基于北斗卫星和STM32F407的雷电监测系统设计*

华国环，舒 梁，张文锋，徐瀚文，吴礼福

(南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心/电子与信息工程学院，江苏 南京 210044)

雷电现象是在强对流天气情况下发生的瞬间放电过程，是自然界中不可抗拒的天气灾害，其产生的危害也是巨大的，尽管雷电灾害无法杜绝，但利用合理的雷电监测与防护系统能够有效达到防雷减灾的目的。

因此，对雷电的监测和预警显得至关重要。在雷电监测方面，雷电波具有陡度高、冲击速度快的特点，过低的采样速率会使采集到的信号失真，同时目前市场上产品单纯探测电磁脉冲信号，难以综合研究雷电过程；在采样信号传输方面，雷电现象伴随的较大电磁干扰会阻碍信号的传输处理[1-2]；在雷电定位方面，目前成熟的产品方案主要是基于甚低频电磁信号的二维定位技术，精度不高；虽然也出现了基于甚高频电磁信号的三维定位设备[3]，但其设备复杂、造价昂贵，市场普及难度大，同时其本身的技术方案，也存在一定的局限性。

本文研究设计的基于北斗卫星的高精度雷电监测系统，是以STM32F407为主控芯片，基于4G通信和北斗定位芯片的雷电信号监测系统。该系统具有精度高、实用性强、成本低、应用范围广的特点。

1 工作原理及软硬件设计

1.1 工作原理

现阶段，使用罗氏线圈和正交磁环天线进行雷电流感应采集的方案已经得到广泛应用，二者都能实现电流信号到电压信号的转化，以便于系统采样[4]，此处以罗氏线圈作为雷电流信号采集传感器为例，介绍工作原理，图1是罗氏线圈结构示意图。

图1 罗氏线圈结构示意图

罗氏线圈测量法基于法拉第电磁感应定律和安培环路定理，穿过线圈中心的动态电流会引起对应的磁场变化[5]，形成与之对应的电场:

式中:M为互感系数，I(t)为电流大小。

互感系数随线匝的数量和线圈大小的变化而变化[6]，由以上公式可知，线圈感应电压的大小与电流的变化程度成正比。

本文采用时差法(Time of Arrival，TOA)对云地闪进行定位，如直接使用磁信号定位法，让各子站接收雷电辐射出的磁信号，存在各种测量误差，而采用时差法定位精度更高，如图2所示，在一个由三个测试子站构成的网络中[7]，通过下列方程组可得出P0(x0，y0，z0)处落雷发生的位置(x0，y0，z0)。

图2 三子站时差法定位示意图

式中:c是电磁波传播速度。

1.2 硬件设计

基于北斗卫星的雷电监测系统的硬件组成主要包括主控芯片模块、电源模块、雷电流感应模块、信号处理模块、BD授时定位模块、4G无线传输模块[8]。整体结构框图如图3所示。

图3 硬件整体结构框图

1.2.1 主控芯片模块

主控芯片模块主要由微处理器、时钟电路、存储和复位电路等组成。主控芯片采用STM32F407，该微控制器基于ARM Cortex-M4内核，工作频率高达168 MHz，芯片内部包含高速存储器，SRAM高达192 kbyte，I/O口丰富[9]。该处理器含有3个12位的ADC采集器、2个32位定时器方便电压数据的准确采集和ns级时间戳的获取，一个SDIO接口和一个FSMC接口完全能够满足SD卡数据的备份和大量数据采集时外扩SRAM的需要，而且成本较低，性能优势明显。

1.2.2 雷电流感应处理模块

雷电感应采集模块包括雷电流传感器、信号预处理电路和触发比较电路三部分。实际上，采集接闪杆的雷电数据时选用罗氏线圈，而在野外布站进行雷电测量定位时选用正交磁环天线较为合适，本系统根据实际适用场景选用了正交磁环天线进行雷电信号采集，雷电信号通过磁环天线的线圈和磁芯产生感应电压，其雷电流感应原理类似罗氏线圈。

在实际的雷闪情况下，雷电流传感器会输出±10 V范围内的电压数据[10-11]，而MCU进行模数转换要求输入0～3.3 V的电压，需要信号预处理电路将±10 V范围内的电压信号线性变换到0～3.3 V的范围[12]，并有效滤除50 Hz工频干扰，上限频率大于3 MHz，保证雷电信号无损采样。原理图如图4所示。

图4 信号预处理电路原理图

图4中R1、R2、C1和R3构成信号衰减和高通滤波电路，将输入信号调整为±1.6 V的信号，同时过滤50 Hz工频干扰；运放U1和R4、R5构成电压跟随器；运放U2和R6、R7、R8、R9构成同相加法电路，将±1.6 V的信号转换为0～3.2 V的信号；R10和C2构成低通滤波电路，过滤高频干扰信号；运放U1和U2是±5 V电源供电的，其中-5 V电压由负压芯片提供；偏移电压Vbias由可调LDO产生；此信号预处理电路的输出Vout计算公式如下:

经过上述电路处理之后，雷电信号已经调整为模数转换所能处理的数据了，但是对于主控芯片来说需要满足触发阈值才能够开启电压信号的采集[13]，所以此处还需要设计一个触发比较电路来实现触发阈值可调，方便系统的监测采集，如图5所示。

