基于北斗衛星和STM32F407的雷電監測系統設計*

華國環，舒 梁，張文鋒，徐瀚文，吳禮福

(南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心/電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044)

雷電現象是在強對流天氣情況下發生的瞬間放電過程，是自然界中不可抗拒的天氣災害，其產生的危害也是巨大的，盡管雷電災害無法杜絕，但利用合理的雷電監測與防護系統能夠有效達到防雷減災的目的。

因此，對雷電的監測和預警顯得至關重要。在雷電監測方面，雷電波具有陡度高、沖擊速度快的特點，過低的采樣速率會使采集到的信號失真，同時目前市場上產品單純探測電磁脈沖信號，難以綜合研究雷電過程；在采樣信號傳輸方面，雷電現象伴隨的較大電磁干擾會阻礙信號的傳輸處理[1-2]；在雷電定位方面，目前成熟的產品方案主要是基于甚低頻電磁信號的二維定位技術，精度不高；雖然也出現了基于甚高頻電磁信號的三維定位設備[3]，但其設備復雜、造價昂貴，市場普及難度大，同時其本身的技術方案，也存在一定的局限性。

本文研究設計的基于北斗衛星的高精度雷電監測系統，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監測系統。該系統具有精度高、實用性強、成本低、應用范圍廣的特點。

1 工作原理及軟硬件設計

1.1 工作原理

現階段，使用羅氏線圈和正交磁環天線進行雷電流感應采集的方案已經得到廣泛應用，二者都能實現電流信號到電壓信號的轉化，以便于系統采樣[4]，此處以羅氏線圈作為雷電流信號采集傳感器為例，介紹工作原理，圖1是羅氏線圈結構示意圖。

圖1 羅氏線圈結構示意圖

羅氏線圈測量法基于法拉第電磁感應定律和安培環路定理，穿過線圈中心的動態電流會引起對應的磁場變化[5]，形成與之對應的電場:

式中:M為互感系數，I(t)為電流大小。

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

本文采用時差法(Time of Arrival，TOA)對云地閃進行定位，如直接使用磁信號定位法，讓各子站接收雷電輻射出的磁信號，存在各種測量誤差，而采用時差法定位精度更高，如圖2所示，在一個由三個測試子站構成的網絡中[7]，通過下列方程組可得出P0(x0，y0，z0)處落雷發生的位置(x0，y0，z0)。

圖2 三子站時差法定位示意圖

式中:c是電磁波傳播速度。

1.2 硬件設計

基于北斗衛星的雷電監測系統的硬件組成主要包括主控芯片模塊、電源模塊、雷電流感應模塊、信號處理模塊、BD授時定位模塊、4G無線傳輸模塊[8]。整體結構框圖如圖3所示。

圖3 硬件整體結構框圖

1.2.1 主控芯片模塊

主控芯片模塊主要由微處理器、時鐘電路、存儲和復位電路等組成。主控芯片采用STM32F407，該微控制器基于ARM Cortex-M4內核，工作頻率高達168 MHz，芯片內部包含高速存儲器，SRAM高達192 kbyte，I/O口豐富[9]。該處理器含有3個12位的ADC采集器、2個32位定時器方便電壓數據的準確采集和ns級時間戳的獲取，一個SDIO接口和一個FSMC接口完全能夠滿足SD卡數據的備份和大量數據采集時外擴SRAM的需要，而且成本較低，性能優勢明顯。

1.2.2 雷電流感應處理模塊

雷電感應采集模塊包括雷電流傳感器、信號預處理電路和觸發比較電路三部分。實際上，采集接閃桿的雷電數據時選用羅氏線圈，而在野外布站進行雷電測量定位時選用正交磁環天線較為合適，本系統根據實際適用場景選用了正交磁環天線進行雷電信號采集，雷電信號通過磁環天線的線圈和磁芯產生感應電壓，其雷電流感應原理類似羅氏線圈。

在實際的雷閃情況下，雷電流傳感器會輸出±10 V范圍內的電壓數據[10-11]，而MCU進行模數轉換要求輸入0～3.3 V的電壓，需要信號預處理電路將±10 V范圍內的電壓信號線性變換到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，保證雷電信號無損采樣。原理圖如圖4所示。

圖4 信號預處理電路原理圖

圖4中R1、R2、C1和R3構成信號衰減和高通濾波電路，將輸入信號調整為±1.6 V的信號，同時過濾50 Hz工頻干擾；運放U1和R4、R5構成電壓跟隨器；運放U2和R6、R7、R8、R9構成同相加法電路，將±1.6 V的信號轉換為0～3.2 V的信號；R10和C2構成低通濾波電路，過濾高頻干擾信號；運放U1和U2是±5 V電源供電的，其中-5 V電壓由負壓芯片提供；偏移電壓Vbias由可調LDO產生；此信號預處理電路的輸出Vout計算公式如下:

經過上述電路處理之后，雷電信號已經調整為模數轉換所能處理的數據了，但是對于主控芯片來說需要滿足觸發閾值才能夠開啟電壓信號的采集[13]，所以此處還需要設計一個觸發比較電路來實現觸發閾值可調，方便系統的監測采集，如圖5所示。

