地震前兆仪器多路隔离直流电源系统

朱叶琳，刘建光，赵 雷，刘 双，韩 艳

（1.辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034；2.盘锦地震台，辽宁 盘锦 124000）

0 引言

我国电网供电有时不够稳定，常常发生瞬时电源中断、过压和欠压、浪涌和下跌、瞬时脉冲漂移以及瞬时频率漂移，而FD-125测氡仪比较灵敏，易受电路的电压波动干扰，易受外界电动信号和机械信号的干扰，在计数过程中，打开或关闭用电器电源或电力机械会使计数猛增［1］。同时，供电电路中电压大幅度波动对氡测值有影响，幅度可高达10%以上［2］。因此在水氡观测中，需要考虑该种仪器抗电源干扰的问题。当前大多前兆仪器使用开关电源作为内部直流供电电源，而开关电源属于强干扰源，其本身产生的干扰直接危害着电子设备的正常工作。因此，抑制开关电源本身的电磁噪声，同时提高对电磁干扰的抗扰性，在设计和开发过程中需要特别的关注。

地震行业的科技人员从上世纪七八十年代就已经认识到电源对各类地震观测仪器的重要性，开始了对各类电源的改进、探索、研究。从研究方向上主要分为稳压电源、隔离电源、远程控制电源［3］-［4］和多功能智能电源［5］-［6］。上世纪末到本世纪初双路电源系统和电源监控系统逐渐发展和完善，虽然在我们地震行业应用还处在探索阶段，应用也较少［5］-［10］，而且在电力、有线电视、医疗部门、移动通讯等行业已经得到了广泛应用。但针对如何有效解决电源干扰对水氡观测的影响目前还没有明确有效的方案。因此我们提出对地震台BHC-336定标器电源改进，其工作时完全由直流电瓶供电，杜绝各类交流电和开关电源噪声对FD-125测氡仪测值的影响。设计一套完善的直流电源监控、分析和切换备用模块的直流供电系统。同时可储存相关直流电源的历史数据，为后期科技人员对各路直流电源变化与监测数据的变化分析提供科学依据。

1 隔离直流电源系统电源结构设计

1.1 交流220V到直流12V交直流转换部分

工作时设备可接入两路交流电源，一路为主交流电源输入接口，另一路为备用交流电源输入接口，并在内部设计主备双路直流开关电源互为备份。同时直流输出的工作电路中加入一个50伏2000微法电容和一个0.1微法容量，这样在直流电源切换时对后端直流输出不会造成任何影响［7］。

1.2 直流12V到双电瓶充放电部分

直流12V电源正常时，如果某后备电瓶电压低于设定的充电下限电压值时对其进行充电，当后备电瓶电压高于充电上限电压值时停止充电。供电时判断两电瓶电压是否高于设定的放电上限电压（高于为正常状态）并自动切换到正常的后备电瓶进行供电（如都正常先从上次未用的后备电瓶开始供电）。当此供电后备电瓶电压低于设定的放电下限电压值时（放空），控制切换到另一后备电瓶供电。供电的后备电源放空后再对其进行充电，当后备电源电压高于充电上限电压值时停止充电。同时检测另一后备电源的电压值，如低于设定的充电下限电压值则对其进行充电，当电压高于充电上限电压值时停止充电。供电时电瓶完全与开关电源输出的直流12V物理隔离，以达到电源隔离的效果［10-11］。

1.3 直流12V电源到±12V及±5V转换部分

电瓶输出12V通过单片机控制的继电器后接入12V变±12V电源模块和12V变±5V电源模块。模块输出±12V、±5V到BHC-336定标器内部供电板，单片机通过多通道模数转换芯片可实时监视12V直流输入电源电压和后面的模块输出的+12V、-12V、+5V和-5V各路电压值，可判定输出电压平均电压值和峰峰值等参数并可通过单片机控制继电器切换DC-DC电源模块，以解决DC-DC电源模块问题。同时可将电压监控数据存储在非易失数据存储芯片中，储存记录便于以后分析使用。

2 隔离直流电源系统硬件设计

2.1 系统硬件功能结构

系统硬件由单片机、模数转换、有线网络模块、无线通讯模块、液晶显示和键盘等部分构成，其结构如下图所示。

图1 仪器硬件框图Fig.1 Instrument hardware frame

2.2 系统实现各功能器件选择及实现

本仪器的控制核心选用了PHILIPS公司生产的工业级增强型单片机P89C668，其内部包含64KB ISP Flash(程序存储器)和8KB ROM（数据存储器）。通信接口选用MAX202芯片完成TTL和RS232电平转换，使监控单元能够与Q24plus进行通信。数据存储选用非易失CMOS串行E2ROM存储器AT24C1024（1024Kbit）装载本仪器的接收发送速率等参数，各种参数可通过键盘进行修改。为方便工作人员进行现场操作，我们设计了16键键盘和使用带背光的128×64点阵液晶显示屏用于进行人机交互。时钟功能设计中选用X1226时钟芯片，其具有时钟和日历的功能。电压信息采集选用美国TI公司生产的多通道、低价格的模数转换器TLC1543。其采用串行通信接口具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点。无线数据传输及远程控制命令的传输选用的是性能优良的法国WAVECOM公司生产的Q24plus工业级是双频GSM/GPRS MODEM模块。网络通信模块选用了具有MAC搜索配置、全透明数据传输技术且具有超强数据可靠性及长期工作稳定性的超然嵌入式TCP/IP协议转换器EL100，有线传输与无线传输信道互为备份［12］。

图2 仪器结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the instrument structure

2.3 隔离直流电源仪器结构示意图及工作过程

系统工作过程如下：交流220V电源和备用交流220V电源通过继电器组1给直流12V开关电源1或直流12V后备电源2供电，工作的直流电源通过继电器组2输出的12V到保护二极管1，然后通过滤波电容1和受单片机电路板控制的继电器组3选择给12V电瓶1或12V电瓶2供电。其中一块电瓶充电时另一块电瓶供电，供电电瓶通过保护二极管2、滤波电容2。然后通过受单片机电路板控制的继电器组4选择后端的DC-DC直流供电模块12V变±12V电源模块、12V变±12V备用电池模块、12V变±5V电源模块、12V变±5V备用电源模块。最后输出的±12V和±5V通过高低频滤波器组后输入到BHC-336定标器完成隔离交流电瓶供电变压滤波等功能。

3 系统软件设计

控制终端上电后，首先读取本系统工作参数及地址号（台站号），然后对3G无线通讯模块进行初始化，如设置短信模式为text模式；设置中心服务器IP地址；设置传输速率等。然后单片机巡回检测无线模块是否收到新短信，当有新短信传来时，执行串口终端服务程序：读取指令短信，并判断地址号是否与本机相同，密码是否正确。如相符则执行相应的操作指令，执行完毕后返回本终端各开关电源、DC-DC电源模块工作状态信息。而后删除已读取的短信。程序流程图如图3所示。

图3 程序流程图Fig.3 Program flow chart

4 结语

通过应用本地震前兆仪器多路隔离直流电源及实时监控系统对辽宁省盘锦地震台BHC-336定标器进行供电改进，其工作时完全由直流电瓶供电，杜绝各类交流电和开关电源噪声对FD-125测氡仪测值的影响。通过分析对比使用隔离直流电源前后FD-125测氡仪测值的变化情况，可以发现FD-125测氡仪主样副样的差值和误差率使用隔离直流电源后明显变小。由此认为隔离直流电源达到设计效果，一定程度上解决了由于交流电和开关电源噪声对FD-125测氡仪测值的影响。