图5 触发比较电路原理图

图5中将信号预处理电路的输出Vout和可调LDO产生的触发阈值电压进行比较，产生窄脉冲信号Vcomp触发MCU进行纳秒级时间戳的计算。

1.2.3 北斗授时定位模块

定位模块主要用于获取子站的经纬度信息，同时同步系统各子站的时间。本系统的定位模块采用中科微的ATGM332D定位模块，该模块能够以99通道同时接收北斗和GPS卫星信号[14]，功耗低的同时又保持高灵敏度，并且能够适应多种弱信号场景并迅速准确定位，满足探测子站野外布站的工作需求。其产生的1 pps脉冲信号能够同步各探测子站的秒基准，结合主控芯片内置的32位的定时器可以获取精确的纳秒级时间戳，为时差法雷电定位提供了精确数据。

1.2.4 4G无线传输模块

4G无线传输模块使用移远通信的EC200T-CN，该模块带分集接收功能，支持LTE-FDD、LTE-TDD、

DC-HSDPA、HSPA＋、HSDPA、HSUPA、WCDMA、TDSCDMA、EVDO、CDMA、EDGE和GPRS多种制式的网络传输。既满足了日常情况下的高速率传输，又确保了在网络覆盖不完善的偏远地区能正常工作。

EC200T-CN模块能够用AT指令连接HTTP、MQTT、FTP服务器等，本系统利用AT指令连接指定的FTP服务器，发送各个子站采集的数据。

1.2.5 硬件实物图

硬件实物图如图6所示。

图6 雷电监测系统硬件实物图

1.3 软件设计

本部分采用MDK Keil5作为开发平台，使用C语言作为编程语言，基于模块化思想进行软件设计，通过将不同的硬件模块所对应的驱动程序放置在不同的C文件中，最终构成一个完整的工程，模块化设计的程序逻辑清晰、可读性高、后期调试方便[15]。程序流程图如图7所示。

图7 程序流程图

初始化完成后，连接FTP服务并开启看门狗，接下来进行触发阈值判断，当达到触发条件时采集并处理数据，接着判断网络状态，当网络状态良好时，SD卡存储同时FLASH备份，然后通过4G通信发送到服务器；网络状态较差时，直接进行SD卡存储备份，存储完成后再尝试连接FTP服务器，连接成功后发送备份数据，连接失败就直接使用SD卡存储，防止数据的丢失。

2 测量与分析

监测系统设计完成后先后进行了性能测试、功耗测试、稳定性测试、高温可靠性测试等[16]，根据测试结果显示该系统预期的功能都能实现，能较好地完成实际监测的需要，测试结果如下:

2.1 纳秒级时间戳精度测试

本系统通过多个监测子站仪器获取的时间戳，采用时差法来计算，得到准确的雷电定位，为了验证系统的定位准确性，对同一位置的三个子站采用脉冲波形和正弦波两种触发方式进行了多次试验，通过比较每次纳秒级时间戳的变化来测试定位的最大误差值[17]，测试结果如表1所示，每组子站时间差从上至下依次为子站1与子站2时间差、子站2与子站3时间差、子站1与子站3时间差。

表1 纳秒级时间戳获取测试结果

实验结果表明，三个监测子站能够准确获取到纳秒级时间戳，并且监测子站间的时间戳误差较小，全部小于50 ns，满足雷电捕获的授时时间戳精度要求。考虑到电路板上预处理电路、触发比较电路所用电子元器件的一致性略有偏差，此误差可控制在20 ns以内，同时北斗GPS模块的授时精度也存在30 ns的误差，不过整体误差可控，小于100 ns，因此宏观上雷电定位的误差在可接受范围内，符合定位需求。

2.2 雷电波形还原测试

通过与NI PCI6070E数据采集卡采集到的数据结果进行对比，测试本系统能否对采集到的雷电波形进行高精度还原。如图8所示，连续曲线为NI采集卡获得的波形，点状曲线为本系统采集到的波形，结果显示本监测系统采样波形的包络形状、电压值均接近NI采集卡的采样波形，采集效果完全能够达到预期效果，绘制的波形能够准确地还原出当时的雷电信号，采集精度较高。

图8 波形对比图

2.3 功耗测试

使用直流电源给本系统硬件供电并记录其电流和功率，以此来测试电流的功耗参数[18]。经测试，本系统在5 V供电时，待机状态下工作电流为0.2 A，待机功耗为1.0 W左右，如图9左边照片所示；采集和发送数据时的平均电流为0.4 A左右，平均功耗为2.0 W左右，如图9右边照片所示。本系统功耗较低，为长时间运行、便捷式操作提供了有力保障。

图9 功耗测试

3 总结

本文介绍了一种基于北斗卫星和STM32F407的雷电监测系统设计。系统主要包括主控电路模块、电源模块、雷电感应采集模块、系统授时定位模块和无线传输模块。本系统获取的雷电发生时刻的整体误差小于100 ns，具有雷电定位精度高、还原雷电波形准确、集成度高、低成本、低功耗等特点。本系统主要应用于气象部门、电力、通讯设施和易燃易爆场所的雷电监测与防护，还可用于高铁接触网雷击故障点的定位和事故分析，应用范围较广。