振铃信号在遥测站设备维护中的应用及实现

刘 煜，郑 嵬，万韶辉

（中国长江电力股份有限公司，湖北省宜昌市 443133）

0 引言

三峡水情遥测系统共建设有633个遥测站，实时采集水位、流量、雨量、气象等数据，并通过GSM/GPRS、PSTN、北斗卫星等信道发送会水情遥测中心站[1]，由中心站系统软件进行分析、评估，为运行管理人员提供决策依据，也为三峡梯级枢纽的防洪、航运、生态保护，以及水电厂生产调度等效益发挥着重要的作用。

在遥测站实际运行中，经常出现数据采集器死机、通信进程无响应或者应用程序BUG等原因导致的故障。总结分析三峡水情遥测系统历年故障及维修记录，发现有些故障通常通过给遥测站的数据采集器设备进行掉电，再上电的复位操作就可以解决。

目前，针对遥测站数据采集器复位操作，通常由技术人员去现场操作实现。人工操作，复杂费时，并且效率低，并且也不符合现代社会对自动化的要求。特别是，晚上遥测设备出现故障，或者位置较为偏僻的地方遥测站设备出现故障，就不能保证设备维护的及时性。

1 遥测站功能结构

三峡水情遥测系统遥测站（Remote Terminal Unit，简称RTU）典型功能结构如图1所示，包括数据采集器、传感器模块、通信模块，以及电源模块等四个功能模块[2]。

图1 遥测站功能框图Fig.1 RTU block diagram

数据采集器，为遥测站的“大脑”，负责遥测站数据采集、通信进程、电源控制管理，以及传感器控制等工作，接收来自中心站的远程命令，响应远程召测，数据存储、采集功能模块定制化配置等工作。

传感器模块，包括流量、水位、雨量、风速、风向、温度等传感器，通过响应数据采集器的命令，进行数据测量，并把所采集的数据传输给数据采集器。

通信模块，包括GSM/GPRS、北斗、VHF、PSTN等信道相关设备。三峡水情遥测系统遥测站主要采用GSM/GPRS为主信道，北斗信道为备用信道的双信道冗余配置的模式，提高遥测站的信道畅通率，确保数据可以实时发送回中心站。

电源模块，为遥测站的“动力之源”，包括蓄电池、集成接口电路板、太阳能板等，为遥测站其他所有设备提供工作电源。

总结历年的遥测站故障维护记录，发现有35%为应用程序故障，该类故障通过给遥测站复位操作就可以解决。如果可以远程实现给遥测站进行复位操作，将会有效快速解决这一部分故障，从而提高设备维护的及时性，提高遥测站的可用度、畅通率等指标。

为解决上述问题，设备维护人员发现，可以利用遥测站GSM/GPRS信道[2]，通过维护人员拨打遥测站电话号码所产生的振铃信号[3]，来控制遥测站系统供电电路的通断，实现对遥测站系统的远程掉电/上电控制功能，从而实现对遥测站设备的远程复位功能。该操作只需要维护人员拨打遥测站电话就可以实现，维护效率较人工去现场操作大大提高。为此，本文设计基于振铃控制信号的振铃控制器模块，远程控制遥测站复位操作。

2 振铃控制器设计及实现

2.1 功能模块确定

结合遥测站的功能结构，振铃控制器的主要功能模块包括：①振铃信号检测电路，用于检测是否有振铃信号输入；②脉冲计数器，用于统计振铃信道脉冲的数目，如果符合模块设定要求，则输出相应的掉电/上电命令；③供电控制电路，控制是否输出受控电压[4]。如图2所示。

图2 振铃控制器功能结构图Fig.2 Block diagram of ringing control model

2.2 功能模块实现

2.2.1 电源控制电路

图3为电源电路，为振铃控制器提供工作电源，输入电源为遥测站的工作电源VIN，线性稳压芯片TPS71533将输入电压VIN转换为振铃控制器所需要的工作电压VCC（+5V），为控制器的各个部分电路提供工作电源[5-7]。

2.2.2 振铃脉冲信号生成

图4为振铃脉冲信号检测电路，需要远程控制遥测站复位操作时，振铃检测电路将振铃信号的脉冲信号转换为后续处理电路所对应电平的脉冲信号，当振铃信号为高电平时控制三极管Q3导通，逻辑芯片74HC02的与非门电路输入为低电平，输出为高；相应的振铃信号为低电平时三极管Q3截止，逻辑芯片74HC02的与非门电路输入为高，输出为低，以此产生于振铃信号相对于的可检测脉冲信号RINGOUT，同时RINGOUT经过两级与非门电路之后驱动LED指示灯D4闪烁。

