朱葉琳，劉建光，趙 雷，劉 雙，韓 艷

（1.遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.盤(pán)錦地震臺(tái)，遼寧 盤(pán)錦 124000）

0 引言

我國(guó)電網(wǎng)供電有時(shí)不夠穩(wěn)定，常常發(fā)生瞬時(shí)電源中斷、過(guò)壓和欠壓、浪涌和下跌、瞬時(shí)脈沖漂移以及瞬時(shí)頻率漂移，而FD-125測(cè)氡儀比較靈敏，易受電路的電壓波動(dòng)干擾，易受外界電動(dòng)信號(hào)和機(jī)械信號(hào)的干擾，在計(jì)數(shù)過(guò)程中，打開(kāi)或關(guān)閉用電器電源或電力機(jī)械會(huì)使計(jì)數(shù)猛增［1］。同時(shí)，供電電路中電壓大幅度波動(dòng)對(duì)氡測(cè)值有影響，幅度可高達(dá)10%以上［2］。因此在水氡觀測(cè)中，需要考慮該種儀器抗電源干擾的問(wèn)題。當(dāng)前大多前兆儀器使用開(kāi)關(guān)電源作為內(nèi)部直流供電電源，而開(kāi)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(kāi)關(guān)電源本身的電磁噪聲，同時(shí)提高對(duì)電磁干擾的抗擾性，在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)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(shí)到電源對(duì)各類地震觀測(cè)儀器的重要性，開(kāi)始了對(duì)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(dòng)通訊等行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。但針對(duì)如何有效解決電源干擾對(duì)水氡觀測(cè)的影響目前還沒(méi)有明確有效的方案。因此我們提出對(duì)地震臺(tái)BHC-336定標(biāo)器電源改進(jìn)，其工作時(shí)完全由直流電瓶供電，杜絕各類交流電和開(kāi)關(guān)電源噪聲對(duì)FD-125測(cè)氡儀測(cè)值的影響。設(shè)計(jì)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(shí)可儲(chǔ)存相關(guān)直流電源的歷史數(shù)據(jù)，為后期科技人員對(duì)各路直流電源變化與監(jiān)測(cè)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(jì)

1.1 交流220V到直流12V交直流轉(zhuǎn)換部分

工作時(shí)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(jì)主備雙路直流開(kāi)關(guān)電源互為備份。同時(shí)直流輸出的工作電路中加入一個(gè)50伏2000微法電容和一個(gè)0.1微法容量，這樣在直流電源切換時(shí)對(duì)后端直流輸出不會(huì)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(shí)，如果某后備電瓶電壓低于設(shè)定的充電下限電壓值時(shí)對(duì)其進(jìn)行充電，當(dāng)后備電瓶電壓高于充電上限電壓值時(shí)停止充電。供電時(shí)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(dòng)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(kāi)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(shí)（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(duì)其進(jìn)行充電，當(dāng)后備電源電壓高于充電上限電壓值時(shí)停止充電。同時(shí)檢測(cè)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(duì)其進(jìn)行充電，當(dāng)電壓高于充電上限電壓值時(shí)停止充電。供電時(shí)電瓶完全與開(kāi)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(guò)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(guò)多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片可實(shí)時(shí)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(guò)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(wèn)題。同時(shí)可將電壓監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在非易失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片中，儲(chǔ)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(jì)

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(wú)線通訊模塊、液晶顯示和鍵盤(pán)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(jí)增強(qiáng)型單片機(jī)P89C668，其內(nèi)部包含64KB ISP Flash(程序存儲(chǔ)器)和8KB ROM（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)選用非易失CMOS串行E2ROM存儲(chǔ)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(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行修改。為方便工作人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，我們?cè)O(shè)計(jì)了16鍵鍵盤(pán)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(shí)鐘功能設(shè)計(jì)中選用X1226時(shí)鐘芯片，其具有時(shí)鐘和日歷的功能。電壓信息采集選用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的多通道、低價(jià)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(jià)比高、易于和單片機(jī)接口的特點(diǎn)。無(wú)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(guó)WAVECOM公司生產(chǎn)的Q24plus工業(yè)級(jí)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(zhǎng)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(wú)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(guò)程

系統(tǒng)工作過(guò)程如下：交流220V電源和備用交流220V電源通過(guò)繼電器組1給直流12V開(kāi)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(guò)繼電器組2輸出的12V到保護(hù)二極管1，然后通過(guò)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(shí)另一塊電瓶供電，供電電瓶通過(guò)保護(hù)二極管2、濾波電容2。然后通過(guò)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(guò)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(jì)

控制終端上電后，首先讀取本系統(tǒng)工作參數(shù)及地址號(hào)（臺(tái)站號(hào)），然后對(duì)3G無(wú)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(cè)無(wú)線模塊是否收到新短信，當(dāng)有新短信傳來(lái)時(shí)，執(zhí)行串口終端服務(wù)程序：讀取指令短信，并判斷地址號(hào)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(kāi)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(yǔ)

通過(guò)應(yīng)用本地震前兆儀器多路隔離直流電源及實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)遼寧省盤(pán)錦地震臺(tái)BHC-336定標(biāo)器進(jìn)行供電改進(jìn)，其工作時(shí)完全由直流電瓶供電，杜絕各類交流電和開(kāi)關(guān)電源噪聲對(duì)FD-125測(cè)氡儀測(cè)值的影響。通過(guò)分析對(duì)比使用隔離直流電源前后FD-125測(cè)氡儀測(cè)值的變化情況，可以發(fā)現(xiàn)FD-125測(cè)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(jì)效果，一定程度上解決了由于交流電和開(kāi)關(guān)電源噪聲對(duì)FD-125測(cè)氡儀測(cè)值的影響。