趙 雷，李琳琳

（1.遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.沈陽(yáng)開(kāi)放大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110003）

0 引言

隨著地震科技水平不斷提高，我國(guó)地震觀測(cè)逐步走向數(shù)字化，其大動(dòng)態(tài)、高精度的觀測(cè)數(shù)據(jù)在地震科研和預(yù)報(bào)中得到了廣泛應(yīng)用。隨著遼寧省更多地震儀器安裝項(xiàng)目的完成，地震臺(tái)站和無(wú)人地震臺(tái)站的數(shù)量和地震儀器設(shè)備逐步增多，因此全面保證地震儀器數(shù)據(jù)連續(xù)率十分重要，對(duì)于逐漸增多的地震儀器，維修維護(hù)工作要求更高，地震儀器維修維護(hù)技術(shù)水平急需提高。如何保證數(shù)字設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，以提供連續(xù)、準(zhǔn)確、可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)，是地震工作者的一項(xiàng)重要工作[1]。無(wú)線遠(yuǎn)程控制技術(shù)是傳統(tǒng)的有線控制技術(shù)和現(xiàn)代先進(jìn)的無(wú)線遠(yuǎn)程通訊相結(jié)合而發(fā)展起來(lái)的一種控制技術(shù)。也正是因?yàn)槿谌肓爽F(xiàn)代先進(jìn)的無(wú)線遠(yuǎn)程通訊技術(shù)，無(wú)線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)具有了傳統(tǒng)有線控制系統(tǒng)無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)：通訊范圍極為廣泛、系統(tǒng)投資少經(jīng)濟(jì)性好、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等[2]。地震觀測(cè)儀器遠(yuǎn)程電源控制器從2014 年至今已在遼寧省地震系統(tǒng)推廣使用，現(xiàn)已有十余家單位使用本監(jiān)控設(shè)備[3]，使用過(guò)程中，在地震臺(tái)站設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)程控制重啟相關(guān)設(shè)備或啟動(dòng)備用設(shè)備進(jìn)行工作，并可有效解決地震數(shù)據(jù)采集器、交換機(jī)、路由器、光貓等設(shè)備的死機(jī)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程斷電重啟等功能，可在極大程度上節(jié)省地震子臺(tái)儀器維護(hù)的相關(guān)人力成本和經(jīng)費(fèi)[4]，大多故障經(jīng)過(guò)處理，10 分鐘內(nèi)信號(hào)就可以恢復(fù)正常。該設(shè)備既解決了地震臺(tái)站遠(yuǎn)程維護(hù)問(wèn)題，增強(qiáng)了現(xiàn)有地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行保障能力，同時(shí)又減少了測(cè)震信號(hào)斷記時(shí)間。地震觀測(cè)儀器遠(yuǎn)程電源控制器功能與更普通地震儀器供電電源相比，功能相對(duì)較多，電路更復(fù)雜，維修難度也相對(duì)較大，其核心部分單片機(jī)、電源模塊、繼電器等用于數(shù)字控制和數(shù)據(jù)處理的數(shù)字電路發(fā)生故障的幾率較小，但在受外力作用和環(huán)境因素，如潮濕、雷擊等還是有發(fā)生故障的可能。筆者作為儀器研制和開(kāi)發(fā)人員，結(jié)合多年的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)地總結(jié)分析了地震遠(yuǎn)程電源控制儀器常見(jiàn)的故障問(wèn)題，并給出了相應(yīng)的維修和解決方法，可供廣大維修人員參考。

1 地震觀測(cè)儀器遠(yuǎn)程電源控制器主要結(jié)構(gòu)

