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，各種手段的區域地震臺網、科考臺陣、流動臺站及地震預警臺站在全國范圍內投入建設，地震觀測臺站的數量成倍增加。臺站觀測數據作為寶貴的資源，為科學考察、監測預報研究及地震預警信息服務等提供了重要的數據支撐。如何更好地保證設備的連續正常運行，提高觀測數據完整性成為監測系統維護技術保障工作的首要任務。數字地震臺站通常由專業地震計、數據采集器、數據傳輸設備以及多功能電源設備組成，引起觀測數據丟失的原因多種多樣，包括采集器故障、傳輸故障、地震計故障和電源故障等，其中電源故障(包含因電源原因引起的其它設備故障)在各種臺站系統故障中出現的頻率最高。據統計，無論從故障發生率還是資料使用率來看，電源系統故障占臺網故障總數的35%以上(舒優良，2000)。因此，設計一種優先保障數采正常工作，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 總體框架設計

地震觀測臺站的供電系統應該具備較長的的續航能力和低故障率，以保障監測設備穩定工作，降低斷記率，產出高質量的監測數據(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際需求，或采用純硬件電路及低端的微處理器，導致其性能和可靠性有一定的局限性，造成觀測設備故障、記錄數據的斷記和丟失。同時，偏遠地區電網的不穩定性和頻繁停電現象，造成交流電+蓄電池模式臺站供電系統中的蓄電池出現過放損壞及后端設備反復重啟損壞的情況也時有發生。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等的重要參數信息，對臺站供電系統進行實時監測和判斷，進而對臺站供電系統進行優化控制和管理，使臺站供電系統具有自診能力，可有效減少因蓄電池過放而無法重新充電，及引起后端采集設備不能工作或反復重啟造成觀測數據丟失和設備損壞現象，提高系統的可靠性、壽命和供電質量，降低維護成本。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 系統框圖

電源控制器主要由控制單元和執行電路構成，控制單元主要負責電壓、電流及功率的檢測、運算處理和控制輸出，其可采用STM32或STC89C51單片機來實現；執行電路主要負責快速準確的響應控制單元發生的各種控制脈沖，從而構成一個穩定、可靠的控制系統。同時，為更好的適應野外工作需求，系統開發時還應考慮時鐘電路、復位電路、顯示及溫濕度監測電路等輔助電路，系統框圖如圖2所示。

2 系統基本功能

為了實現地震觀測臺站對電源的功能需求，系統應具備顯示功能、參數設置、短路保護、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；參數設置：控制器的所有參數可在外部通過按鍵進行設置，設置時可采用密碼進入的方式，避免誤操作引起系統誤觸發；短路保護功能：輸出端短路保護，臺站觀測設備在野外使用過程中，因工作環境苛刻，常出現短路故障，在無保護措施情況下，極易引起臺站電源設備損壞；判斷和控制：控制器通過對臺站供電系統輸出端和蓄電池工作狀態的檢測，根據系統當前狀態，調整輸出端通斷，使供電系統具備自診和自我修復的能力；電壓或電流值檢測功能：電壓或電流值檢測主要是為系統邏輯判斷及短路保護提供判斷依據，通過采樣電阻對電路中的電壓或電流值進行采樣，并由單片機的AD采樣端進行模數轉換。

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實現控制的關鍵環節，系統通過采樣電阻對電路中的電流進行采樣，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儀表運放芯片作為核心器件，通過檢測采樣電阻兩端的電壓，可實現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設備中(呂常智，2006)。它的增益固定為50 V/V，其測量環路誤差小，精度高，在馬達控制、傳動控制、磁懸浮控制、車輛動力控制、燃料噴射控制、引擎管理和DC-DC變換等控制系統中得到廣泛使用。設計中將AD8205芯片的OUT引腳通過電阻R1連接到單片機的ADC采集引腳，通過采樣電阻R2采集到的電壓經過單片機處理后即可計算出流過采樣電阻的電流，從而實現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，并進行顯示輸出、環境監測、電流或電壓值監測、輸出控制、短路保護等的控制和調用，程序初始化后，便進入主循環，循環調用“鍵盤”、“控制”、“數傳”和“顯示”等模塊處理函數，執行相應業務功能，實時對系統的工作狀態進行監測，并做出控制判斷。系統軟件功能如圖4所示。

圖4 系統軟件功能圖

系統讀取到用戶設置的控制電壓值、輸出端保護電流值等參數后，判斷臺站供電系統當前輸出端和蓄電池的工作狀態，進而實現系統對輸出端的控制及短路保護功能。根據野外臺站設備工作實際情況，智能控制器輸出端將設計兩個閾值電壓(低閾值VL和高閾值VH)和一個保護電流Iout，設備上電后，系統會自動跟蹤檢測蓄電池電壓Vin和輸出端電流的變化情況。當Vin≤VL時，輸出端A和輸出端B同時停止對外供電；當VL

圖5 程序流程圖

4 結論

本文提出了以微處理器為核心通用電源控制器的設計思路，控制器的使用可對臺站原有供電系統的功能進行優化和擴展，實時監測臺站供電系統的工作狀態，從而使臺站供電系統具有自診能力，避免供電系統工作異常引起數據采集設備和通信設備的損壞，為相應供電模式地震觀測臺站提供技術支撐。有效提高臺站設備的壽命及保障觀測臺站記錄數據的完整性。