基于ARM控制器的智能雷电监测系统设计*

杨仲江 ，姜 苏 ，李鹏飞 ，曹洪亮 ，楼嘉懿

(1.南京信息工程大学 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学 大气物理学院，江苏 南京 210044)

本文基于ARM控制器设计一种智能雷电监测系统，可以有效地定点监测雷击杆塔、特殊高建筑物的次数，测量并实时显示、存储雷电的强度和波形，还可将实时的数据通过RS485总线传送给PC上位机，实现远程实时监控和记录。本系统设计关键点是对雷电流信号采集部分进行了电路保护，采用了光耦进行隔离；对数据通信电路使用了防雷措施；系统还将罗氏线圈的电流控制在3.3 A内，并且能使输出和输入呈线性关系。设计重点考虑实时性、耐用性、可靠性和较低的成本。特别适用于输变电杆塔雷电监测、故障定位及排查等业务，还适用于在特殊高建筑物上专设雷电接闪监测系统，为雷电科学的研究提供雷电流特征等基础数据。

1 系统整体设计

系统整体设计如图1所示。每当有雷电发生时，利用雷电信号采集模块输出脉冲提醒微控制器有雷电到来，并实时、快速采样雷电强度，将采样数据传输给微控制器。微控制器驱动时钟模块进行系统时间的计时。它接收到数据后计算出雷电次数、雷电强度，并通过TFT彩色屏幕显示，自动将雷电发生的时间、强度记录在SD卡储存模块中。每隔24 h，微控制器还将在SD卡中存储当天雷电发生次数。TFT彩色屏幕还具有触摸屏的功能，通过屏幕上的“查询”按钮，还可以查询近年来系统所记录的雷电强度、一天内的雷电次数以及发生的时间。

图1 系统整体设计框图

同时，微控制器还可以将处理好的数据通过RS485总线传送给PC上位机。在上位机中制作监控软件，可以实时监控雷电发生的次数、雷电强度并同时可以将数据存储在电脑硬盘中，还具有回溯查询的功能。

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片简介

考虑到具体目标功能的实现，主控芯片选用ST公司的STM32F103微控制器。它以Cortex—M3为内核，具有高性能、低功耗、实时性等特点，包括80个 I/O接口以及高达128 KB的闪存和20 KB的SRAM，并提供3种低功耗模式，供用户合理地优化功耗[9]。选用这款微控制器，不仅能减少外围模块，提高系统稳定性，还可使微控制器进入低功耗模式，有效地减少系统功耗，节约电能。

2.2 雷电信号采集模块

对雷电信号的采集可以考虑两种方式：分流器和罗氏线圈[10]。罗氏线圈有着显著的优点：测量线圈本身与被测电流回路没有直接的电的联系，而是通过电磁场耦合，与主回路有良好的电气绝缘；同时，它测量范围宽，可从几安培到数百千安培，频率可设计到0.1～100 MHz，甚至更高，且易于以数字量输出[11]。一般雷电冲击电流多在1～200 kA以内，主要频率分量在 700 Hz～1 610 Hz之间。通过合理的设计，使罗氏线圈能够测量3～150 kA、波形在 1/10μs～20/500μs范围内的雷电电流变化。输出的雷电电流在0～3.5 A之间。如果使用1Ω的精密电阻作为采样电阻，则采样电压在0～3.5 V之间，且可以使输出灵敏度大约为0.57 V/kA，可满足大部分雷电的测量要求。

雷电信号采集模块电路图如图2所示。前端通过合理设计的罗氏线圈采样得到雷电流，通过一个以防电流过大的保护电阻后，利用桥式整流电路和滤波电路，将电流变为直流，然后通过一个大小为1Ω的精密电阻作为采样电阻，得到雷电电压量。其中，滤波电路采用2个电容和1个铁芯电感组成的LC-Π型滤波电路。这种类型的电路适应性强，对整流管的冲击电流小，且输出电流更加平滑。通过整流、滤波电路后的电压值大约衰减为初始值的90%，可以通过微控制器的软件补偿进行修正。

图2 雷电信号采集模块电路图

由于该采集信号装置需要处于雷电环境中，为了保护电路，采用光耦进行隔离。为了传递模拟电压量，采用性能较高的线性光耦HCNR201。HCNR201是一款高线性度、宽频带、低温度增益的线性光耦，可以实现多种光电隔离转换电路[12]。采集到的电压信号分2路通过光耦传递到微控制器，一路当有雷电电压时将输出一个下降沿，触发微控制器的中断，使微控制器工作，其余时候，微控制器可以处于低功耗状态，降低系统功耗；一路将输出模拟电压值送给微控制器的内部ADC进行A/D转换并进行处理。