地震觀測(cè)儀器遠(yuǎn)程電源控制器主要有220V轉(zhuǎn)12VDC 兵裝開(kāi)關(guān)電源、電路板和Q2403 通迅模塊三大部分組成。兵裝開(kāi)關(guān)電源相對(duì)于普通開(kāi)關(guān)電源，參數(shù)完全符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，雖然價(jià)格高，但是質(zhì)量更好，壽命更長(zhǎng)。兵裝開(kāi)關(guān)電源外殼采用鋁合金材質(zhì)，內(nèi)部風(fēng)扇穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速高，這兩點(diǎn)使得開(kāi)關(guān)電源散熱性好。電路板終端采用Atmel 公司生產(chǎn)的AT89S52 單片機(jī)作為監(jiān)控處理核心。為存儲(chǔ)一些數(shù)據(jù)和內(nèi)容，在AT89S52 單片機(jī)外部，擴(kuò)展安裝了一片可以擦除非易失串行EEPROM 存儲(chǔ)器AT24C02（2 Kbit），該器件具有兩線串行接口、雙向數(shù)據(jù)傳輸握手、硬件數(shù)據(jù)寫(xiě)保護(hù)、八字節(jié)頁(yè)寫(xiě)方式和獨(dú)立定時(shí)的寫(xiě)周期（10ms 最大）等特點(diǎn)，可在1.8～5.5V寬電源范圍內(nèi)可靠工作，該芯片在掉電后仍然能夠保存所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，可保證100000 次擦/寫(xiě)周期和有效保存數(shù)據(jù)10 年[5]。為了使監(jiān)控單元能夠與Q2403 模塊通訊，通信接口選用正負(fù)15kV 靜電電擊保護(hù)的MAX232E 芯片完成TTL和RS232 電平轉(zhuǎn)換[6]。Q2403 負(fù)責(zé)短信的收發(fā)。監(jiān)控單元?jiǎng)t用來(lái)讀取Q2403 收到的短信，并執(zhí)行相應(yīng)的監(jiān)控操作。兩者之間通過(guò)RS232 串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。具體的硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 地震觀測(cè)儀器遠(yuǎn)程電源控制器主要結(jié)構(gòu)Fig.1 Main structure of remote power controller for seismic observation instrument

2 常見(jiàn)故障及解決方法和工具

通過(guò)對(duì)2015 到2021 年遼寧省多個(gè)地震臺(tái)站內(nèi)地震觀測(cè)儀器遠(yuǎn)程電源控制器維修維護(hù)工作的總結(jié)分析，可得出儀器故障主要有三大方面，即開(kāi)關(guān)電源或電源模塊故障、通訊故障和繼電器故障，下文主要針對(duì)這三大方面故障進(jìn)行了詳細(xì)的分析并提出解決方法。維修地震觀測(cè)儀器遠(yuǎn)程電源控制器需要用到專業(yè)的電子維修工具，如測(cè)量電壓電流和電路通斷需要用電子萬(wàn)用表，更換電子元器件的工具需要恒溫電烙鐵和吸錫器或吸錫條。恒溫電電烙鐵使用溫度一般設(shè)定在在200～300℃左右，過(guò)低的溫度焊錫不容易化，過(guò)高的溫度會(huì)使電路板焊盤(pán)脫落，嚴(yán)重?fù)p壞電路板；吸錫器最好使用恒溫電子吸錫器或吸錫條，電子吸錫器使用溫度也一般設(shè)定在200～300℃左右，防止焊盤(pán)脫焊；吸錫條需要配合恒溫電烙鐵使用，吸錫條墊在恒溫電烙鐵下面進(jìn)行吸除焊錫，使得電路板不會(huì)短時(shí)間內(nèi)局部過(guò)熱，這兩種工具都能更好的保護(hù)電路板，更容易清除電路板上的焊錫。

2.1 開(kāi)關(guān)電源或電源模塊故障及解決方法

地震觀測(cè)儀器遠(yuǎn)程電源控制器供電手段主要有開(kāi)關(guān)電源和電源模塊，一種是220VAC 轉(zhuǎn)12VDC 開(kāi)關(guān)電源，另一種是12VDC 轉(zhuǎn)5VDC電源模塊。

