李興泉 邵玉平 劉江

四川省地震局，成都 610041

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家和地方對(duì)地震觀測(cè)研究的重視，各種手段的區(qū)域臺(tái)網(wǎng)、科考臺(tái)陣、流動(dòng)臺(tái)站及地震預(yù)警臺(tái)站在全國(guó)范圍內(nèi)投入建設(shè)(周克昌等，2013； 李興泉等，2018)。如何保障數(shù)字地震臺(tái)站的正常運(yùn)行成為技術(shù)支持的關(guān)鍵任務(wù)，數(shù)字地震臺(tái)站通常由專業(yè)地震信號(hào)獲取器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備以及多功能電源設(shè)備組成，穩(wěn)定可靠的供電系統(tǒng)是臺(tái)站正常運(yùn)行的必要條件，目前地震觀測(cè)臺(tái)站供電主要包含交流供電、太陽(yáng)能供電和交流+太陽(yáng)能混合供電等多種形式(肖武軍等，2019)，其中太陽(yáng)能供電作為臺(tái)站重要供電手段之一，使本來(lái)無(wú)法或者不方便得到電力供應(yīng)的地區(qū)實(shí)現(xiàn)建臺(tái)的可能，加之其有較好的避雷效果，近年來(lái)太陽(yáng)能+蓄電池構(gòu)建的供電系統(tǒng)在地震觀測(cè)臺(tái)站中得到普遍推廣應(yīng)用，太陽(yáng)能管理電源作為該類供電系統(tǒng)的核心設(shè)備，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)臺(tái)站能否正常運(yùn)行。目前針對(duì)臺(tái)站使用電源的研究較少，現(xiàn)有的太陽(yáng)能管理電源也大多不能滿足地震觀測(cè)臺(tái)站的實(shí)際需求，或采用純硬件電路及低端的微處理器，導(dǎo)致其性能和可靠性有一定的局限性，造成觀測(cè)設(shè)備故障及記錄數(shù)據(jù)的斷記和丟失現(xiàn)象頻出。同時(shí)偏遠(yuǎn)地區(qū)電網(wǎng)的不穩(wěn)定性和頻繁停電現(xiàn)象，造成臺(tái)站供電系統(tǒng)(交流+蓄電池供電模式)中蓄電池出現(xiàn)過(guò)放損壞及后端設(shè)備反復(fù)重啟損壞的情況也時(shí)有發(fā)生。

為此，我們研制了一種針對(duì)地震觀測(cè)臺(tái)站系統(tǒng)使用的智能電源控制器，這種控制器能夠根據(jù)臺(tái)站供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)對(duì)輸出端進(jìn)行智能控制，克服傳統(tǒng)電源在臺(tái)站上使用的弊端，完善了功能需求，對(duì)供電系統(tǒng)輸出端進(jìn)行分類管理，優(yōu)先保障臺(tái)站數(shù)據(jù)采集單元的正常工作，使其盡可能記錄到完整的地脈動(dòng)數(shù)據(jù)，另外，也可保障臺(tái)站蓄電池達(dá)到終止電壓后仍可自行恢復(fù)并重新對(duì)外正常供電，從而降低臺(tái)站運(yùn)維成本，提高臺(tái)站運(yùn)行率。同時(shí)，該控制器將蓄電池電量狀態(tài)作為對(duì)外供電的判斷依據(jù)，避免后端專業(yè)設(shè)備因供電系統(tǒng)電量不足而反復(fù)重啟造成損壞。因此，智能電源控制器的研制可為未來(lái)針對(duì)地震臺(tái)站觀測(cè)使用的太陽(yáng)能管理電源技術(shù)改進(jìn)提供參考，具有較高推廣價(jià)值。

