地震观测台站通用电源控制器的研究

李兴泉,吴 朋，何 谦

(四川省地震局，四川 成都 610041)

近年来随着国家和地方对地震观测研究的重视，各种手段的区域地震台网、科考台阵、流动台站及地震预警台站在全国范围内投入建设，地震观测台站的数量成倍增加。台站观测数据作为宝贵的资源，为科学考察、监测预报研究及地震预警信息服务等提供了重要的数据支撑。如何更好地保证设备的连续正常运行，提高观测数据完整性成为监测系统维护技术保障工作的首要任务。数字地震台站通常由专业地震计、数据采集器、数据传输设备以及多功能电源设备组成，引起观测数据丢失的原因多种多样，包括采集器故障、传输故障、地震计故障和电源故障等，其中电源故障(包含因电源原因引起的其它设备故障)在各种台站系统故障中出现的频率最高。据统计，无论从故障发生率还是资料使用率来看，电源系统故障占台网故障总数的35%以上(舒优良，2000)。因此，设计一种优先保障数采正常工作，合理控制蓄电池电量输出的通用电源控制器，成为亟需解决的问题。

1 总体框架设计

地震观测台站的供电系统应该具备较长的的续航能力和低故障率，以保障监测设备稳定工作，降低断记率，产出高质量的监测数据(刘永刚，2009)。目前地震观测台站供电主要包含交流供电、太阳能+蓄电池供电和交流+太阳能+蓄电池混合供电等多种形式的供电手段。目前针对台站使用电源的研究很少，市面上太阳能电源也大多不能满足地震观测台站的实际需求，或采用纯硬件电路及低端的微处理器，导致其性能和可靠性有一定的局限性，造成观测设备故障、记录数据的断记和丢失。同时，偏远地区电网的不稳定性和频繁停电现象，造成交流电+蓄电池模式台站供电系统中的蓄电池出现过放损坏及后端设备反复重启损坏的情况也时有发生。通用电源控制器通过检测台站原有供电电源输出端和蓄电池工作状态等的重要参数信息，对台站供电系统进行实时监测和判断，进而对台站供电系统进行优化控制和管理，使台站供电系统具有自诊能力，可有效减少因蓄电池过放而无法重新充电，及引起后端采集设备不能工作或反复重启造成观测数据丢失和设备损坏现象，提高系统的可靠性、寿命和供电质量，降低维护成本。台站通用电源控制器连接示意图如图1所示。

图1 台站电源控制器连接示意图

图2 系统框图

电源控制器主要由控制单元和执行电路构成，控制单元主要负责电压、电流及功率的检测、运算处理和控制输出，其可采用STM32或STC89C51单片机来实现；执行电路主要负责快速准确的响应控制单元发生的各种控制脉冲，从而构成一个稳定、可靠的控制系统。同时，为更好的适应野外工作需求，系统开发时还应考虑时钟电路、复位电路、显示及温湿度监测电路等辅助电路，系统框图如图2所示。

2 系统基本功能

为了实现地震观测台站对电源的功能需求，系统应具备显示功能、参数设置、短路保护、判断控制及电压或电流值检测电路等。显示功能：可以显示供电系统输出端电压或电流值、蓄电池的电压值或电量及台站温湿度等，采用LCD液晶中文显示、操作方便；参数设置：控制器的所有参数可在外部通过按键进行设置，设置时可采用密码进入的方式，避免误操作引起系统误触发；短路保护功能：输出端短路保护，台站观测设备在野外使用过程中，因工作环境苛刻，常出现短路故障，在无保护措施情况下，极易引起台站电源设备损坏；判断和控制：控制器通过对台站供电系统输出端和蓄电池工作状态的检测，根据系统当前状态，调整输出端通断，使供电系统具备自诊和自我修复的能力；电压或电流值检测功能：电压或电流值检测主要是为系统逻辑判断及短路保护提供判断依据，通过采样电阻对电路中的电压或电流值进行采样，并由单片机的AD采样端进行模数转换。

图3 电流检测的电路示意图

电流检测是电源控制器对地震观测台站供电系统实现控制的关键环节，系统通过采样电阻对电路中的电流进行采样，采样电阻通常选用普通厚膜电阻及合金电阻，在相同封装条件下，合金电阻相比普通厚膜电阻具有更长的寿命和更高的可靠性。电流检测电路可考虑使用AD8205仪表运放芯片作为核心器件，通过检测采样电阻两端的电压，可实现测量线路中电流的测量。AD8205是美国模拟器件公司推出的一种单电源高性能差分放大器，典型单电源供电电压为5V，其共模电压输入范围为-2～65 V，可以耐受-5～70 V的输入共模电压，适用于高共模电压情况下检测小差分电压的工业设备中(吕常智，2006)。它的增益固定为50 V/V，其测量环路误差小，精度高，在马达控制、传动控制、磁悬浮控制、车辆动力控制、燃料喷射控制、引擎管理和DC-DC变换等控制系统中得到广泛使用。设计中将AD8205芯片的OUT引脚通过电阻R1连接到单片机的ADC采集引脚，通过采样电阻R2采集到的电压经过单片机处理后即可计算出流过采样电阻的电流，从而实现电路中电流的检测功能。

3 程序控制流程

电源控制器通过软件对键盘输入，并进行显示输出、环境监测、电流或电压值监测、输出控制、短路保护等的控制和调用，程序初始化后，便进入主循环，循环调用“键盘”、“控制”、“数传”和“显示”等模块处理函数，执行相应业务功能，实时对系统的工作状态进行监测，并做出控制判断。系统软件功能如图4所示。

图4 系统软件功能图

系统读取到用户设置的控制电压值、输出端保护电流值等参数后，判断台站供电系统当前输出端和蓄电池的工作状态，进而实现系统对输出端的控制及短路保护功能。根据野外台站设备工作实际情况，智能控制器输出端将设计两个阈值电压(低阈值VL和高阈值VH)和一个保护电流Iout，设备上电后，系统会自动跟踪检测蓄电池电压Vin和输出端电流的变化情况。当Vin≤VL时，输出端A和输出端B同时停止对外供电；当VL

图5 程序流程图

4 结论

本文提出了以微处理器为核心通用电源控制器的设计思路，控制器的使用可对台站原有供电系统的功能进行优化和扩展，实时监测台站供电系统的工作状态，从而使台站供电系统具有自诊能力，避免供电系统工作异常引起数据采集设备和通信设备的损坏，为相应供电模式地震观测台站提供技术支撑。有效提高台站设备的寿命及保障观测台站记录数据的完整性。