數(shù)據(jù)采集器電源監(jiān)控系統(tǒng)設計[地震]

        地震監(jiān)測與預報已經(jīng)成為全球一項重大課題，遙測數(shù)字地震臺網(wǎng)正在全國范圍內(nèi)逐漸健全。遙測數(shù)字地震臺網(wǎng)建成后，需要保證連續(xù)正常運行，出現(xiàn)“死機”時，觀測記錄中斷，需要派專人到無人值守的遙測臺解決故障，既浪費時間與經(jīng)費，又增加了信號間斷率。針對這種情況，設計開發(fā)了一套配合地震數(shù)據(jù)采集器工作的電源監(jiān)控系統(tǒng)，能夠準確可靠地監(jiān)控各地震臺站電源情況，使地震臺網(wǎng)中心更好地掌握各臺站電源情況，并且能對地震數(shù)據(jù)采集器實施遠程控制。整個電源監(jiān)控系統(tǒng)包括電源監(jiān)控器和信息管理系統(tǒng)兩部分。

        一、地震臺網(wǎng)簡介

        地震檢測臺網(wǎng)主要包括臺網(wǎng)處理中心和各臺站。臺網(wǎng)處理中心配有實時接收機、數(shù)據(jù)處理機、集線器等設備。通過集線器，中心內(nèi)所有的計算機組成中心局域網(wǎng)，從而實現(xiàn)文件和數(shù)據(jù)的共享。

        臺站配有地震儀、數(shù)據(jù)采集器、交流參數(shù)穩(wěn)壓器、UPS 電源、調(diào)制解調(diào)器、GPS 天線、蓄電池組等設備，如圖 1 所示。

        二、電源監(jiān)控器設計        

        2.1 電源監(jiān)控器功能

        電源監(jiān)控器主要功能如下：

        (1)系統(tǒng)具有檢測地震數(shù)據(jù)采集器運行情況功能，地震數(shù)據(jù)采集器“死機”時自動對其復位，復位3次不成功自動轉(zhuǎn)到地震臺網(wǎng)中心遠程復位;

        (2)蓄電池電壓低于11 V、恢復至13 V、交流電上電、交流電斷電時均自動向中心報警;

        (3)接收中心的復位、電源狀態(tài)、采集器運行狀態(tài)查詢和線路測試等命令，并返回應答信息;

        (4)電源監(jiān)控器與中心上位機通信采用地震數(shù)據(jù)專用線傳輸，不干擾地震數(shù)據(jù)的正常傳輸，自動在相鄰的兩幀地震數(shù)據(jù)之間插入電源及采集器狀態(tài)信息;

        (5)系統(tǒng)具有一定的抗干擾能力，“死機”后可自動復位，重新恢復正常狀態(tài)。

        2.2 硬件設計

        2.2.1 系統(tǒng)組成

        本設計選用兩片89C2051單片機為核心構(gòu)成的系統(tǒng)來完成對地震數(shù)據(jù)采集器電源的監(jiān)控，硬件設計分為電源模塊、復位電路、信號檢測、通信模塊等幾部分。系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

        由于單片機不僅要接收地震數(shù)據(jù)采集器發(fā)出的地震信息，還要接收上位機軟件的命令，所以需要兩個串口。這里利用兩片89C2051單片機來完成任務，其中主機用于檢測地震數(shù)據(jù)采集器運行情況以及電源情況并向上位機發(fā)送，從機專門用來接收上位機的命令，控制地震數(shù)據(jù)采集器復位。兩片單片機之間通過普通I/O口實現(xiàn)通信。數(shù)據(jù)采集器發(fā)生“死機”時，主機只需向從機發(fā)送一條使數(shù)據(jù)采集器復位的命令，而從機接收到上位機命令后向主機發(fā)送應答信息，由主機轉(zhuǎn)發(fā)給上位機。

        2.2.2 通信模塊設計

        利用一個串口完成對地震數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)的偵聽，并且向上位機發(fā)送檢測數(shù)據(jù)，同時不能對地震數(shù)據(jù)進行破壞。由于在同一條線路上不能有多個“講者”，本設計利用與門電路來實現(xiàn)地震數(shù)據(jù)上傳和檢測信息上傳的切換。通信模塊電路原理圖如圖3所示。