2.2.3 脉冲信号计数器

图5为脉冲信号计数器，脉冲计数器实现对脉冲检测电路所检测到的振铃信号进行计数，4路D触发器对检测到的振铃信号脉冲进行计数分频，计数到第8个脉冲信号时（本模块设置为8，该参数可变设置），最后1路D触发器U3B输出Q端进行电平翻转，输出电压控制信号VOUT_CTR由高变为低，关闭输出控制电路的电压输出。

2.2.4 振荡电路

图3 电源控制电路Fig.3 Power Supply Control Circuit

图4 脉冲信号检测Fig.4 Detection of pulse signal

图5 脉冲计数Fig.5 Pulse Signal Counter

图6为振荡电路，振荡电路对内部振荡信号进行计数，起延时控制功能。当振铃信号脉冲RINGOUT存在时，U6振荡器CD4060不停地复位操作，使得延时电路计时不停地重新开始，当最后一个脉冲信号到来后振荡器的最后一次复位，此时振荡器对内部振荡信号重新开始计数，计数满之后Q12输出高电平（电路设计的是脉冲结束后3秒，该参数可以通过调节RC振荡电路的参数C12和R13的阻容值大小实现时间调节），Q12输出信号经与非门电路U4D处理之后CLR输出为低电平，此时，D触发器U3B的复位信号有效，输出电压控制信号VOUT_CTR为高电平，经与非门U4A处理后控制三极管Q2导通，场效应管Q1的栅极电平被拉低，场效应管Q1导通，电压输出VOUT与VIN相连，电压输出开启，遥测站设备上电，实现脉冲计数之后的延时上电操作。

2.2.5 电源控制输出

图7为电源输出控制电路，通过脉冲计数器输出的控制信号实现对输出电压的开关控制，以此来实现遥测站的掉电上电操作。输出电压控制电路的输出端VOUT接到遥测站的工作电源上，脉冲计数电路输出的电压控制信号VOUT_CTR为低电平时，经与非门U4A处理后控制三极管Q2导通，场效应管Q1的栅极电平被拉低，场效应管Q1导通，电压输出VOUT与VIN相连，电压输出开启，遥测站设备上电；脉冲计数电路输出的电压控制信号VOUT_CTR为高电平时，经与非门U4A处理后控制三极管Q2截止，场效应管Q1的栅极电平被拉高，场效应管Q1截止，电压输出VOUT与VIN断开，电压输出关闭，遥测站设备掉电。

2.3 振铃控制器信号处理流程

图6 振荡电路Fig.6 Oscillating circuit

图7 电源输出控制Fig.7 Output of power control

振铃控制器，振铃信号检测电路不断检测是否有振铃信号输入[7，8]，如果有的话，脉冲计数器则开始统计振铃信号检测电路所检测到的振铃信号，并对其进行计数，当振铃信号次数达到电路设定值时（本振铃控制器中设置的振铃信号为8次），供电控制电路控制电压输出开关将断开，实现断电操作；断开3s以后，再闭合该开关，电压输出端V0输出电压，从而实现远程对遥测站设备的一次掉电/上电操作。

信号处理流程如图8所示，具体步骤如下：

（1）对遥测站进行掉电/上电操作，维护人员拨打遥测站电话号码，振铃脉冲检测电路检测是否有脉冲信号（也即振铃信号）。

（2）如果振铃信号检测电路检测到振铃信号，则执行步骤（3）；如果没有检测到脉冲信号，则重复步骤（1）等待振铃信号输入。

（3）脉冲计数器清零，并开始统计振铃信号脉冲次数。

图8 信号处理流程Fig.8 Flow chart of signal processing

（4）当振铃信号次数达到电路设定值时，供电控制电路控制电压输出开关将断开，实现断电操作。

（5）电压输出开关断开3s后，电压输出开关闭合，实现上电操作。

（6）遥测站远程掉电/上电操作结束。

3 结束语

目前，该振铃控制器模块已经在三峡水情遥测系统中使用，在三峡水情遥测系统设备维护工作中，扮演着重要的作用，发挥良好的效益。遥测站安装该振铃控制器模块后，维护人员可以更快速地处理一些遥测站故障，从而提高遥测站的畅通率和可用度。经过一年的运行及统计，2016年可用度达99.11%，较2015年提高0.2%；2016年畅通率达99.43%，较2015年提高0.3%。由于遥测站点设备故障恢复时间降低，三峡水情遥测系统畅通率和可用度显著增长。