辽宁地震观测仪器远程电源控制器常见故障及解决方法

赵 雷，李琳琳

（1.辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034；2.沈阳开放大学，辽宁 沈阳 110003）

0 引言

随着地震科技水平不断提高，我国地震观测逐步走向数字化，其大动态、高精度的观测数据在地震科研和预报中得到了广泛应用。随着辽宁省更多地震仪器安装项目的完成，地震台站和无人地震台站的数量和地震仪器设备逐步增多，因此全面保证地震仪器数据连续率十分重要，对于逐渐增多的地震仪器，维修维护工作要求更高，地震仪器维修维护技术水平急需提高。如何保证数字设备正常运转，以提供连续、准确、可靠的观测数据，是地震工作者的一项重要工作[1]。无线远程控制技术是传统的有线控制技术和现代先进的无线远程通讯相结合而发展起来的一种控制技术。也正是因为融入了现代先进的无线远程通讯技术，无线远程控制系统具有了传统有线控制系统无可比拟的优点：通讯范围极为广泛、系统投资少经济性好、系统总体结构简单等[2]。地震观测仪器远程电源控制器从2014 年至今已在辽宁省地震系统推广使用，现已有十余家单位使用本监控设备[3]，使用过程中，在地震台站设备发生故障时，通过远程控制重启相关设备或启动备用设备进行工作，并可有效解决地震数据采集器、交换机、路由器、光猫等设备的死机问题，实现远程断电重启等功能，可在极大程度上节省地震子台仪器维护的相关人力成本和经费[4]，大多故障经过处理，10 分钟内信号就可以恢复正常。该设备既解决了地震台站远程维护问题，增强了现有地震监测系统的运行保障能力，同时又减少了测震信号断记时间。地震观测仪器远程电源控制器功能与更普通地震仪器供电电源相比，功能相对较多，电路更复杂，维修难度也相对较大，其核心部分单片机、电源模块、继电器等用于数字控制和数据处理的数字电路发生故障的几率较小，但在受外力作用和环境因素，如潮湿、雷击等还是有发生故障的可能。笔者作为仪器研制和开发人员，结合多年的实际工作经验，系统地总结分析了地震远程电源控制仪器常见的故障问题，并给出了相应的维修和解决方法，可供广大维修人员参考。

1 地震观测仪器远程电源控制器主要结构

地震观测仪器远程电源控制器主要有220V转12VDC 兵装开关电源、电路板和Q2403 通迅模块三大部分组成。兵装开关电源相对于普通开关电源，参数完全符合国家标准，虽然价格高，但是质量更好，寿命更长。兵装开关电源外壳采用铝合金材质，内部风扇稳定，转速高，这两点使得开关电源散热性好。电路板终端采用Atmel 公司生产的AT89S52 单片机作为监控处理核心。为存储一些数据和内容，在AT89S52 单片机外部，扩展安装了一片可以擦除非易失串行EEPROM 存储器AT24C02（2 Kbit），该器件具有两线串行接口、双向数据传输握手、硬件数据写保护、八字节页写方式和独立定时的写周期（10ms 最大）等特点，可在1.8～5.5V宽电源范围内可靠工作，该芯片在掉电后仍然能够保存所存储的数据，可保证100000 次擦/写周期和有效保存数据10 年[5]。为了使监控单元能够与Q2403 模块通讯，通信接口选用正负15kV 静电电击保护的MAX232E 芯片完成TTL和RS232 电平转换[6]。Q2403 负责短信的收发。监控单元则用来读取Q2403 收到的短信，并执行相应的监控操作。两者之间通过RS232 串口实现数据交换。具体的硬件结构如图1 所示。

图1 地震观测仪器远程电源控制器主要结构Fig.1 Main structure of remote power controller for seismic observation instrument

2 常见故障及解决方法和工具

通过对2015 到2021 年辽宁省多个地震台站内地震观测仪器远程电源控制器维修维护工作的总结分析，可得出仪器故障主要有三大方面，即开关电源或电源模块故障、通讯故障和继电器故障，下文主要针对这三大方面故障进行了详细的分析并提出解决方法。维修地震观测仪器远程电源控制器需要用到专业的电子维修工具，如测量电压电流和电路通断需要用电子万用表，更换电子元器件的工具需要恒温电烙铁和吸锡器或吸锡条。恒温电电烙铁使用温度一般设定在在200～300℃左右，过低的温度焊锡不容易化，过高的温度会使电路板焊盘脱落，严重损坏电路板；吸锡器最好使用恒温电子吸锡器或吸锡条，电子吸锡器使用温度也一般设定在200～300℃左右，防止焊盘脱焊；吸锡条需要配合恒温电烙铁使用，吸锡条垫在恒温电烙铁下面进行吸除焊锡，使得电路板不会短时间内局部过热，这两种工具都能更好的保护电路板，更容易清除电路板上的焊锡。

2.1 开关电源或电源模块故障及解决方法

地震观测仪器远程电源控制器供电手段主要有开关电源和电源模块，一种是220VAC 转12VDC 开关电源，另一种是12VDC 转5VDC电源模块。

（1）外部电源指示灯不亮问题：电源指示灯不亮，有两种故障可能，第一是电源开关机指示灯故障，如用万用表测量电源开关通断不正常，此时需要更换电源开关；第二是电源模块（图2）故障，地震远程电源控制仪器前端采用220VAC 转12VDC 开关电源，首先万用表检测外部220V 输入供是否正常，以及供电线是否插紧，接下来用万用表检测220VAC 转12VDC 开关电源输入端是否有220V 交流电的输入，如果有则需检测开关电源输出端有没有12V 直流输出；如无输出则可判断开关电源损坏，更换220VAC 转12VDC 开关电源即可。

