地震前兆儀器多路隔離直流電源系統(tǒng)

朱葉琳，劉建光，趙 雷，劉 雙，韓 艷

（1.遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034；2.盤錦地震臺，遼寧 盤錦 124000）

0 引言

我國電網(wǎng)供電有時不夠穩(wěn)定，常常發(fā)生瞬時電源中斷、過壓和欠壓、浪涌和下跌、瞬時脈沖漂移以及瞬時頻率漂移，而FD-125測氡儀比較靈敏，易受電路的電壓波動干擾，易受外界電動信號和機(jī)械信號的干擾，在計數(shù)過程中，打開或關(guān)閉用電器電源或電力機(jī)械會使計數(shù)猛增［1］。同時，供電電路中電壓大幅度波動對氡測值有影響，幅度可高達(dá)10%以上［2］。因此在水氡觀測中，需要考慮該種儀器抗電源干擾的問題。當(dāng)前大多前兆儀器使用開關(guān)電源作為內(nèi)部直流供電電源，而開關(guān)電源屬于強(qiáng)干擾源，其本身產(chǎn)生的干擾直接危害著電子設(shè)備的正常工作。因此，抑制開關(guān)電源本身的電磁噪聲，同時提高對電磁干擾的抗擾性，在設(shè)計和開發(fā)過程中需要特別的關(guān)注。

地震行業(yè)的科技人員從上世紀(jì)七八十年代就已經(jīng)認(rèn)識到電源對各類地震觀測儀器的重要性，開始了對各類電源的改進(jìn)、探索、研究。從研究方向上主要分為穩(wěn)壓電源、隔離電源、遠(yuǎn)程控制電源［3］-［4］和多功能智能電源［5］-［6］。上世紀(jì)末到本世紀(jì)初雙路電源系統(tǒng)和電源監(jiān)控系統(tǒng)逐漸發(fā)展和完善，雖然在我們地震行業(yè)應(yīng)用還處在探索階段，應(yīng)用也較少［5］-［10］，而且在電力、有線電視、醫(yī)療部門、移動通訊等行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。但針對如何有效解決電源干擾對水氡觀測的影響目前還沒有明確有效的方案。因此我們提出對地震臺BHC-336定標(biāo)器電源改進(jìn)，其工作時完全由直流電瓶供電，杜絕各類交流電和開關(guān)電源噪聲對FD-125測氡儀測值的影響。設(shè)計一套完善的直流電源監(jiān)控、分析和切換備用模塊的直流供電系統(tǒng)。同時可儲存相關(guān)直流電源的歷史數(shù)據(jù)，為后期科技人員對各路直流電源變化與監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化分析提供科學(xué)依據(jù)。

1 隔離直流電源系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 交流220V到直流12V交直流轉(zhuǎn)換部分

工作時設(shè)備可接入兩路交流電源，一路為主交流電源輸入接口，另一路為備用交流電源輸入接口，并在內(nèi)部設(shè)計主備雙路直流開關(guān)電源互為備份。同時直流輸出的工作電路中加入一個50伏2000微法電容和一個0.1微法容量，這樣在直流電源切換時對后端直流輸出不會造成任何影響［7］。

1.2 直流12V到雙電瓶充放電部分

直流12V電源正常時，如果某后備電瓶電壓低于設(shè)定的充電下限電壓值時對其進(jìn)行充電，當(dāng)后備電瓶電壓高于充電上限電壓值時停止充電。供電時判斷兩電瓶電壓是否高于設(shè)定的放電上限電壓（高于為正常狀態(tài)）并自動切換到正常的后備電瓶進(jìn)行供電（如都正常先從上次未用的后備電瓶開始供電）。當(dāng)此供電后備電瓶電壓低于設(shè)定的放電下限電壓值時（放空），控制切換到另一后備電瓶供電。供電的后備電源放空后再對其進(jìn)行充電，當(dāng)后備電源電壓高于充電上限電壓值時停止充電。同時檢測另一后備電源的電壓值，如低于設(shè)定的充電下限電壓值則對其進(jìn)行充電，當(dāng)電壓高于充電上限電壓值時停止充電。供電時電瓶完全與開關(guān)電源輸出的直流12V物理隔離，以達(dá)到電源隔離的效果［10-11］。

1.3 直流12V電源到±12V及±5V轉(zhuǎn)換部分

電瓶輸出12V通過單片機(jī)控制的繼電器后接入12V變±12V電源模塊和12V變±5V電源模塊。模塊輸出±12V、±5V到BHC-336定標(biāo)器內(nèi)部供電板，單片機(jī)通過多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片可實(shí)時監(jiān)視12V直流輸入電源電壓和后面的模塊輸出的+12V、-12V、+5V和-5V各路電壓值，可判定輸出電壓平均電壓值和峰峰值等參數(shù)并可通過單片機(jī)控制繼電器切換DC-DC電源模塊，以解決DC-DC電源模塊問題。同時可將電壓監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲在非易失數(shù)據(jù)存儲芯片中，儲存記錄便于以后分析使用。