1 總體方案設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有地震觀測(cè)臺(tái)站供電系統(tǒng)實(shí)地調(diào)研，通用智能電源控制器應(yīng)具備以下主要功能：①易于接入，控制器外部接入地震觀測(cè)臺(tái)站原供電系統(tǒng)后，便可對(duì)臺(tái)站供電系統(tǒng)的功能進(jìn)行優(yōu)化和擴(kuò)展，降低原有臺(tái)站供電系統(tǒng)改造成本； ②多種模式輸出，根據(jù)地震觀測(cè)臺(tái)站運(yùn)行狀態(tài)，輸出端可呈現(xiàn)多種輸出方式，優(yōu)先保障臺(tái)站采集單元的正常供電，最大限度提高臺(tái)站記錄數(shù)據(jù)完整性，進(jìn)而在有效提高臺(tái)站專業(yè)設(shè)備及蓄電池使用壽命等方面滿足用戶需求； ③短路保護(hù)電流獨(dú)立設(shè)置，滿足臺(tái)站專業(yè)設(shè)備種類眾多、所承受最大電流值各不相同的實(shí)際需要，增強(qiáng)設(shè)備通用性。

地震觀測(cè)臺(tái)站通用智能電源控制器主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 地震觀測(cè)臺(tái)站通用智能電源控制器主要技術(shù)指標(biāo)

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)滲透到生活的各個(gè)方面，覆蓋了電子消費(fèi)、儀器儀表、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)是計(jì)算軟件和硬件相結(jié)合的針對(duì)工業(yè)中某一種特殊功能要求量身設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，其中嵌入式處理器為核心器件，擔(dān)負(fù)著整個(gè)系統(tǒng)關(guān)鍵的功能控制操作(王宏波，2002； 孫啟富等，2010)。STM32單片機(jī)作為嵌入式系統(tǒng)的核心器件，具有出眾的性能、豐富且靈活的外設(shè)，為產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供了更多的便利。本文研究的重點(diǎn)是以STM32F107微處理器為控制器核心設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)適用于地震觀測(cè)臺(tái)站使用的智能電源控制器。智能電源控制器對(duì)臺(tái)站供電系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行采集處理后，由STM32F107對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，并根據(jù)當(dāng)前臺(tái)站供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)臺(tái)站供電系統(tǒng)進(jìn)行控制。同時(shí)，為更好地滿足地震觀測(cè)臺(tái)站功能需求，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、顯示及溫濕度監(jiān)測(cè)電路等輔助電路，系統(tǒng)功能如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要硬件電路包括STM32F107主控電路、輸出端電流/電壓監(jiān)測(cè)電路、蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路、輸出端短路保護(hù)電路、溫濕度監(jiān)測(cè)電路及顯示電路等，其中輸出端電流/電壓監(jiān)測(cè)電路、蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路及輸出端短路保護(hù)電路為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。

2.1 主控單元

主控單元采用意法半導(dǎo)體公司出產(chǎn)的32位ARM微處理器STM32F107，該芯片是一款互聯(lián)型微控制器，集成了各種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，適應(yīng)多種應(yīng)用，具有高性能、低功耗、接口豐富和體積小等優(yōu)良特性，為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)帶來(lái)出色的擴(kuò)展功能和豐富的外設(shè)配置，使STM32F107在醫(yī)療、樓宇自動(dòng)化、警報(bào)系統(tǒng)、視頻對(duì)講等多種場(chǎng)合得到廣泛使用。

2.2 系統(tǒng)時(shí)鐘電路

以微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)中，時(shí)鐘是保證系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，其不但為整個(gè)系統(tǒng)提供基準(zhǔn)的定時(shí)信號(hào)，還對(duì)外圍電路起著功能協(xié)調(diào)的作用(李東等，1999)。本系統(tǒng)的時(shí)鐘電路主要由晶體振蕩器和外圍補(bǔ)償電路組成，包括限流電阻、無(wú)源晶振和負(fù)載電容等(圖2)。電路中電阻R1為反饋電阻(一般≥1MΩ)，主要作用為限流，防止諧振器過(guò)驅(qū)、降低諧振阻抗，使STM32F107內(nèi)部反相器在振蕩初始時(shí)處于線性工作區(qū)； 晶振Y1采用貼片無(wú)源晶振，其兩端的C4和C14為晶體的匹配電容，用來(lái)匹配晶體的負(fù)載電容，當(dāng)所接電容為匹配電容，便可保證振蕩頻率在標(biāo)稱頻率附近的誤差范圍內(nèi)，若電容太小不易起振，在某些情況下，振蕩頻率的微調(diào)可通過(guò)調(diào)整這兩個(gè)電容的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)，可調(diào)范圍一般在10ppm量級(jí)(張小強(qiáng)等，2015)。