（1）外部電源指示燈不亮問(wèn)題：電源指示燈不亮，有兩種故障可能，第一是電源開(kāi)關(guān)機(jī)指示燈故障，如用萬(wàn)用表測(cè)量電源開(kāi)關(guān)通斷不正常，此時(shí)需要更換電源開(kāi)關(guān)；第二是電源模塊（圖2）故障，地震遠(yuǎn)程電源控制儀器前端采用220VAC 轉(zhuǎn)12VDC 開(kāi)關(guān)電源，首先萬(wàn)用表檢測(cè)外部220V 輸入供是否正常，以及供電線是否插緊，接下來(lái)用萬(wàn)用表檢測(cè)220VAC 轉(zhuǎn)12VDC 開(kāi)關(guān)電源輸入端是否有220V 交流電的輸入，如果有則需檢測(cè)開(kāi)關(guān)電源輸出端有沒(méi)有12V 直流輸出；如無(wú)輸出則可判斷開(kāi)關(guān)電源損壞，更換220VAC 轉(zhuǎn)12VDC 開(kāi)關(guān)電源即可。

圖2 220VAC-12VDC 電源模塊Fig.2 220VAC-12VDC switching power supply

（2）12VDC 轉(zhuǎn)5VDC 電源模塊發(fā)熱嚴(yán)重問(wèn)題：可能是因?yàn)槌睗竦葐?wèn)題導(dǎo)致12VDC 轉(zhuǎn)5VDC 電源模塊與地短路，地震遠(yuǎn)程電源控制儀器采用LM1086 作為5V 電源模塊，根據(jù)LM1086 的引腳圖（圖3a）。用萬(wàn)用表測(cè)量LM1086 引腳電壓是否為正常工作電壓，并把萬(wàn)用表調(diào)到通斷檔位，測(cè)量LM1086 的引腳焊盤(pán)與接地焊盤(pán)（圖3b）之間是否短路，如果短路需要清理焊盤(pán)原有的焊錫，分割接地焊盤(pán)和引腳焊盤(pán)之間的電路使其斷路，再更換新的電源模塊。

圖3 LM1086 引腳和焊盤(pán)Fig.3 LM1086 pin and pad

2.2 通信故障及解決方法

地震觀測(cè)儀器遠(yuǎn)程電源控制器的通訊故障問(wèn)題比較復(fù)雜，主要分為兩種情況。

（1）通訊無(wú)法收到指令也無(wú)法回復(fù)指令：第一種可能是本身所用的通訊模塊有問(wèn)題，通訊模塊的型號(hào)為WAVECOM 公司生產(chǎn)的Q2403模塊，Q2403 模塊內(nèi)部主要由ARM9 處理器、電源電路、射頻電路、存儲(chǔ)器、音頻電路、SIM 卡電路等部分組成，通過(guò)60 腳的通用接口，與外圍電路連接。外圍電路包括電源電路，監(jiān)控電路，串行通信接口電路，SIM 卡座電路和天線等[7]，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般不單獨(dú)維修，整個(gè)模塊更換即可；第二種可能由于沒(méi)有及時(shí)向聯(lián)通公司欠費(fèi)所導(dǎo)致業(yè)務(wù)停機(jī)，這種情況比較少見(jiàn)。

（2）通訊可以接收到指令信息卻無(wú)法反饋回復(fù)信息：首先要排除電路板通訊區(qū)域是否是MAX232e 芯片故障引起的問(wèn)題與串口線是否斷路問(wèn)題，用萬(wàn)用表繼續(xù)測(cè)量串口連接線通斷，如果有斷路或焊點(diǎn)脫焊虛連，則需更換連接線或用電烙鐵重新加固焊點(diǎn)；其次有可能是MAX232芯片損壞，電子系統(tǒng)絕大部分都采用單電源供電，而系統(tǒng)中特別是一些儀器儀表中的模擬和轉(zhuǎn)換器件又常常需要雙電源供電。MAX232 芯片（圖4a）是最常用的單電源供電RS232 標(biāo)準(zhǔn)串行電平轉(zhuǎn)換芯片，可將0～5V 的供電電壓轉(zhuǎn)化為正負(fù)10V 電壓[8]。根據(jù)芯片引腳圖（圖4b）測(cè)量引腳電壓是否為正常工作電壓，如果不是正常電壓，可判斷模塊損壞，此時(shí)需要更換MAX232e 模塊；最后有可能是因?yàn)樵骷軗p所導(dǎo)致，主要涉及元器件有核心單片機(jī)AT89S52以及上方的10k 排阻（圖5）和非易失儲(chǔ)存器AT24C02（圖6）。AT24Cxx 系列芯片優(yōu)點(diǎn)較多，受到了廣大電子工程師的喜愛(ài)，因此應(yīng)用非常廣泛。由于其具有I2C 結(jié)構(gòu)，必須在時(shí)鐘的嚴(yán)格控制之下進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸[9]。以上所述元器件有其中一個(gè)受損都會(huì)造成通訊可以接收到指令信息卻無(wú)法反饋回復(fù)信息，檢測(cè)時(shí)首先測(cè)量排阻每個(gè)點(diǎn)阻值為10k，不正常更換排阻；然后更換核心單片機(jī)AT89S52 還有非易失儲(chǔ)存器AT24C02，由此判斷出是否是AT89S52和AT24C02的問(wèn)題，如果是，更換即可。

