雷電探測技術(shù)是雷電科學(xué)的重要研究領(lǐng)域，雷電監(jiān)測系統(tǒng)在雷電的研究和防護中處于重要的位置[1-2]。在雷電監(jiān)測系統(tǒng)的研究中，雖然已經(jīng)有了大型的雷電監(jiān)測場，但是成本較高，數(shù)量不是很多，目前國內(nèi)僅在山東、廣州等地有應(yīng)用。閃電定位網(wǎng)技術(shù)依靠探測閃電發(fā)生時產(chǎn)生的電磁波對閃電進行定位[3]。但閃電定位網(wǎng)的定位方法基本上是根據(jù)經(jīng)驗估計或積累的探測資料來進行統(tǒng)計分析，具有較大的主觀性，定位儀站點位置的選定也存在較大的盲目性[4]。而一般的監(jiān)測系統(tǒng)只能單一地記錄雷電次數(shù)，無法測量和記錄強度，對雷電科學(xué)的研究造成困難。參考文獻[5]中利用STM32芯片設(shè)計出智能電表系統(tǒng)。參考文獻[6]中以ARM為核心設(shè)計出集中器的主要實現(xiàn)電路。參考文獻[7]中通過建立的羅氏線圈數(shù)學(xué)模型，給出了羅氏線圈采樣電阻的選取方法。參考文獻[8]中設(shè)計出以大型羅氏線圈對建筑物和梁進行雷電流監(jiān)測的系統(tǒng)，但是此羅氏線圈體積較大，不適宜實際操作。

    本文基于ARM控制器設(shè)計一種智能雷電監(jiān)測系統(tǒng)，可以有效地定點監(jiān)測雷擊桿塔、特殊高建筑物的次數(shù)，測量并實時顯示、存儲雷電的強度和波形，還可將實時的數(shù)據(jù)通過RS485總線傳送給PC上位機，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控和記錄。本系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵點是對雷電流信號采集部分進行了電路保護，采用了光耦進行隔離；對數(shù)據(jù)通信電路使用了防雷措施；系統(tǒng)還將羅氏線圈的電流控制在3.3 A內(nèi)，并且能使輸出和輸入呈線性關(guān)系。設(shè)計重點考慮實時性、耐用性、可靠性和較低的成本。特別適用于輸變電桿塔雷電監(jiān)測、故障定位及排查等業(yè)務(wù)，還適用于在特殊高建筑物上專設(shè)雷電接閃監(jiān)測系統(tǒng)，為雷電科學(xué)的研究提供雷電流特征等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1所示。每當有雷電發(fā)生時，利用雷電信號采集模塊輸出脈沖提醒微控制器有雷電到來，并實時、快速采樣雷電強度，將采樣數(shù)據(jù)傳輸給微控制器。微控制器驅(qū)動時鐘模塊進行系統(tǒng)時間的計時。它接收到數(shù)據(jù)后計算出雷電次數(shù)、雷電強度，并通過TFT彩色屏幕顯示，自動將雷電發(fā)生的時間、強度記錄在SD卡儲存模塊中。每隔24 h，微控制器還將在SD卡中存儲當天雷電發(fā)生次數(shù)。TFT彩色屏幕還具有觸摸屏的功能，通過屏幕上的“查詢”按鈕，還可以查詢近年來系統(tǒng)所記錄的雷電強度、一天內(nèi)的雷電次數(shù)以及發(fā)生的時間。

圖1  系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

    同時，微控制器還可以將處理好的數(shù)據(jù)通過RS485總線傳送給PC上位機。在上位機中制作監(jiān)控軟件，可以實時監(jiān)控雷電發(fā)生的次數(shù)、雷電強度并同時可以將數(shù)據(jù)存儲在電腦硬盤中，還具有回溯查詢的功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控芯片簡介

    考慮到具體目標功能的實現(xiàn)，主控芯片選用ST公司的STM32F103微控制器。它以Cortex—M3為內(nèi)核，具有高性能、低功耗、實時性等特點，包括80個I/O接口以及高達128 KB的閃存和20 KB的SRAM，并提供3種低功耗模式，供用戶合理地優(yōu)化功耗[9]。選用這款微控制器，不僅能減少外圍模塊，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，還可使微控制器進入低功耗模式，有效地減少系統(tǒng)功耗，節(jié)約電能。

2.2 雷電信號采集模塊

    對雷電信號的采集可以考慮兩種方式：分流器和羅氏線圈[10]。羅氏線圈有著顯著的優(yōu)點：測量線圈本身與被測電流回路沒有直接的電的聯(lián)系，而是通過電磁場耦合，與主回路有良好的電氣絕緣；同時，它測量范圍寬，可從幾安培到數(shù)百千安培，頻率可設(shè)計到0.1~100 MHz，甚至更高，且易于以數(shù)字量輸出[11]。一般雷電沖擊電流多在1~200 kA以內(nèi)，主要頻率分量在700 Hz~1 610 Hz之間。通過合理的設(shè)計，使羅氏線圈能夠測量3~150 kA、波形在1/10 ?滋s～20/500 ?滋s范圍內(nèi)的雷電電流變化。輸出的雷電電流在0~3.5 A之間。如果使用1 Ω的精密電阻作為采樣電阻，則采樣電壓在0~3.5 V之間，且可以使輸出靈敏度大約為0.57 V/kA，可滿足大部分雷電的測量要求。