        圖3 串行通信模塊電路原理圖

        當 89C2051 單片機上電復位后，各輸出口均為高電平，這時與門 74LS08 第 3 腳輸出跟隨地震數(shù)據(jù)變化，當?shù)卣饠?shù)據(jù)發(fā)送完畢后，74LS08 第 1 腳變?yōu)楦唠娖?，則 74LS08 第 3 腳輸出跟隨第 1 片 89C2051TX1 變化，從而實現(xiàn)了傳輸線路的復用。上位機發(fā)出的指令由第 2 片 89C2051 偵聽，如果是給監(jiān)控器的信息，則接收并執(zhí)行，同時因地震數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)有其固定格式，所以不會對地震數(shù)據(jù)采集器產(chǎn)生影響。

        兩片單片機通過兩條普通 I/O 口相連，當?shù)卣饠?shù)據(jù)采集器發(fā)生“死機”時，第 1 片單片機給第 2片發(fā)送指令，對地震數(shù)據(jù)采集器進行復位。當?shù)? 2片單片機接收到上位機遠程復位指令時，對采集器進行復位，并向第 1 片單片機發(fā)送應答信號，第 1片單片機收到應答信號后向上位機發(fā)送一包數(shù)據(jù)，其中包含采集器狀態(tài)信息、電源信息以及第 2 片單片機的應答信息。上位機不僅可以通過檢查第 2 片單片機是否應答來判斷線路狀況，而且還可以記錄下此刻的現(xiàn)場信息。如因各種情況在 5 s 時間內(nèi)沒有收到來自監(jiān)控器的信息，則自動重新發(fā)送信息，如 3 次發(fā)送不成功說明線路出現(xiàn)故障，則給出相應提示。遠程查詢及線路檢測的原理與遠程復位相似，只是不進行復位操作。

        2.3 軟件設計

        2.3.1 軟件設計

        下位機主機啟動后先進行初始化，初始化完畢后進入主循環(huán)程序，在主循環(huán)程序中完成定時1 s喂看門狗，檢測采集器狀態(tài)、蓄電池電壓、交流電參數(shù)，接收從機信息，向上位機報警等任務，主機流程圖如圖4所示。

        圖4 軟件流程圖

        上位機信息管理系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)系統(tǒng)信息采集、統(tǒng)計報表等工作，采用Visual Basic程序設計語言開發(fā)該軟件。

        2.3.2 串行通信控件設置

        Visual Basic的串行通信對象MSComm控件是將RS-232接口的初級操作予以封裝，用戶以高級的語法即可利用RS-232接口與外界通信，并不需要了解其它有關(guān)的初級操作，因此使用起來非常方便。

        通常以下面的步驟來使用Visual Basic的MSComm控件作通信控制：

        (1)加入通信對象，也就是MSComm對象;

        (2)設置通信端口號碼，即CommPort屬性;

        (3)設置通信協(xié)議，即HandShaking屬性;

        (4)設置傳輸速度等參數(shù)，即Settings屬性;

        (5)設置其它參數(shù)，若必要時再加上其它的屬性設置;

        (6)打開通信端口，即PortOpen屬性設成True;

        (7)送出字符串或者讀入字符串，使用Input及Output屬性;

        (8)使用完MSComm通信對象后，將通信端口關(guān)閉，即PortOpen屬性設成Flase;

        (9)其它的程序處理。

        三、結(jié)語

        地震數(shù)據(jù)采集器電源監(jiān)控器以89C2051為核心，利用串口偵聽技術(shù)跟蹤采集器狀態(tài)，發(fā)生“死機”時及時對其復位，并向臺網(wǎng)中心報警。本設計完成了地震數(shù)據(jù)采集器電源監(jiān)控器制作和電源監(jiān)控軟件編寫，經(jīng)過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，運行狀態(tài)良好，達到了設計的要求。經(jīng)實際運行檢驗，系統(tǒng)能夠檢測地震數(shù)據(jù)采集器運行情況，可靠性高，節(jié)約了各無人值守臺站電源的維護成本，延長了電池壽命，有效提高可遙測數(shù)字地震臺網(wǎng)的工作效率，獲得了較好的應用效果。