2 隔離直流電源系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件由單片機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、有線網(wǎng)絡(luò)模塊、無線通訊模塊、液晶顯示和鍵盤等部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖1 儀器硬件框圖Fig.1 Instrument hardware frame

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各功能器件選擇及實(shí)現(xiàn)

本儀器的控制核心選用了PHILIPS公司生產(chǎn)的工業(yè)級增強(qiáng)型單片機(jī)P89C668，其內(nèi)部包含64KB ISP Flash(程序存儲器)和8KB ROM（數(shù)據(jù)存儲器）。通信接口選用MAX202芯片完成TTL和RS232電平轉(zhuǎn)換，使監(jiān)控單元能夠與Q24plus進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)存儲選用非易失CMOS串行E2ROM存儲器AT24C1024（1024Kbit）裝載本儀器的接收發(fā)送速率等參數(shù)，各種參數(shù)可通過鍵盤進(jìn)行修改。為方便工作人員進(jìn)行現(xiàn)場操作，我們設(shè)計了16鍵鍵盤和使用帶背光的128×64點(diǎn)陣液晶顯示屏用于進(jìn)行人機(jī)交互。時鐘功能設(shè)計中選用X1226時鐘芯片，其具有時鐘和日歷的功能。電壓信息采集選用美國TI公司生產(chǎn)的多通道、低價格的模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC1543。其采用串行通信接口具有輸入通道多、性價比高、易于和單片機(jī)接口的特點(diǎn)。無線數(shù)據(jù)傳輸及遠(yuǎn)程控制命令的傳輸選用的是性能優(yōu)良的法國WAVECOM公司生產(chǎn)的Q24plus工業(yè)級是雙頻GSM/GPRS MODEM模塊。網(wǎng)絡(luò)通信模塊選用了具有MAC搜索配置、全透明數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)且具有超強(qiáng)數(shù)據(jù)可靠性及長期工作穩(wěn)定性的超然嵌入式TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換器EL100，有線傳輸與無線傳輸信道互為備份［12］。

圖2 儀器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the instrument structure

2.3 隔離直流電源儀器結(jié)構(gòu)示意圖及工作過程

系統(tǒng)工作過程如下：交流220V電源和備用交流220V電源通過繼電器組1給直流12V開關(guān)電源1或直流12V后備電源2供電，工作的直流電源通過繼電器組2輸出的12V到保護(hù)二極管1，然后通過濾波電容1和受單片機(jī)電路板控制的繼電器組3選擇給12V電瓶1或12V電瓶2供電。其中一塊電瓶充電時另一塊電瓶供電，供電電瓶通過保護(hù)二極管2、濾波電容2。然后通過受單片機(jī)電路板控制的繼電器組4選擇后端的DC-DC直流供電模塊12V變±12V電源模塊、12V變±12V備用電池模塊、12V變±5V電源模塊、12V變±5V備用電源模塊。最后輸出的±12V和±5V通過高低頻濾波器組后輸入到BHC-336定標(biāo)器完成隔離交流電瓶供電變壓濾波等功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制終端上電后，首先讀取本系統(tǒng)工作參數(shù)及地址號（臺站號），然后對3G無線通訊模塊進(jìn)行初始化，如設(shè)置短信模式為text模式；設(shè)置中心服務(wù)器IP地址；設(shè)置傳輸速率等。然后單片機(jī)巡回檢測無線模塊是否收到新短信，當(dāng)有新短信傳來時，執(zhí)行串口終端服務(wù)程序：讀取指令短信，并判斷地址號是否與本機(jī)相同，密碼是否正確。如相符則執(zhí)行相應(yīng)的操作指令，執(zhí)行完畢后返回本終端各開關(guān)電源、DC-DC電源模塊工作狀態(tài)信息。而后刪除已讀取的短信。程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖Fig.3 Program flow chart

4 結(jié)語

通過應(yīng)用本地震前兆儀器多路隔離直流電源及實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)對遼寧省盤錦地震臺BHC-336定標(biāo)器進(jìn)行供電改進(jìn)，其工作時完全由直流電瓶供電，杜絕各類交流電和開關(guān)電源噪聲對FD-125測氡儀測值的影響。通過分析對比使用隔離直流電源前后FD-125測氡儀測值的變化情況，可以發(fā)現(xiàn)FD-125測氡儀主樣副樣的差值和誤差率使用隔離直流電源后明顯變小。由此認(rèn)為隔離直流電源達(dá)到設(shè)計效果，一定程度上解決了由于交流電和開關(guān)電源噪聲對FD-125測氡儀測值的影響。