智能雙電源轉換控制器應用于無人地震監測臺站的設計

汪偉明

（陜西省地震局榆林綜合地震臺，陜西 榆林719000）

0 引 言

隨著我國地震監測科技水平的不斷提高，無人地震監測臺站的觀測系統由原來的人工模擬觀測方式轉變成現在的數字化智能觀測方式。無人地震監測臺站的觀測系統主要包括供電系統，數據采集系統以及網絡通信系統。截止目前為止，數據采集系統和網絡通信系統變得更加智能化、多元化。地震監測臺站的網絡通信也基本形成了現在的國家、省和市縣三級的網絡模式，基本能滿足現階段的地震監測預報的觀測水平；但是其供電系統的方式比較落后，一直依賴于市電供電或者太陽能供電。然而地震監測臺站所產出的觀測數據資料主要服務于地震的科學研究，為了能夠保證地震觀測數據的連續率和完整率，提高地震的監測預報水平，早日實現地震監測預報現代化，設計出新型的供電系統應用于無人地震監測臺站的觀測系統至關重要?？紤]到地震監測供電系統的連續性，以及地震監測設施的安全性和可靠性的基礎下，本文擬對智能雙電源轉換控制器應用于無人地震監測臺站做初步的設計和探討。通過智能雙電源轉換控制器的開關智能切換市電電源和太陽能電源兩路供電電源，最大化地保證地震觀測數據的連續性和完整性。

1 智能雙電源轉換控制器的硬件設計

目前，無人地震監測臺站的供電方式主要采用單一的市電或者太陽能供電，本設計方案擬采用將市電和太陽能供電兩者結合起來，將智能雙電源轉換開關應用于無人地震監測臺站的供電系統，配備了兩路電源，一路電源是市電供電方式的常用電源，另一路是太陽能供電電源的備用電源。因其太陽能供電電源容易受到天氣的影響，所有將其作為備用電源能最大化的滿足地震觀測數據的連續率和完整率。智能雙電源轉換開關首先通過CPLD主板控制器對兩路不同的電源電壓參數進行釆集，采集到的電壓值與設定的電壓值進行比較，并且判斷是否低于或者高于電壓的設定值。當確定需要轉換時，控制器發出轉換信號的請示，然后通過電源信號的調理電路中的開關，實現雙電源的智能轉換。其智能雙電源轉換開關的硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 智能雙電源轉換控制器的硬件原理框圖

其主要模塊的功能介紹如下：

（1）電源信號調理電路。該模塊主要實現對市電供電和太陽能供電的電壓值的采集和處理。

智能雙電源轉換開關的工作方式：手動模式和自動模式。在手動模式下，CPLD控制器判斷是否故障以及顯示故障，并不執行任何操作，需地震監測運維操作人員現場手動完成市電和太陽能供電電源的切換。在自動模式下，CPLD控制器不僅可以判斷故障，同時在發生故障時還能實現市電和太陽能供電電源的自動切換。

（2）CPLD主板控制器模塊。該模塊是整個控制系統的核心模塊，根據監測當前電源電壓的工作狀態和設定的電壓值進行比較，若高于或者低于設定值，都執行雙電源的平穩轉換，進而實現智能雙電源轉換功能。

（3）電源電路模塊。該模塊主要提供整個控制系統的供電。直流電壓值設定為3．3 V，主要用于對CPLD主板和單片機的供電工作。

（4）單片機。該單片機的設計采用Atmega32型號，主要實現PC機與CPLD控制系統兩者的通信，其通信主要通過RS485接口。

（5）顯示模塊。主要顯示市電或者太陽能供電電源的當前電壓值，以及設定電壓值等信息。

2 智能雙電源轉換控制器的軟件設計

智能雙電源轉換控制器的軟件設計主要包括與PC機通信模塊、單片機軟件設計模塊、CPLD控制器軟件設計模塊三大模塊。本文只介紹單片機的軟件設計模塊和CPLD控制器的軟件設計模塊的主要思路，為以后無人地震監測臺站的供電系統智能化提供新思路。

2.1 單片機的軟件設計模塊

Atmega32型號的單片機在本系統內主要實現以下幾個功能：

（1）系統初始化功能：對CPLD控制系統的電壓參數進行初始化。

（2）電壓采用和設定功能：實時采樣市電的電壓值和太陽能供電的電壓值，并對電壓的初始值設定交流電壓220 V。

（3）連接CPLD控制器的通信功能：主要對單片機與CPLD的相互通信，實現兩路不同電源的智能轉換。

（4）數據處理和PC機的通信功能：CPLD控制器進行數據處理之后，與設定的電壓值比較，將電壓值顯示到PC機，實現兩者互相通信。

2.2 CPLD控制器的軟件設計模塊

CPLD控制器的主程序設計決定是否能實現智能雙電源之間的轉換，并且決定是否能成功將無人地震監測臺站的供電系統智能化。其主要包括控制系統初始化、讀取電壓的設置、監測電壓值作用于CPLD控制器并且將監測的電壓值輸出到顯示模塊。其設計的主程序流程圖如圖2所示。

圖2 CPLD控制器主程序設計

CPLD控制器的中斷程序主要是對實際監測到的電壓值，與預設的電壓值進行比較，將實時的運行狀態上傳到PC機，同時也要完成PC的控制程序，計算機通過與單片機、CPLD控制器三者之間的通信協議，遠程實現無人地震監測臺站供電方式的智能轉換，最大化地保證地震觀測數據的連續率和完整率。其設計的中斷程序流程圖如圖3所示。

圖3 CPLD控制器中斷程序設計

3 結 論

本文通過設計智能雙電源轉換控制器的硬件設計和軟件設計的整體原理框圖，對無人地震監測臺站的供電方式提出了新的方法和思路，將市電和太陽能供電兩種不同的供電方式結合起來，制作新型的智能雙電源轉換開關，最大化地保證了地震觀測數據的連續率和完整率，同時也能提高無人地震觀測數據的內在質量。