雷電探測技術是雷電科學的重要研究領域，雷電監測系統在雷電的研究和防護中處于重要的位置[1-2]。在雷電監測系統的研究中，雖然已經有了大型的雷電監測場，但是成本較高，數量不是很多，目前國內僅在山東、廣州等地有應用。閃電定位網技術依靠探測閃電發生時產生的電磁波對閃電進行定位[3]。但閃電定位網的定位方法基本上是根據經驗估計或積累的探測資料來進行統計分析，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]。而一般的監測系統只能單一地記錄雷電次數，無法測量和記錄強度，對雷電科學的研究造成困難。參考文獻[5]中利用STM32芯片設計出智能電表系統。參考文獻[6]中以ARM為核心設計出集中器的主要實現電路。參考文獻[7]中通過建立的羅氏線圈數學模型，給出了羅氏線圈采樣電阻的選取方法。參考文獻[8]中設計出以大型羅氏線圈對建筑物和梁進行雷電流監測的系統，但是此羅氏線圈體積較大，不適宜實際操作。

    本文基于ARM控制器設計一種智能雷電監測系統，可以有效地定點監測雷擊桿塔、特殊高建筑物的次數，測量并實時顯示、存儲雷電的強度和波形，還可將實時的數據通過RS485總線傳送給PC上位機，實現遠程實時監控和記錄。本系統設計關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；對數據通信電路使用了防雷措施；系統還將羅氏線圈的電流控制在3.3 A內，并且能使輸出和輸入呈線性關系。設計重點考慮實時性、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測、故障定位及排查等業務，還適用于在特殊高建筑物上專設雷電接閃監測系統，為雷電科學的研究提供雷電流特征等基礎數據。

1 系統整體設計

系統整體設計如圖1所示。每當有雷電發生時，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，將采樣數據傳輸給微控制器。微控制器驅動時鐘模塊進行系統時間的計時。它接收到數據后計算出雷電次數、雷電強度，并通過TFT彩色屏幕顯示，自動將雷電發生的時間、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生次數。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所記錄的雷電強度、一天內的雷電次數以及發生的時間。

圖1  系統整體設計框圖

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

2 系統硬件設計

2.1 主控芯片簡介

    考慮到具體目標功能的實現，主控芯片選用ST公司的STM32F103微控制器。它以Cortex—M3為內核，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，提高系統穩定性，還可使微控制器進入低功耗模式，有效地減少系統功耗，節約電能。

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點：測量線圈本身與被測電流回路沒有直接的電的聯系，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，可從幾安培到數百千安培，頻率可設計到0.1~100 MHz，甚至更高，且易于以數字量輸出[11]。一般雷電沖擊電流多在1~200 kA以內，主要頻率分量在700 Hz~1 610 Hz之間。通過合理的設計，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，將電流變為直流，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，可以實現多種光電隔離轉換電路[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，降低系統功耗；一路將輸出模擬電壓值送給微控制器的內部ADC進行A/D轉換并進行處理。

2.3 SD卡儲存模塊

    本系統的微控制器STM32F103內部集成了SDIO通信接口，使用起來較為方便。因此，本系統采用SD模式作為底層驅動SD卡的方式。驅動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

    由于該系統需要安放在雷電的環境中，因此需要采取一種可靠的通信方式。RS485通信是基于RS422通信技術的一種補充，該技術采用平衡式發送、差分方式接收的數據收發器來驅動總線，可以實現2條電纜傳輸，多達128個分支節點。因此，該總線成為工業運用中數據傳輸的首選[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(簡稱TUB)[13]。當大電壓從A、B處進入時，TUB在1 ?滋s內斷開整個電路，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，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]芯片驅動3.2英寸液晶屏顯示。通過微控制器STM32F103的FSMC接口驅動ILI9341實現數據的顯示。采用TSC2046作為電阻觸摸屏的驅動芯片。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，實現觸摸屏的控制。

3 系統軟件設計

3.1 微控制器的軟件設計

    該系統軟件設計主要包括微控制器的軟件設計、SD卡文件系統移植的設計和PC上位機的設計。其中微控制器的軟件設計又包括下降沿中斷的初始化、ADC轉換的初始化、時鐘模塊的初始化、SDIO和SD卡驅動的初始化、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。在中斷中通過內部的12位ADC1完成雷電強度的A/D轉換、數據的顯示和處理功能。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，完成數據的回溯查詢。

3.2 SD卡文件系統的移植

    僅僅通過SDIO接口驅動SD只完成了SD卡中的物理地址讀寫數據的工作，這些數據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來實現數據的儲存和管理。

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

3.3 PC上位機的軟件設計

    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，本系統中設置串口傳輸速率為9 600 b/s，8 bit數據位、1 bit停止位并且不設置校驗位。初始化結束后，打開微控制器所在的串口，此時，微控制發送的數據開始存入PC內的串口緩存區。當緩存區數據大于1 B后，上位機系統自動觸發串口讀取事件，在事件中可以調用函數，對微控制器發送來的數據進行顯示、存儲等操作。

4 系統測試與分析

    為了測試本系統的各種功能，利用一個校準過的圓管式分流器和本系統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最終測得的雷電強度大小進行比較，以反應本系統測量的準確度和靈敏度。測試結果如表1所示，共進行了5組測試。

    從上表的實驗結果可以看出，對于不同的沖擊電流，線圈的變化系數比基本上穩定在1 635 A/V附近，在允許誤差范圍內形成一個良好的線性關系。通過測量結果，還可以算出，該系統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。因此，該系統在一定范圍內可以測量出雷電的強度，且測量值具有參考價值。

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

    本文針對目前國內大型雷電監測場成本較高、數量不多以及一般的監測系統只能單一記錄雷電次數而無法測量和記錄強度的缺陷，設計了一種基于ARM的智能雷電監測系統。該系統設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；對數據通信電路采用了防雷措施；系統還將羅氏線圈的電流控制在3.3 A內，并且能使輸出和輸入呈線性關系。經過測試，該系統的測量靈敏度約為0.612 V/kA，測量的最大誤差約為0.37%，測量誤差較小。系統不僅可以統計雷電的次數，還可以在一定范圍內監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，可以通過穩定的通信將數據實時傳給PC上位機，實現雷電情況的遠程監控和記錄以及雷電情況的分析和后續處理。該系統特別適用于輸變電桿塔雷電監測、故障定位及排查等業務，還適用于在特高建筑物上專設的雷電接閃監測系統，為雷電科學的研究提供雷電流特征等基礎數據。下一步將對該系統數據傳輸部分做進一步的改進，以實現無線傳輸，更好地應用在野外輸變電線路雷電監測等應用領域中。

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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：雷電監測等。