地震前兆儀器多路隔離直流電源系統

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

我國電網供電有時不夠穩定，常常發生瞬時電源中斷、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械信號的干擾，在計數過程中，打開或關閉用電器電源或電力機械會使計數猛增［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。當前大多前兆儀器使用開關電源作為內部直流供電電源，而開關電源屬于強干擾源，其本身產生的干擾直接危害著電子設備的正常工作。因此，抑制開關電源本身的電磁噪聲，同時提高對電磁干擾的抗擾性，在設計和開發過程中需要特別的關注。

地震行業的科技人員從上世紀七八十年代就已經認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、探索、研究。從研究方向上主要分為穩壓電源、隔離電源、遠程控制電源［3］-［4］和多功能智能電源［5］-［6］。上世紀末到本世紀初雙路電源系統和電源監控系統逐漸發展和完善，雖然在我們地震行業應用還處在探索階段，應用也較少［5］-［10］，而且在電力、有線電視、醫療部門、移動通訊等行業已經得到了廣泛應用。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定標器電源改進，其工作時完全由直流電瓶供電，杜絕各類交流電和開關電源噪聲對FD-125測氡儀測值的影響。設計一套完善的直流電源監控、分析和切換備用模塊的直流供電系統。同時可儲存相關直流電源的歷史數據，為后期科技人員對各路直流電源變化與監測數據的變化分析提供科學依據。

1 隔離直流電源系統電源結構設計

1.1 交流220V到直流12V交直流轉換部分

工作時設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，并在內部設計主備雙路直流開關電源互為備份。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定的充電下限電壓值時對其進行充電，當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定的放電上限電壓（高于為正常狀態）并自動切換到正常的后備電瓶進行供電（如都正常先從上次未用的后備電瓶開始供電）。當此供電后備電瓶電壓低于設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行充電，當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，如低于設定的充電下限電壓值則對其進行充電，當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電源輸出的直流12V物理隔離，以達到電源隔離的效果［10-11］。

1.3 直流12V電源到±12V及±5V轉換部分

電瓶輸出12V通過單片機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定標器內部供電板，單片機通過多通道模數轉換芯片可實時監視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并可通過單片機控制繼電器切換DC-DC電源模塊，以解決DC-DC電源模塊問題。同時可將電壓監控數據存儲在非易失數據存儲芯片中，儲存記錄便于以后分析使用。

2 隔離直流電源系統硬件設計

2.1 系統硬件功能結構

系統硬件由單片機、模數轉換、有線網絡模塊、無線通訊模塊、液晶顯示和鍵盤等部分構成，其結構如下圖所示。

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

2.2 系統實現各功能器件選擇及實現

本儀器的控制核心選用了PHILIPS公司生產的工業級增強型單片機P89C668，其內部包含64KB ISP Flash(程序存儲器)和8KB ROM（數據存儲器）。通信接口選用MAX202芯片完成TTL和RS232電平轉換，使監控單元能夠與Q24plus進行通信。數據存儲選用非易失CMOS串行E2ROM存儲器AT24C1024（1024Kbit）裝載本儀器的接收發送速率等參數，各種參數可通過鍵盤進行修改。為方便工作人員進行現場操作，我們設計了16鍵鍵盤和使用帶背光的128×64點陣液晶顯示屏用于進行人機交互。時鐘功能設計中選用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公司生產的多通道、低價格的模數轉換器TLC1543。其采用串行通信接口具有輸入通道多、性價比高、易于和單片機接口的特點。無線數據傳輸及遠程控制命令的傳輸選用的是性能優良的法國WAVECOM公司生產的Q24plus工業級是雙頻GSM/GPRS MODEM模塊。網絡通信模塊選用了具有MAC搜索配置、全透明數據傳輸技術且具有超強數據可靠性及長期工作穩定性的超然嵌入式TCP/IP協議轉換器EL100，有線傳輸與無線傳輸信道互為備份［12］。

圖2 儀器結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the instrument structure

2.3 隔離直流電源儀器結構示意圖及工作過程

系統工作過程如下：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到保護二極管1，然后通過濾波電容1和受單片機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，供電電瓶通過保護二極管2、濾波電容2。然后通過受單片機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定標器完成隔離交流電瓶供電變壓濾波等功能。

3 系統軟件設計

控制終端上電后，首先讀取本系統工作參數及地址號（臺站號），然后對3G無線通訊模塊進行初始化，如設置短信模式為text模式；設置中心服務器IP地址；設置傳輸速率等。然后單片機巡回檢測無線模塊是否收到新短信，當有新短信傳來時，執行串口終端服務程序：讀取指令短信，并判斷地址號是否與本機相同，密碼是否正確。如相符則執行相應的操作指令，執行完畢后返回本終端各開關電源、DC-DC電源模塊工作狀態信息。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 結語

通過應用本地震前兆儀器多路隔離直流電源及實時監控系統對遼寧省盤錦地震臺BHC-336定標器進行供電改進，其工作時完全由直流電瓶供電，杜絕各類交流電和開關電源噪聲對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，可以發現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。由此認為隔離直流電源達到設計效果，一定程度上解決了由于交流電和開關電源噪聲對FD-125測氡儀測值的影響。