    雷電信號采集模塊電路圖如圖2所示。前端通過合理設(shè)計的羅氏線圈采樣得到雷電流，通過一個以防電流過大的保護電阻后，利用橋式整流電路和濾波電路，將電流變?yōu)橹绷?，然后通過一個大小為1 Ω的精密電阻作為采樣電阻，得到雷電電壓量。其中，濾波電路采用2個電容和1個鐵芯電感組成的LC-Π型濾波電路。這種類型的電路適應(yīng)性強，對整流管的沖擊電流小，且輸出電流更加平滑。通過整流、濾波電路后的電壓值大約衰減為初始值的90%，可以通過微控制器的軟件補償進行修正。

圖2  雷電信號采集模塊電路圖

    由于該采集信號裝置需要處于雷電環(huán)境中，為了保護電路，采用光耦進行隔離。為了傳遞模擬電壓量，采用性能較高的線性光耦HCNR201。HCNR201是一款高線性度、寬頻帶、低溫度增益的線性光耦，可以實現(xiàn)多種光電隔離轉(zhuǎn)換電路[12]。采集到的電壓信號分2路通過光耦傳遞到微控制器，一路當有雷電電壓時將輸出一個下降沿，觸發(fā)微控制器的中斷，使微控制器工作，其余時候，微控制器可以處于低功耗狀態(tài)，降低系統(tǒng)功耗；一路將輸出模擬電壓值送給微控制器的內(nèi)部ADC進行A/D轉(zhuǎn)換并進行處理。

2.3 SD卡儲存模塊

    本系統(tǒng)的微控制器STM32F103內(nèi)部集成了SDIO通信接口，使用起來較為方便。因此，本系統(tǒng)采用SD模式作為底層驅(qū)動SD卡的方式。驅(qū)動SD卡時，首先進行SDIO的初始化，然后進行SD卡的上電識別和SD卡的初始化，之后可以隨意通過讀寫函數(shù)進行SD卡的讀寫操作。

2.4 微控制器和PC上位機通信模塊

    由于該系統(tǒng)需要安放在雷電的環(huán)境中，因此需要采取一種可靠的通信方式。RS485通信是基于RS422通信技術(shù)的一種補充，該技術(shù)采用平衡式發(fā)送、差分方式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動總線，可以實現(xiàn)2條電纜傳輸，多達128個分支節(jié)點。因此，該總線成為工業(yè)運用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x[13]。

    通信電路中還進行了防雷手段。如圖3所示為增加了防雷技術(shù)的RS485總線通信電路圖，采用了一種專門針對RS485通信的快速開關(guān)(簡稱TUB)[13]。當大電壓從A、B處進入時，TUB在1 ?滋s內(nèi)斷開整個電路，TUB后端殘余電壓通過TVS引入大地，TUB前端殘余電壓通過氣體放電管FDG引入大地，使得通信電路不受影響，從而保護了通信電路。

圖3  具有防雷保護功能的RS485總線通信電路圖

RS485經(jīng)過防雷保護輸出的信號可以通過RS485/RS232變換器在接入PC上位機之前變換成為RS232通信方式，通過串口接入PC上位機，完成微控制器與PC上位機的通信。

2.5 其他模塊

    (1)時鐘模塊：實時時鐘采用低功耗芯片DS1302，可自動對秒、分、時、日、周、月、念年及閏年補償進行計數(shù)，擴展萬年歷功能顯示[14]，采用三線接口與微控制器進行同步通信。

    (2)顯示、控制模塊：采用TFT電阻觸摸彩屏作為顯示和控制模塊。采用ILI9341[15]芯片驅(qū)動3.2英寸液晶屏顯示。通過微控制器STM32F103的FSMC接口驅(qū)動ILI9341實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示。采用TSC2046作為電阻觸摸屏的驅(qū)動芯片。TSC2046是典型的逐次逼近寄存型A/D變換器，支持低電壓I/O接口[16]。微控制器通過SPI總線驅(qū)動TSC2046芯片，當屏幕受到擠壓時，通過TSC2046采集到觸點X方向和Y方向的電壓值，從而確定觸點的坐標，實現(xiàn)觸摸屏的控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 微控制器的軟件設(shè)計

    該系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括微控制器的軟件設(shè)計、SD卡文件系統(tǒng)移植的設(shè)計和PC上位機的設(shè)計。其中微控制器的軟件設(shè)計又包括下降沿中斷的初始化、ADC轉(zhuǎn)換的初始化、時鐘模塊的初始化、SDIO和SD卡驅(qū)動的初始化、顯示與控制模塊的初始化以及串口的初始化。主要流程圖如圖4、圖5所示。