2.3 SD卡储存模块

本系统的微控制器STM32F103内部集成了SDIO通信接口，使用起来较为方便。因此，本系统采用SD模式作为底层驱动SD卡的方式。驱动SD卡时，首先进行SDIO的初始化，然后进行SD卡的上电识别和SD卡的初始化，之后可以随意通过读写函数进行SD卡的读写操作。

比如要换一个人，这个员工会认为：组织想换我，我要留一手，开始考虑个人利益。作为组织来说，因为这个业务还得做，企业还要活下去，没有更好的人，还得用他。这样，员工和组织之间开始博弈，相互提防，进入一种负循环。

2.4 微控制器和PC上位机通信模块

由于该系统需要安放在雷电的环境中，因此需要采取一种可靠的通信方式。RS485通信是基于RS422通信技术的一种补充，该技术采用平衡式发送、差分方式接收的数据收发器来驱动总线，可以实现2条电缆传输，多达128个分支节点。因此，该总线成为工业运用中数据传输的首选[13]。

通信电路中还进行了防雷手段。如图3所示为增加了防雷技术的RS485总线通信电路图，采用了一种专门针对RS485通信的快速开关(简称TUB)[13]。当大电压从A、B处进入时，TUB在 1μs内断开整个电路，TUB后端残余电压通过TVS引入大地，TUB前端残余电压通过气体放电管FDG引入大地，使得通信电路不受影响，从而保护了通信电路。

图3 具有防雷保护功能的RS485总线通信电路图

RS485经过防雷保护输出的信号可以通过RS485/RS232变换器在接入PC上位机之前变换成为RS232通信方式，通过串口接入PC上位机，完成微控制器与PC上位机的通信。

2.5 其他模块

(1)时钟模块：实时时钟采用低功耗芯片 DS1302，可自动对秒、分、时、日、周、月、念年及闰年补偿进行计数，扩展万年历功能显示[14]，采用三线接口与微控制器进行同步通信。

(2)显示、控制模块：采用TFT电阻触摸彩屏作为显示和控制模块。采用ILI9341[15]芯片驱动3.2英寸液晶屏显示。通过微控制器STM32F103的FSMC接口驱动ILI9341实现数据的显示。采用TSC2046作为电阻触摸屏的驱动芯片。TSC2046是典型的逐次逼近寄存型A/D变换器，支持低电压I/O接口[16]。微控制器通过 SPI总线驱动TSC2046芯片，当屏幕受到挤压时，通过TSC2046采集到触点X方向和Y方向的电压值，从而确定触点的坐标，实现触摸屏的控制。

3 系统软件设计

3.1 微控制器的软件设计

该系统软件设计主要包括微控制器的软件设计、SD卡文件系统移植的设计和PC上位机的设计。其中微控制器的软件设计又包括下降沿中断的初始化、ADC转换的初始化、时钟模块的初始化、SDIO和SD卡驱动的初始化、显示与控制模块的初始化以及串口的初始化。主要流程图如图4、图5所示。

在完成初始化以后，微控制器进入低功耗模式。当外部有雷电发生时，微控制器接收到一个下降压脉冲，微控制器被唤醒，进入下降沿中断。在中断中通过内部的12位ADC1完成雷电强度的A/D转换、数据的显示和处理功能。另外，如果触摸屏上按键被触摸，则进入按键中断处理程序，在按键中断中判断按下的按钮，完成数据的回溯查询。

图4 系统主流程图

图5 下降沿中断流程图

3.2 SD卡文件系统的移植

仅仅通过SDIO接口驱动SD只完成了SD卡中的物理地址读写数据的工作，这些数据只能被微控制器读取，而不能在电脑上被操作。因此，还需要移植文件系统来实现数据的储存和管理。

常用的文件系统有 FAT12、FAT16、FAT32、FATFS 等格式。FATFS是一个为嵌入式系统设计的通用FAT文件系统模块，具有以下一些特点：与 Windows的FAT文件系统兼容；不依赖平台，易于移植；代码和工作去占用空间小[17]。本系统移植FATFS_R0.09a文件系统，然后可以利用封装好的 API接口函数（例如：f_read、f_write、f_open、f_close等）实现SD卡的文件操作。

3.3 PC上位机的软件设计

在上位机与微控制器进行串口通信的过程中，首先需要对串口进行初始化，本系统中设置串口传输速率为9 600 b/s，8 bit数据位、1 bit停止位并且不设置校验位。初始化结束后，打开微控制器所在的串口，此时，微控制发送的数据开始存入PC内的串口缓存区。当缓存区数据大于1 B后，上位机系统自动触发串口读取事件，在事件中可以调用函数，对微控制器发送来的数据进行显示、存储等操作。

