一種基於DCDC模塊的防雷擊雷電流採集監測系統

2023-05-02 00:01:32

一種基於dcdc模塊的防雷擊雷電流採集監測系統
技術領域
1.本實用新型涉及雷電流採集監測技術領域，具體涉及一種基於dcdc模塊的防雷擊雷電流採集監測系統。


背景技術：

2.近年來，隨著智能化和網際網路技術的發展，雷電流監測裝置在通信網和其他領域大量使用。雷電流監測數據的準確性極為重要，是進行防雷設計、分析設備及網絡雷擊防護的依據。有的廠商從商業利益出發，提供不準確的數據，或者誇大雷擊電流數據，加大網絡建設和維護成本，降低網絡可靠性。因此，需要對雷電流進行數據採集，並對雷電情況進行實時監測。


技術實現要素：

3.本實用新型為了解決雷擊電流數據的精確程度，為解決上述技術問題，本實用新型採用以下技術方案，對雷電情況進行實時監測：
4.一種基於dcdc模塊的防雷擊雷電流採集監測系統,其特徵在於：包括電源模塊、雷電流採集模塊、大氣電場採集模塊、外部通信模塊、主核心板、lcd模塊、蜂鳴器模塊，雷電流採集模塊的輸出端接入主核心板，大氣電場採集模塊、外部通信模塊分別與主核心板雙向連接，電源模塊用於提供電源電壓、模擬電源電壓、參考電壓，雷電流採集模塊用於採集雷電信號，大氣電場模塊用於採集大氣電場信號，外部通信模塊用於與外部預設設備通信，主核心板分別與lcd模塊、蜂鳴器模塊連接，lcd模塊用於顯示雷電流採集模塊結果；蜂鳴器用於檢測到系統電壓過載危險信號時進行警報。
5.優選的，所述電源模塊包括主電源電路、模擬電源電路、參考電壓電路，
6.主電源電路包括保險絲f1、壓敏電阻mov1、壓敏電阻mov2、壓敏電阻mov3、陶瓷放電管gd1、tvs管d38、電解電容c31、電解電容c32、電解電容c38、電解電容c39、電容c29、電容c30、電容c33、電容c34、電容c35、電容c36、電容c37、電容c40、電阻r58、電阻r59、電阻r60、電阻r61、電阻r62、電阻r63、二極體d29、二極體d30、發光二極體d31、發光二極體d32、發光二極體d33、共模電感lcm1、dcdc模塊u14、dcdc模塊u15、電感l1、電感l2、反相穩壓器u16，壓敏電阻mov2的一端為主電源電路的輸入端接，預設直流電源經保險絲f1接壓敏電阻mov2的一端為主電源電路供電，壓敏電阻mov2的一端分別與壓敏電阻mov1的一端、tvs管d38的一端、電解電容c31的陽極、電容c33的一端、共模電感lcm1的第一輸入端連接，壓敏電阻mov1的另一端分別與壓敏電阻mov3的一端、陶瓷放電管gd1的輸入端連接，陶瓷放電管gd1的輸出端接地線，壓敏電阻mov2的另一端、壓敏電阻mov3的另一端、tvs管d38的另一端、電解電容c31的陰極、電容c33的另一端、共模電感lcm1的第二輸入端接地，共模電感lcm1第一輸出端接電解電容c32的陽極並輸出電源電壓，共模電感lcm1第二輸出端接電解電容c32的陰極並接地；電容c35的一端分別接電源電壓、dcdc模塊u15的輸入引腳，電容c35的另一端分別接地、dcdc模塊u15的gnd引腳，dcdc模塊u15的輸出引腳與輸出調整引腳間串聯電容c34，
dcdc模塊u15的輸出引腳輸出第一電源電壓，dcdc模塊u15的輸出調整引腳接地；電容c29的一端分別接電源電壓、dcdc模塊u14的輸入引腳，電容c29的另一端分別接地、dcdc模塊u14的gnd引腳，dcdc模塊u14的輸出引腳與輸出調整引腳間串聯電容c30，dcdc模塊u145的輸出引腳輸出第二電源電壓，dcdc模塊u14的輸出調整引腳接地；第二電源電壓接入反相穩壓器u16的vin引腳與shdn引腳，並且第二電源電壓接電感l1的一端，電感l1的另一端分別接反相穩壓器u16的sw引腳、電容c36的一端，反相穩壓器u16的vc引腳接電阻r62的一端，電阻r62的另一端經電容c40接入反相穩壓器u16的gnd引腳，電容c36的另一端分別與反相穩壓器u16的nfb引