在完成初始化以后，微控制器進入低功耗模式。當外部有雷電發(fā)生時，微控制器接收到一個下降壓脈沖，微控制器被喚醒，進入下降沿中斷。在中斷中通過內(nèi)部的12位ADC1完成雷電強度的A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的顯示和處理功能。另外，如果觸摸屏上按鍵被觸摸，則進入按鍵中斷處理程序，在按鍵中斷中判斷按下的按鈕，完成數(shù)據(jù)的回溯查詢。

3.2 SD卡文件系統(tǒng)的移植

    僅僅通過SDIO接口驅(qū)動SD只完成了SD卡中的物理地址讀寫數(shù)據(jù)的工作，這些數(shù)據(jù)只能被微控制器讀取，而不能在電腦上被操作。因此，還需要移植文件系統(tǒng)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲存和管理。

    常用的文件系統(tǒng)有FAT12、FAT16、FAT32、FATFS等格式。FATFS是一個為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的通用FAT文件系統(tǒng)模塊，具有以下一些特點：與Windows的FAT文件系統(tǒng)兼容；不依賴平臺，易于移植；代碼和工作去占用空間小[17]。本系統(tǒng)移植FATFS_R0.09a文件系統(tǒng)，然后可以利用封裝好的API接口函數(shù)（例如：f_read、f_write、f_open、f_close等）實現(xiàn)SD卡的文件操作。

3.3 PC上位機的軟件設(shè)計

    在上位機與微控制器進行串口通信的過程中，首先需要對串口進行初始化，本系統(tǒng)中設(shè)置串口傳輸速率為9 600 b/s，8 bit數(shù)據(jù)位、1 bit停止位并且不設(shè)置校驗位。初始化結(jié)束后，打開微控制器所在的串口，此時，微控制發(fā)送的數(shù)據(jù)開始存入PC內(nèi)的串口緩存區(qū)。當緩存區(qū)數(shù)據(jù)大于1 B后，上位機系統(tǒng)自動觸發(fā)串口讀取事件，在事件中可以調(diào)用函數(shù)，對微控制器發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行顯示、存儲等操作。

4 系統(tǒng)測試與分析

    為了測試本系統(tǒng)的各種功能，利用一個校準過的圓管式分流器和本系統(tǒng)同時測量相同的沖擊波。校準過的分流器用來對沖擊波的大小和本系統(tǒng)最終測得的雷電強度大小進行比較，以反應(yīng)本系統(tǒng)測量的準確度和靈敏度。測試結(jié)果如表1所示，共進行了5組測試。

    從上表的實驗結(jié)果可以看出，對于不同的沖擊電流，線圈的變化系數(shù)比基本上穩(wěn)定在1 635 A/V附近，在允許誤差范圍內(nèi)形成一個良好的線性關(guān)系。通過測量結(jié)果，還可以算出，該系統(tǒng)的測量靈敏度大約為1/1 635 V/kA，約為0.612 V/kA。測量的最大誤差約為：(1 641-1 635)/1 635≈0.37%，誤差不大，在允許范圍內(nèi)。因此，該系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)可以測量出雷電的強度，且測量值具有參考價值。

    同時，經(jīng)過測試，本系統(tǒng)顯示、存儲以及與上位機之間的通信等功能運行良好。

    本文針對目前國內(nèi)大型雷電監(jiān)測場成本較高、數(shù)量不多以及一般的監(jiān)測系統(tǒng)只能單一記錄雷電次數(shù)而無法測量和記錄強度的缺陷，設(shè)計了一種基于ARM的智能雷電監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計對雷電流信號采集部分進行了電路保護，采用了光耦進行隔離；對數(shù)據(jù)通信電路采用了防雷措施；系統(tǒng)還將羅氏線圈的電流控制在3.3 A內(nèi)，并且能使輸出和輸入呈線性關(guān)系。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)的測量靈敏度約為0.612 V/kA，測量的最大誤差約為0.37%，測量誤差較小。系統(tǒng)不僅可以統(tǒng)計雷電的次數(shù)，還可以在一定范圍內(nèi)監(jiān)測出雷電的強度以及雷電流波形，并進行實時顯示和存儲。另外，可以通過穩(wěn)定的通信將數(shù)據(jù)實時傳給PC上位機，實現(xiàn)雷電情況的遠程監(jiān)控和記錄以及雷電情況的分析和后續(xù)處理。該系統(tǒng)特別適用于輸變電桿塔雷電監(jiān)測、故障定位及排查等業(yè)務(wù)，還適用于在特高建筑物上專設(shè)的雷電接閃監(jiān)測系統(tǒng)，為雷電科學(xué)的研究提供雷電流特征等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。下一步將對該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸部分做進一步的改進，以實現(xiàn)無線傳輸，更好地應(yīng)用在野外輸變電線路雷電監(jiān)測等應(yīng)用領(lǐng)域中。

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(收稿日期：2014-05-09)  

作者簡介：

楊仲江，男，1961年生，副教授，高級工程師，主要研究方向：雷電監(jiān)測等。