图2 220VAC-12VDC 电源模块Fig.2 220VAC-12VDC switching power supply

（2）12VDC 转5VDC 电源模块发热严重问题：可能是因为潮湿等问题导致12VDC 转5VDC 电源模块与地短路，地震远程电源控制仪器采用LM1086 作为5V 电源模块，根据LM1086 的引脚图（图3a）。用万用表测量LM1086 引脚电压是否为正常工作电压，并把万用表调到通断档位，测量LM1086 的引脚焊盘与接地焊盘（图3b）之间是否短路，如果短路需要清理焊盘原有的焊锡，分割接地焊盘和引脚焊盘之间的电路使其断路，再更换新的电源模块。

图3 LM1086 引脚和焊盘Fig.3 LM1086 pin and pad

2.2 通信故障及解决方法

地震观测仪器远程电源控制器的通讯故障问题比较复杂，主要分为两种情况。

（1）通讯无法收到指令也无法回复指令：第一种可能是本身所用的通讯模块有问题，通讯模块的型号为WAVECOM 公司生产的Q2403模块，Q2403 模块内部主要由ARM9 处理器、电源电路、射频电路、存储器、音频电路、SIM 卡电路等部分组成，通过60 脚的通用接口，与外围电路连接。外围电路包括电源电路，监控电路，串行通信接口电路，SIM 卡座电路和天线等[7]，结构复杂，一般不单独维修，整个模块更换即可；第二种可能由于没有及时向联通公司欠费所导致业务停机，这种情况比较少见。

（2）通讯可以接收到指令信息却无法反馈回复信息：首先要排除电路板通讯区域是否是MAX232e 芯片故障引起的问题与串口线是否断路问题，用万用表继续测量串口连接线通断，如果有断路或焊点脱焊虚连，则需更换连接线或用电烙铁重新加固焊点；其次有可能是MAX232芯片损坏，电子系统绝大部分都采用单电源供电，而系统中特别是一些仪器仪表中的模拟和转换器件又常常需要双电源供电。MAX232 芯片（图4a）是最常用的单电源供电RS232 标准串行电平转换芯片，可将0～5V 的供电电压转化为正负10V 电压[8]。根据芯片引脚图（图4b）测量引脚电压是否为正常工作电压，如果不是正常电压，可判断模块损坏，此时需要更换MAX232e 模块；最后有可能是因为元器件受损所导致，主要涉及元器件有核心单片机AT89S52以及上方的10k 排阻（图5）和非易失储存器AT24C02（图6）。AT24Cxx 系列芯片优点较多，受到了广大电子工程师的喜爱，因此应用非常广泛。由于其具有I2C 结构，必须在时钟的严格控制之下进行数据的传输[9]。以上所述元器件有其中一个受损都会造成通讯可以接收到指令信息却无法反馈回复信息，检测时首先测量排阻每个点阻值为10k，不正常更换排阻；然后更换核心单片机AT89S52 还有非易失储存器AT24C02，由此判断出是否是AT89S52和AT24C02的问题，如果是，更换即可。

图4 MAX232 芯片和引脚Fig.4 MAX232 chip and pin

图5 AT89S52 芯片Fig.5 AT89S52

图6 AC24C02 芯片Fig.6 AC24C02

2.3 继电器失效故障及解决方法

地震远程电源控制仪器继电器失效问题，主要涉及两种元器件，一种是电子开关CD4066（图7a）损坏，另一种是继电器本身损坏。电子开关CD4066 是四双向模拟开关，广泛应用于电子技术的各个领域[10]，根据CD4066 的引脚图（图7b），用万用表测量CD4066 是否为正常工作状态，不是则更换；排除CD4066 开关问题后，接下来排除固态继电器（图8）的故障问题，继电器在控制电路与保护电路中起到信号转换作用。执行元件接通和断开控制电器的产品种类很多，常用的有电流继电器，中间继电器、固态继电器，时间继电器，热继电器[11]。固态继电器，是由微电子电路、分立电子器件、电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载[12]。用万用表测量得到仪器收到开关指令后是否有正常的电压改变，如果继电器不能正常工作则需更换继电器。

图7 CD4066 芯片和引脚图Fig.7 CD4066 chip and pin

图8 固态继电器Fig.8 Solid state relay

3 结论

本文基于远程电源控制器的主要结构，结合自身工作经验，从电源模块故障、通信故障、继电器故障三方面详细分析总结了地震观测仪器远程电源控制器常见的故障和维修解决方法。地震观测无人值守台站这种运行模式是目前地震观测的发展趋势，它不仅可以减少台站人员编制，节约人员经费，还可以提高地震观测资料质量，但也对远程电源控制器的稳定性和故障解决的及时性要求更高。作为仪器的开发人员和维修人员，应该积极推广仪器结构原理和维修知识，以便提高维修工作者的设备维护效率并降低维修成本，从而保证地震仪器数据采集的连续率。