腳之間串聯電阻r61，反相穩壓器u16的nfb引腳與gnd引腳之間串聯電阻r63,電容c36的另一端分別接二極體d29的陰極、二極體d30的陽極，二極體d29的陽極接電感l2的一端，電感l2的另一端分別接電容c37的一端、電解電容c38的陰極、電解電容c39的陰極並輸出第三電源電壓，電容c37的另一端、電解電容c38的陽極、電解電容c39的陽極、反相穩壓器u16的gnd引腳均接地；第一電源電壓經電阻r59、發光二極體d33接地，第二電源電壓經電阻r58、發光二極體d32接地，第三電源電壓分別經電阻r60、發光二極體d31接地，主電源模塊用於提供第一電源電壓、第二電源電壓、第三電源電壓；
7.模擬電源電路包括電感l3、電感l4、電解電容c71、電解電容c73、電容c72、電容c74, 電感l3的一端作為模擬電源電路的輸入端接第二電源電壓，並且電感l3的一端分別連接電解電容c71的陽極、電容c72的一端，電感l3的另一端作為模擬電源電路的輸出端輸出模擬電源電壓，並且電感l3的另一端分別連接電解電容c7的陽極、電容c74的一端，電解電容c7的陰極、電容c74的另一端、電感l4的一端接地，電解電容c71的陰極、電容c72的另一端、電感l4的另一端接地，模擬電源電路用於提供模擬電源電壓；
8.參考電壓電路包括電容c47、電容c48、電容c49、電壓基準晶片u17, 電壓基準晶片u17的vin引腳與en引腳連接，其連接節點為參考電壓電路的輸入端連接模擬電源電壓，電壓基準晶片u17的vin引腳與en引腳連接節點與電壓基準晶片u17的gnd引腳之間串聯電容c47，電壓基準晶片u17的vref引腳連接電容c48的一端並輸出參考電壓，電壓基準晶片u17的vbias引腳連接電容c49的一端並輸出中點參考電壓，電容c48的另一端、電容c49的另一端、電壓基準晶片u17的gnd引腳均接地，參考電壓電路用於提供參考電壓、中點參考電壓。
9.優選的，所述雷電流採集模塊包括電阻r1、電阻r2、電阻r3、電容c2、電容c3、電阻r15、電阻r16、電阻r17、電阻r18、電阻r19、電阻r21、電阻r22、電容c9、電容c13、運算放大器u1a、運算放大器u1b、電阻r4、電容c1、電容c4、電容c7、二極體d1、二極體d2、運算放大器u4a；
10.電阻r1的一端作為雷電流採集模塊的輸入端經sma接頭j1接收由羅氏線圈採集到的雷電信號，電阻r1的另一端分別接電容c2的一端、電容c3的一端、電阻r2的一端，電容c1的另一端、電容c2的另一端接地，電阻r2的另一端接電阻r3的一端，電阻r3的另一端接電阻r19的一端，電阻r19的另一端分別接電阻r17的一端、電阻r21的一端、運算放大器u1a的反相輸入端，電阻r17的另一端接中點參考電壓，電阻r21的另一端分別連接運算放大器u1a的輸出端、電阻r18的一端，運算放大器u1a的同相輸入端通過電阻r15接地，運算放大器u1a的正電源端分別接第一電源電壓、電容c9的一端，運算放大器u1a的負電源端分別接第三電源電壓、電容c13的一端，電容c13的另一端接地，電容c9的另一端分別接地、電阻r16的一端，電阻r16的另一端接運算放大器u1b的同相輸入端，電阻r18的另一端分別接電阻r22的一
端、運算放大器u1b的反相輸入端，電阻r22的另一端接運算放大器u1b的輸出端，運算放大器u1b的輸出端連接電阻r4的一端，電阻r4的另一端分別連接電容c4的一端、運算放大器u4a的同相輸入端，運算放大器u4a的正電源端分別接第一電源電壓、電容c1的一端，電容c1的另一端接地，運算放大器u4a的負電源端分別接第三電源電壓、電容c7的另一端，電容c7的另一端、電容c4的另一端均接地，運算放大器u4a的反相輸入端分別連接運算放大器u4a的輸出端、二極體d1的陽極、二極體d2的陰極，二極體d1的陰極接參考電壓、二極體d2的陽極接地, 運算放大器u4a的輸出端作為雷電流採集模塊的輸出端。