圖2 系統(tǒng)時(shí)鐘電路

2.3 電壓/電流檢測(cè)電路

系統(tǒng)中電壓/電流檢測(cè)功能由INA219來(lái)實(shí)現(xiàn)，INA219具有I2C接口，是一種雙向電流/功率控制器芯片。該芯片可將輸入的模擬電壓和分壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，保存在電壓寄存器和分壓寄存器中，也可把分壓通過(guò)內(nèi)部電路換算成電流信號(hào)，保存在電流寄存器中，并通過(guò)附加乘法寄存器來(lái)計(jì)算功率。INA219芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 INA219芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

INA219內(nèi)嵌delta-sigma ADC，delta-sigma ADC通過(guò)采用過(guò)采樣、噪聲整形以及數(shù)字濾波等技術(shù)，降低了對(duì)模擬電路的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了其他類型ADC無(wú)法達(dá)到的高精度和低功耗，廣泛應(yīng)用在工業(yè)測(cè)量、專業(yè)音頻編解碼等高精度場(chǎng)合中，并在多種數(shù)據(jù)接收器中得到應(yīng)用(閆寧等，2016；Candy et al，1992)。

電路設(shè)計(jì)中，INA219通過(guò)2個(gè)模擬輸入端1腳和2腳(輸入+和輸入-)連接電路中采樣電阻的兩端，在正常工作模式時(shí)，INA219通過(guò)采樣電阻對(duì)電路中的電壓進(jìn)行采樣，并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后保存在寄存器內(nèi)。檢測(cè)電路通過(guò)取樣電阻對(duì)電路上的電壓或電流進(jìn)行取樣時(shí)，將產(chǎn)生瞬態(tài)諧波，其頻率約1MHz或更高，瞬態(tài)諧波會(huì)對(duì)后端電路產(chǎn)生干擾。因此，通常會(huì)在INA219的輸入端添加電容，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。設(shè)計(jì)中盡可能選擇串聯(lián)電阻或陶瓷電容器，電容容量建議為0.1～1μF。檢測(cè)電路如圖4所示。

圖4 電壓/電流檢測(cè)電路

通過(guò)選擇通道和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，INA219可將輸入電壓Vin+與分壓Vin-以二進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式保存到電壓寄存器與分壓寄存器中，電流則由分壓和一個(gè)校準(zhǔn)值組合計(jì)算得到，計(jì)算結(jié)果作為邏輯判斷參數(shù)，用于對(duì)臺(tái)站供電系統(tǒng)控制的依據(jù)。計(jì)算公式如下

Vshunt=Vin+-Vin-

(1)

VBUS=Vin+-GND

(2)

CurrentRegsister=ShuntVoltageRegister×CalibrationRegister/4096

(3)

式中，Vshunt為高精度檢測(cè)電阻電壓；VBUS為輸入電壓；CurrentRegsister為電流寄存器中保存的電流值。

2.4 輸出端控制電路

輸出端控制電路負(fù)責(zé)臺(tái)站專業(yè)設(shè)備供電線路的通斷，其主要由三極管開(kāi)關(guān)電路、分壓電阻及磁保持繼電器等器件共同組成(圖5)。STM32F107通過(guò)電流/電壓檢測(cè)電路對(duì)供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采集，并與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生脈沖控制信號(hào)，脈沖控制信號(hào)經(jīng)三級(jí)管開(kāi)關(guān)電路對(duì)磁保持繼電器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出端狀態(tài)和通斷狀態(tài)的控制。