4 系统测试与分析

为了测试本系统的各种功能，利用一个校准过的圆管式分流器和本系统同时测量相同的冲击波。校准过的分流器用来对冲击波的大小和本系统最终测得的雷电强度大小进行比较，以反应本系统测量的准确度和灵敏度。测试结果如表1所示，共进行了5组测试。

从上表的实验结果可以看出，对于不同的冲击电流，线圈的变化系数比基本上稳定在1 635 A/V附近，在允许误差范围内形成一个良好的线性关系。通过测量结果，还可以算出，该系统的测量灵敏度大约为1/1 635 V/kA，约为0.612 V/kA。测量的最大误差约为：(1 641-1 635)/1 635≈0.37%，误差不大，在允许范围内。因此，该系统在一定范围内可以测量出雷电的强度，且测量值具有参考价值。

表1 雷电监测系统模拟测试结果对比

同时，经过测试，本系统显示、存储以及与上位机之间的通信等功能运行良好。

本文针对目前国内大型雷电监测场成本较高、数量不多以及一般的监测系统只能单一记录雷电次数而无法测量和记录强度的缺陷，设计了一种基于ARM的智能雷电监测系统。该系统设计对雷电流信号采集部分进行了电路保护，采用了光耦进行隔离；对数据通信电路采用了防雷措施；系统还将罗氏线圈的电流控制在3.3 A内，并且能使输出和输入呈线性关系。经过测试，该系统的测量灵敏度约为0.612 V/kA，测量的最大误差约为0.37%，测量误差较小。系统不仅可以统计雷电的次数，还可以在一定范围内监测出雷电的强度以及雷电流波形，并进行实时显示和存储。另外，可以通过稳定的通信将数据实时传给PC上位机，实现雷电情况的远程监控和记录以及雷电情况的分析和后续处理。该系统特别适用于输变电杆塔雷电监测、故障定位及排查等业务，还适用于在特高建筑物上专设的雷电接闪监测系统，为雷电科学的研究提供雷电流特征等基础数据。下一步将对该系统数据传输部分做进一步的改进，以实现无线传输，更好地应用在野外输变电线路雷电监测等应用领域中。

[1]徐彬彬，杨天琦，金晨路，等.基于多种资料的建筑物防雷类别对高度的敏感性分析[J].科学技术与工程，2013(9)：2594-2598.

[2]刘达新，来志云，吉平，等.能抵抗粗差的雷电定位算法研究与仿真[J].科学技术与工程，2013(28)：8399-8403.

[3]梁华，刘匀同，刘冰鑫，等.甘肃省闪电定位网误差及探测效率评估[J].气象水文海洋仪器，2010，12(4)：117-212.

[4]杨波，邱实，宁军，等.闪电定位误差及探测效率评估[J].解放军理工大学学报(自然科学版)，2006，7(5)：506-510.

[5]任顺航，吕鹏鹏，王立鹏，等.基于 STM32的电能手抄系统设计与实现[J].电子技术应用，2014，40(1)：75-78.

[6]刘炜，毛建鑫，梁磊，等.一种基于 ARM的集中器的硬件实现[J].电子技术应用，2014，40(1)：86-89.

[7]钟和清，张华，戴玲，等.采用 Rogowski线圈的 PFN脉冲大电流测量技术[J].高电压技术，2007，33(7)：84-87.

[8]SATO M，KURAMOTO S，MATSUOKA K，et al.Design of large-circle Rogowski coil for measuring lightning current in building columns and girders[J].Electronics and Communications in Japan(part I communications)，1994，77(10)：75-84.

[9]丁凡，周永明.基于Zigbee的多路温度数据无线采集系统设计[J].仪表技术与传感器，2013(8)：72-73.

[10]马仪，周文俊，孙伟忠，等.雷电流传感器罗氏线圈的研制及测试[J].南方电网技术，2011(6)：39-41.

[11]陈启明，喻莹.罗氏线圈雷电流传感器研究[J].湖北电力，2009(03)：16-18.

[12]黄毅，王小康.基于线性光耦的电流检测电路设计[J].水雷战与舰船防护，2013(1)：40-42.

[13]张金豪.TBU在RS485通讯防雷中的运用[J].煤矿安全，2013(2)：117-118.

[14]吴凌燕，陈世夏，戚甫峰.基于SPCE061A的低功耗电子温度计设计[J].仪表技术，2010(3)：28-29.

[15]汤莉莉，黄伟.基于STM32的FSMC接口驱动 TFT彩屏设计[J].现代电子技术，2013(20)：139-141.

[16]吴青萍，沈凯.基于ARM处理器的TSC2046触摸屏控制器的应用[J].现代电子技术，2011(23)：195-197.

[17]崔鹏伟，闫学文.基于SD卡的FATFS文件系统的研究与应用[J].工业控制计算机，2013(11)：141-142.