子站能夠準(zhǔn)確獲取到納秒級(jí)時(shí)間戳，并且監(jiān)測(cè)子站間的時(shí)間戳誤差較小，全部小于50 ns，滿足雷電捕獲的授時(shí)時(shí)間戳精度要求?？紤]到電路板上預(yù)處理電路、觸發(fā)比較電路所用電子元器件的一致性略有偏差，此誤差可控制在20 ns以內(nèi)，同時(shí)北斗GPS模塊的授時(shí)精度也存在30 ns的誤差，不過(guò)整體誤差可控，小于100 ns，因此宏觀上雷電定位的誤差在可接受范圍內(nèi)，符合定位需求。

2.2 雷電波形還原測(cè)試

通過(guò)與NI PCI6070E數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試本系統(tǒng)能否對(duì)采集到的雷電波形進(jìn)行高精度還原。如圖8所示，連續(xù)曲線為NI采集卡獲得的波形，點(diǎn)狀曲線為本系統(tǒng)采集到的波形，結(jié)果顯示本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采樣波形的包絡(luò)形狀、電壓值均接近NI采集卡的采樣波形，采集效果完全能夠達(dá)到預(yù)期效果，繪制的波形能夠準(zhǔn)確地還原出當(dāng)時(shí)的雷電信號(hào)，采集精度較高。

圖8 波形對(duì)比圖

2.3 功耗測(cè)試

使用直流電源給本系統(tǒng)硬件供電并記錄其電流和功率，以此來(lái)測(cè)試電流的功耗參數(shù)[18]。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)在5 V供電時(shí)，待機(jī)狀態(tài)下工作電流為0.2 A，待機(jī)功耗為1.0 W左右，如圖9左邊照片所示；采集和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的平均電流為0.4 A左右，平均功耗為2.0 W左右，如圖9右邊照片所示。本系統(tǒng)功耗較低，為長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、便捷式操作提供了有力保障。

圖9 功耗測(cè)試

3 總結(jié)

本文介紹了一種基于北斗衛(wèi)星和STM32F407的雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要包括主控電路模塊、電源模塊、雷電感應(yīng)采集模塊、系統(tǒng)授時(shí)定位模塊和無(wú)線傳輸模塊。本系統(tǒng)獲取的雷電發(fā)生時(shí)刻的整體誤差小于100 ns，具有雷電定位精度高、還原雷電波形準(zhǔn)確、集成度高、低成本、低功耗等特點(diǎn)。本系統(tǒng)主要應(yīng)用于氣象部門(mén)、電力、通訊設(shè)施和易燃易爆場(chǎng)所的雷電監(jiān)測(cè)與防護(hù)，還可用于高鐵接觸網(wǎng)雷擊故障點(diǎn)的定位和事故分析，應(yīng)用范圍較廣。