圖5 輸出端控制電路

設(shè)計(jì)中選擇磁保持繼電器作為輸出端開(kāi)關(guān)，對(duì)輸出端進(jìn)行接通和切斷。與其他繼電器相比，磁保持繼電器的常閉或常開(kāi)狀態(tài)依賴永久磁鋼，其開(kāi)關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換由一定寬度的脈沖電信號(hào)觸發(fā)完成(Kawata et al，1969)，通常觸點(diǎn)處于保持狀態(tài)時(shí)，線圈不需要繼續(xù)通電，僅靠磁力就能維持繼電器的狀態(tài)不變，具有安全可靠、壽命長(zhǎng)、功耗低、負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，其廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防及航天自動(dòng)控制系統(tǒng)、智能電表等領(lǐng)域(公茂法等，2011； 鄭磊等，2015)。

磁保持繼電器選用HF163F，其為超小型中功率磁保持繼電器，具有雙線圈磁保持功能。電路中二極管的作用主要是對(duì)磁保持繼電器進(jìn)行保護(hù)，防止電源斷電后級(jí)電路反向供電對(duì)繼電器造成損壞； 三級(jí)管Q1和Q11相互配合，實(shí)現(xiàn)磁保持繼電器開(kāi)關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，當(dāng)Out-1-B口輸入高電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，繼電器開(kāi)關(guān)閉合，輸出端對(duì)外供電，當(dāng)Out-1-A口輸入高電平時(shí)，三極管Q11導(dǎo)通，繼電器開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)為關(guān)閉，輸出端停止對(duì)外供電，電路連接如圖5所示。

基極電阻R88在電路中用于限流，設(shè)計(jì)中需根據(jù)Out-1-A/Out-1-B口的高電平狀態(tài)，選擇合適的基極電阻R88，使三極管處于飽和狀態(tài)，限流電阻阻值計(jì)算方法如下

(4)

式中，U為Out-1-A/Out-1-B口輸入電壓；β為三極管放大倍數(shù)；IC為電路中三極管最大集電極電流；Ube為基極與發(fā)射極之間的壓差，一般為0.4～0.7V左右。

2.5 短路保護(hù)電路

臺(tái)站觀測(cè)設(shè)備在野外使用過(guò)程中，因工作環(huán)境苛刻，常出現(xiàn)短路故障，在無(wú)保護(hù)措施情況下，極易引起臺(tái)站電源設(shè)備損壞，造成臺(tái)站維護(hù)成本增加。因此，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)充分考慮專業(yè)觀測(cè)設(shè)備發(fā)生短路故障時(shí)，臺(tái)站供電系統(tǒng)的保護(hù)措施。本系統(tǒng)短路保護(hù)電路主要由INA219、磁保持繼電器等器件構(gòu)成(圖6)。

圖6 短路保護(hù)電路

INA219的1腳和2腳接至采樣電阻R89兩端并與磁保持繼電器HF163F的1腳相連，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到輸出電路電流達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，便執(zhí)行中斷子程序，子程序首先從STM32F107的38腳送出一高電平經(jīng)R81到三級(jí)管基極Q11，用于三極管Q11的選通，繼電器開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)為斷開(kāi)，輸出端停止對(duì)外供電，同時(shí)子程序?qū)TM32F107的38腳狀態(tài)進(jìn)行鎖定，此時(shí)需技術(shù)人員對(duì)臺(tái)站系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，排除故障后通過(guò)智能電源控制器的功能按鈕解除鎖定狀態(tài)，重新恢復(fù)系統(tǒng)輸出端正常對(duì)外供電功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了滿足地震觀測(cè)臺(tái)站對(duì)供電系統(tǒng)的功能需求，系統(tǒng)軟件包含鍵盤輸入、顯示輸出、環(huán)境監(jiān)測(cè)、電流/電壓監(jiān)測(cè)、輸出控制、短路保護(hù)、串口通信等功能模塊。系統(tǒng)初始化后，從FLASH中讀取保存的參數(shù)，隨后進(jìn)入主循環(huán)，循環(huán)調(diào)用“鍵盤”、“控制”、“數(shù)傳”和“顯示”等模塊處理函數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)業(yè)務(wù)功能，實(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并做出控制判斷。系統(tǒng)功能如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件功能