圖5 觸發比較電路原理圖

圖5中將信號預處理電路的輸出Vout和可調LDO產生的觸發閾值電壓進行比較，產生窄脈沖信號Vcomp觸發MCU進行納秒級時間戳的計算。

1.2.3 北斗授時定位模塊

定位模塊主要用于獲取子站的經緯度信息，同時同步系統各子站的時間。本系統的定位模塊采用中科微的ATGM332D定位模塊，該模塊能夠以99通道同時接收北斗和GPS衛星信號[14]，功耗低的同時又保持高靈敏度，并且能夠適應多種弱信號場景并迅速準確定位，滿足探測子站野外布站的工作需求。其產生的1 pps脈沖信號能夠同步各探測子站的秒基準，結合主控芯片內置的32位的定時器可以獲取精確的納秒級時間戳，為時差法雷電定位提供了精確數據。

1.2.4 4G無線傳輸模塊

4G無線傳輸模塊使用移遠通信的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多種制式的網絡傳輸。既滿足了日常情況下的高速率傳輸，又確保了在網絡覆蓋不完善的偏遠地區能正常工作。

EC200T-CN模塊能夠用AT指令連接HTTP、MQTT、FTP服務器等，本系統利用AT指令連接指定的FTP服務器，發送各個子站采集的數據。

1.2.5 硬件實物圖

硬件實物圖如圖6所示。

圖6 雷電監測系統硬件實物圖

1.3 軟件設計

本部分采用MDK Keil5作為開發平臺，使用C語言作為編程語言，基于模塊化思想進行軟件設計，通過將不同的硬件模塊所對應的驅動程序放置在不同的C文件中，最終構成一個完整的工程，模塊化設計的程序邏輯清晰、可讀性高、后期調試方便[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服務并開啟看門狗，接下來進行觸發閾值判斷，當達到觸發條件時采集并處理數據，接著判斷網絡狀態，當網絡狀態良好時，SD卡存儲同時FLASH備份，然后通過4G通信發送到服務器；網絡狀態較差時，直接進行SD卡存儲備份，存儲完成后再嘗試連接FTP服務器，連接成功后發送備份數據，連接失敗就直接使用SD卡存儲，防止數據的丟失。

2 測量與分析

監測系統設計完成后先后進行了性能測試、功耗測試、穩定性測試、高溫可靠性測試等[16]，根據測試結果顯示該系統預期的功能都能實現，能較好地完成實際監測的需要，測試結果如下:

2.1 納秒級時間戳精度測試

本系統通過多個監測子站儀器獲取的時間戳，采用時差法來計算，得到準確的雷電定位，為了驗證系統的定位準確性，對同一位置的三個子站采用脈沖波形和正弦波兩種觸發方式進行了多次試驗，通過比較每次納秒級時間戳的變化來測試定位的最大誤差值[17]，測試結果如表1所示，每組子站時間差從上至下依次為子站1與子站2時間差、子站2與子站3時間差、子站1與子站3時間差。

表1 納秒級時間戳獲取測試結果

實驗結果表明，三個監測子站能夠準確獲取到納秒級時間戳，并且監測子站間的時間戳誤差較小，全部小于50 ns，滿足雷電捕獲的授時時間戳精度要求。考慮到電路板上預處理電路、觸發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，同時北斗GPS模塊的授時精度也存在30 ns的誤差，不過整體誤差可控，小于100 ns，因此宏觀上雷電定位的誤差在可接受范圍內，符合定位需求。

2.2 雷電波形還原測試

通過與NI PCI6070E數據采集卡采集到的數據結果進行對比，測試本系統能否對采集到的雷電波形進行高精度還原。如圖8所示，連續曲線為NI采集卡獲得的波形，點狀曲線為本系統采集到的波形，結果顯示本監測系統采樣波形的包絡形狀、電壓值均接近NI采集卡的采樣波形，采集效果完全能夠達到預期效果，繪制的波形能夠準確地還原出當時的雷電信號，采集精度較高。

圖8 波形對比圖

2.3 功耗測試

使用直流電源給本系統硬件供電并記錄其電流和功率，以此來測試電流的功耗參數[18]。經測試，本系統在5 V供電時，待機狀態下工作電流為0.2 A，待機功耗為1.0 W左右，如圖9左邊照片所示；采集和發送數據時的平均電流為0.4 A左右，平均功耗為2.0 W左右，如圖9右邊照片所示。本系統功耗較低，為長時間運行、便捷式操作提供了有力保障。

圖9 功耗測試

3 總結

本文介紹了一種基于北斗衛星和STM32F407的雷電監測系統設計。系統主要包括主控電路模塊、電源模塊、雷電感應采集模塊、系統授時定位模塊和無線傳輸模塊。本系統獲取的雷電發生時刻的整體誤差小于100 ns，具有雷電定位精度高、還原雷電波形準確、集成度高、低成本、低功耗等特點。本系統主要應用于氣象部門、電力、通訊設施和易燃易爆場所的雷電監測與防護，還可用于高鐵接觸網雷擊故障點的定位和事故分析，應用范圍較廣。