圖4 MAX232 芯片和引腳Fig.4 MAX232 chip and pin

圖5 AT89S52 芯片F(xiàn)ig.5 AT89S52

圖6 AC24C02 芯片F(xiàn)ig.6 AC24C02

2.3 繼電器失效故障及解決方法

地震遠(yuǎn)程電源控制儀器繼電器失效問(wèn)題，主要涉及兩種元器件，一種是電子開(kāi)關(guān)CD4066（圖7a）損壞，另一種是繼電器本身?yè)p壞。電子開(kāi)關(guān)CD4066 是四雙向模擬開(kāi)關(guān)，廣泛應(yīng)用于電子技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域[10]，根據(jù)CD4066 的引腳圖（圖7b），用萬(wàn)用表測(cè)量CD4066 是否為正常工作狀態(tài)，不是則更換；排除CD4066 開(kāi)關(guān)問(wèn)題后，接下來(lái)排除固態(tài)繼電器（圖8）的故障問(wèn)題，繼電器在控制電路與保護(hù)電路中起到信號(hào)轉(zhuǎn)換作用。執(zhí)行元件接通和斷開(kāi)控制電器的產(chǎn)品種類很多，常用的有電流繼電器，中間繼電器、固態(tài)繼電器，時(shí)間繼電器，熱繼電器[11]。固態(tài)繼電器，是由微電子電路、分立電子器件、電力電子功率器件組成的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。用隔離器件實(shí)現(xiàn)了控制端與負(fù)載端的隔離。固態(tài)繼電器的輸入端用微小的控制信號(hào)，達(dá)到直接驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載[12]。用萬(wàn)用表測(cè)量得到儀器收到開(kāi)關(guān)指令后是否有正常的電壓改變，如果繼電器不能正常工作則需更換繼電器。

圖7 CD4066 芯片和引腳圖Fig.7 CD4066 chip and pin

圖8 固態(tài)繼電器Fig.8 Solid state relay

3 結(jié)論

本文基于遠(yuǎn)程電源控制器的主要結(jié)構(gòu)，結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)，從電源模塊故障、通信故障、繼電器故障三方面詳細(xì)分析總結(jié)了地震觀測(cè)儀器遠(yuǎn)程電源控制器常見(jiàn)的故障和維修解決方法。地震觀測(cè)無(wú)人值守臺(tái)站這種運(yùn)行模式是目前地震觀測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)，它不僅可以減少臺(tái)站人員編制，節(jié)約人員經(jīng)費(fèi)，還可以提高地震觀測(cè)資料質(zhì)量，但也對(duì)遠(yuǎn)程電源控制器的穩(wěn)定性和故障解決的及時(shí)性要求更高。作為儀器的開(kāi)發(fā)人員和維修人員，應(yīng)該積極推廣儀器結(jié)構(gòu)原理和維修知識(shí)，以便提高維修工作者的設(shè)備維護(hù)效率并降低維修成本，從而保證地震儀器數(shù)據(jù)采集的連續(xù)率。