系統(tǒng)對(duì)輸出端的控制，是通過(guò)獲取INA219芯片采集并存放在寄存器中的電流和電壓信息進(jìn)行邏輯判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的。INA219由采樣電阻對(duì)模擬信號(hào)采集后，通過(guò)內(nèi)部ADC進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)在寄存器內(nèi)，寄存器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為一個(gè)無(wú)符號(hào)的二進(jìn)制16位數(shù)，需參照數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，以得到真實(shí)的電壓、電流等數(shù)據(jù)。電壓寄存器的低3位為無(wú)效位，需截?cái)嗟?位，電壓寄存器的分辨率為4mV，截?cái)嗟?位之后的數(shù)值乘以4mV得到電壓值。即Result[i]=4×(Decode(RecvBuf)?3)，得出樣本之后求平均便可得到真實(shí)電壓值。電流寄存器是全字段有效的，分辨率為500μA，電流寄存器的數(shù)據(jù)乘以500μA得到電流值，即Result[i]=500×(Decode(RecvBuf)。程序根據(jù)I2C的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和INA219的讀寫時(shí)序關(guān)系，對(duì)INA219進(jìn)行讀寫操作，如圖8所示。

圖8 INA219寄存器的讀寫操作

系統(tǒng)上電后，用戶可通過(guò)菜單界面，設(shè)置控制電壓值、輸出端保護(hù)電流值等功能參數(shù)，程序通過(guò)調(diào)用控制函數(shù)，實(shí)時(shí)對(duì)蓄電池和兩路輸出狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，與設(shè)置狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行比較，并根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)，對(duì)輸出端發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，執(zhí)行相應(yīng)的控制動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)輸出端控制及短路保護(hù)功能。程序流程如圖9所示。

圖9 程序流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

樣機(jī)完成后，針對(duì)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)系統(tǒng)功能測(cè)試，得出電源智能控制器整機(jī)功耗小于0.6W、工作電壓范圍DC7～20V，智能控制邏輯合理并具有足夠的切換靈敏度，同時(shí)具備溫度、濕度、蓄電池電壓、輸出端電流等屏顯功能。

為了獲得系統(tǒng)的智能邏輯控制效果，對(duì)樣機(jī)的控制邏輯進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試中樣機(jī)接入地震觀測(cè)臺(tái)站供電系統(tǒng)，樣機(jī)輸出端接入烈度計(jì)和無(wú)線通信設(shè)備，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行數(shù)天測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖10 所示。

圖10 功能測(cè)試

從圖10 的測(cè)試結(jié)果中可以得出，當(dāng)蓄電池電壓降至11.5V時(shí)，智能控制器的通信單元輸出端停止對(duì)外供電，當(dāng)蓄電池電壓降至10.9V時(shí)，智能控制器的數(shù)采輸出端停止對(duì)外供電，第4至6天，蓄電池電壓持續(xù)上升，當(dāng)電壓達(dá)到12.5V后，智能控制器兩路輸出端同時(shí)對(duì)外供電，地震觀測(cè)臺(tái)站設(shè)備恢復(fù)正常工作，測(cè)試結(jié)果基本反映控制器在地震觀測(cè)臺(tái)站上對(duì)兩輸出端狀態(tài)的控制效果，系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。目前，臺(tái)站通用智能電源控制器已在安縣測(cè)震臺(tái)、劍門關(guān)測(cè)震臺(tái)進(jìn)行了先期試用，得到較好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

本文以STM32F107微處理器為核心設(shè)計(jì)了一種智能電源控制器。該系統(tǒng)功耗小、性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單，并具有溫濕度、蓄電池電壓、容量等屏顯功能。該控制器外部接入臺(tái)站供電系統(tǒng)后，便可對(duì)臺(tái)站供電系統(tǒng)的功能進(jìn)行優(yōu)化和擴(kuò)展，防止當(dāng)前臺(tái)站供電系統(tǒng)功能不足及邏輯功能缺失所引起的臺(tái)站設(shè)備損壞等常見(jiàn)問(wèn)題，可有效提高臺(tái)站設(shè)備的壽命及保障觀測(cè)臺(tái)站記錄數(shù)據(jù)的完整性，能較好地滿足當(dāng)前地震觀測(cè)臺(tái)站對(duì)電源的功能需求。