數(shù)據(jù)采集器電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[地震]

        地震監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)已經(jīng)成為全球一項(xiàng)重大課題，遙測(cè)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)正在全國范圍內(nèi)逐漸健全。遙測(cè)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)建成后，需要保證連續(xù)正常運(yùn)行，出現(xiàn)“死機(jī)”時(shí)，觀測(cè)記錄中斷，需要派專人到無人值守的遙測(cè)臺(tái)解決故障，既浪費(fèi)時(shí)間與經(jīng)費(fèi)，又增加了信號(hào)間斷率。針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)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(zhǔn)確可靠地監(jiān)控各地震臺(tái)站電源情況，使地震臺(tái)網(wǎng)中心更好地掌握各臺(tái)站電源情況，并且能對(duì)地震數(shù)據(jù)采集器實(shí)施遠(yuǎn)程控制。整個(gè)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(tái)網(wǎng)簡介

        地震檢測(cè)臺(tái)網(wǎng)主要包括臺(tái)網(wǎng)處理中心和各臺(tái)站。臺(tái)網(wǎng)處理中心配有實(shí)時(shí)接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理機(jī)、集線器等設(shè)備。通過集線器，中心內(nèi)所有的計(jì)算機(jī)組成中心局域網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)文件和數(shù)據(jù)的共享。

        臺(tái)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(shè)備，如圖 1 所示。

        二、電源監(jiān)控器設(shè)計(jì)        

        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(cè)地震數(shù)據(jù)采集器運(yùn)行情況功能，地震數(shù)據(jù)采集器“死機(jī)”時(shí)自動(dòng)對(duì)其復(fù)位，復(fù)位3次不成功自動(dòng)轉(zhuǎn)到地震臺(tái)網(wǎng)中心遠(yuǎn)程復(fù)位;

        (2)蓄電池電壓低于11 V、恢復(fù)至13 V、交流電上電、交流電斷電時(shí)均自動(dòng)向中心報(bào)警;

        (3)接收中心的復(fù)位、電源狀態(tài)、采集器運(yùn)行狀態(tài)查詢和線路測(cè)試等命令，并返回應(yīng)答信息;

        (4)電源監(jiān)控器與中心上位機(jī)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(dòng)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(jī)”后可自動(dòng)復(fù)位，重新恢復(fù)正常狀態(tài)。

        2.2 硬件設(shè)計(jì)

        2.2.1 系統(tǒng)組成

        本設(shè)計(jì)選用兩片89C2051單片機(jī)為核心構(gòu)成的系統(tǒng)來完成對(duì)地震數(shù)據(jù)采集器電源的監(jiān)控，硬件設(shè)計(jì)分為電源模塊、復(fù)位電路、信號(hào)檢測(cè)、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(jī)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(jī)軟件的命令，所以需要兩個(gè)串口。這里利用兩片89C2051單片機(jī)來完成任務(wù)，其中主機(jī)用于檢測(cè)地震數(shù)據(jù)采集器運(yùn)行情況以及電源情況并向上位機(jī)發(fā)送，從機(jī)專門用來接收上位機(jī)的命令，控制地震數(shù)據(jù)采集器復(fù)位。兩片單片機(jī)之間通過普通I/O口實(shí)現(xiàn)通信。數(shù)據(jù)采集器發(fā)生“死機(jī)”時(shí)，主機(jī)只需向從機(jī)發(fā)送一條使數(shù)據(jù)采集器復(fù)位的命令，而從機(jī)接收到上位機(jī)命令后向主機(jī)發(fā)送應(yīng)答信息，由主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)。

        2.2.2 通信模塊設(shè)計(jì)

        利用一個(gè)串口完成對(duì)地震數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)的偵聽，并且向上位機(jī)發(fā)送檢測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)不能對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行破壞。由于在同一條線路上不能有多個(gè)“講者”，本設(shè)計(jì)利用與門電路來實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)上傳和檢測(cè)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(dāng) 89C2051 單片機(jī)上電復(fù)位后，各輸出口均為高電平，這時(shí)與門 74LS08 第 3 腳輸出跟隨地震數(shù)據(jù)變化，當(dāng)?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(shí)現(xiàn)了傳輸線路的復(fù)用。上位機(jī)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(shí)因地震數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)有其固定格式，所以不會(huì)對(duì)地震數(shù)據(jù)采集器產(chǎn)生影響。

        兩片單片機(jī)通過兩條普通 I/O 口相連，當(dāng)?shù)卣饠?shù)據(jù)采集器發(fā)生“死機(jī)”時(shí)，第 1 片單片機(jī)給第 2片發(fā)送指令，對(duì)地震數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行復(fù)位。當(dāng)?shù)? 2片單片機(jī)接收到上位機(jī)遠(yuǎn)程復(fù)位指令時(shí)，對(duì)采集器進(jìn)行復(fù)位，并向第 1 片單片機(jī)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，第 1片單片機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)后向上位機(jī)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(jī)的應(yīng)答信息。上位機(jī)不僅可以通過檢查第 2 片單片機(jī)是否應(yīng)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(shí)間內(nèi)沒有收到來自監(jiān)控器的信息，則自動(dòng)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(yīng)提示。遠(yuǎn)程查詢及線路檢測(cè)的原理與遠(yuǎn)程復(fù)位相似，只是不進(jìn)行復(fù)位操作。

        2.3 軟件設(shè)計(jì)

        2.3.1 軟件設(shè)計(jì)

        下位機(jī)主機(jī)啟動(dòng)后先進(jìn)行初始化，初始化完畢后進(jìn)入主循環(huán)程序，在主循環(huán)程序中完成定時(shí)1 s喂看門狗，檢測(cè)采集器狀態(tài)、蓄電池電壓、交流電參數(shù)，接收從機(jī)信息，向上位機(jī)報(bào)警等任務(wù)，主機(jī)流程圖如圖4所示。

        圖4 軟件流程圖

        上位機(jī)信息管理系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息采集、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等工作，采用Visual Basic程序設(shè)計(jì)語言開發(fā)該軟件。

        2.3.2 串行通信控件設(shè)置

        Visual Basic的串行通信對(duì)象MSComm控件是將RS-232接口的初級(jí)操作予以封裝，用戶以高級(jí)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(jí)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(duì)象，也就是MSComm對(duì)象;

        (2)設(shè)置通信端口號(hào)碼，即CommPort屬性;

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

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

        (5)設(shè)置其它參數(shù)，若必要時(shí)再加上其它的屬性設(shè)置;

        (6)打開通信端口，即PortOpen屬性設(shè)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(duì)象后，將通信端口關(guān)閉，即PortOpen屬性設(shè)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(jī)”時(shí)及時(shí)對(duì)其復(fù)位，并向臺(tái)網(wǎng)中心報(bào)警。本設(shè)計(jì)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(yùn)行狀態(tài)良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，系統(tǒng)能夠檢測(cè)地震數(shù)據(jù)采集器運(yùn)行情況，可靠性高，節(jié)約了各無人值守臺(tái)站電源的維護(hù)成本，延長了電池壽命，有效提高可遙測(cè)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的工作效率，獲得了較好的應(yīng)用效果。