11.優選的，所述大氣電場採集模塊包括採樣晶片u20、電阻r74 、tvs管d37、壓敏電阻rv1、陶瓷氣體放電管gdt1、保險絲rt1、sma接頭j2, 保險絲rt1的一端作為大氣電場採集模塊的輸入端通過sma接頭j2接收大氣電場信號，保險絲rt1的另一端分別接陶瓷氣體放電管gdt1的陽極、壓敏電阻rv1的一端、tvs管d37的一端、電阻r74的一端，陶瓷氣體放電管gdt1的陰極、壓敏電阻rv1的另一端、tvs管d37的另一端均接地，電阻r74的另一端接採樣晶片u20的各模擬輸入端，採樣晶片u20的各輸出數據端將大氣電場數據傳輸給主核心板。
12.優選的，所述主核心板採用stm32f429核心板，所述採樣晶片u20採用ad7606。
13.優選的，所述外部通信模塊包括4g模塊、乙太網模塊、lora模塊、氣象百葉窗接口模塊、外擴接口模塊，4g模塊、乙太網模塊、lora模塊、氣象百葉窗接口模塊、外擴接口模塊分別與主核心板連接，主核心板分別通過4g模塊、乙太網模塊、lora模塊、氣象百葉窗接口模塊、外擴接口模塊與外部預設設備通信，4g模塊採用smart-7600ce晶片，乙太網模塊採用tcp-232晶片，lora模塊採用lora433晶片，氣象百葉窗接口模塊採用sn75176ad晶片，外擴接口模塊基於adm2483晶片與sp3232een晶片構成232接口與485接口，並將232接口與485接口通過擴展接口接入到同一個usart資源。
14.優選的，所述4g模塊包括dtu晶片u21、電容c28、電阻r48、電阻r50、三極體q4，dtu晶片u21的vin引腳接第一電源電壓，並且dtu晶片u21的vin引腳接電容c28的一端，dtu晶片u21的gnd引腳、電容c28的另一端接地，dtu晶片u21的rese引腳接三極體q4的集電極，三極體q4的基極分別接電阻r48的一端、電阻r50的一端，電阻r50的另一端、三極體q4的發射極接地，電阻r58的另一端、dtu晶片u21的rx2引腳、tx2的引腳接入主核心板；
15.所述乙太網模塊包括tcp晶片u12、電阻r56、電容c88，tcp晶片u12的reset引腳接電阻r56的一端，tcp晶片u12的gnd引腳接電容c88的一端，電容c88的另一端、tcp晶片u12的電源引腳接參考電壓，tcp晶片u12的rsti引腳、rxd引腳、txd引腳接入主核心板；
16.lora模塊包括lora晶片u13、電阻r57、電容c90，lora晶片u13的aux引腳接電阻r57的一端，lora晶片u13的vcc引腳、電容c90的一端、電阻r57的另一端接第一電源電壓，電容c90的另一端、lora晶片u13的地引腳接地，lora晶片u13的md0引腳、md1引腳、rxd引腳、txd引腳接入主核心板；
17.所述氣象百葉窗接口模塊包括電阻r6、電阻r8、電阻r11、電阻r14、電阻r20、電容c6、電容c12、肖特基二極體d9、三極體q1、tvs管d5、tvs管d7、tvs管d8、通訊晶片u2，電阻r20的一端接入主核心板，並且電阻r20的一端與肖特基二極體d9的陰極引腳連接，電阻r20的另一端分別連接肖特基二極體d9的第一陽極引腳、電容c12的一端，電容c12的另一端接地，肖特基二極體d9的第一陽極引腳連接三極體q1的基極，三極體q1的發射極接地，三極體q1的集電極分別連接電阻r8的一端、通訊晶片u2的接收器使能端與驅動器使能端，三極體q1
的發射極接地，電阻r8的另一端接第二電源電壓，通訊晶片u2的非反相端分別連接電阻r6的一端、電阻r11的一端、tvs管d5的一端、tvs管d8的一端，通訊晶片u2的反相端分別連接電阻r14的一端、tvs管d7的一端、電阻r11的另一端、tvs管d5的另一端，通訊晶片u2的電源端經電容c6接地，並且通訊晶片u2的電源端接第二電源電壓，電阻r6的另一端接第二電源電壓，電阻r14的另一端、tvs管d7的另一端、tvs管d8的另一端接地，通訊晶片u2的非反相端與反向端作為氣象百葉窗的接口，通訊晶片u2的驅動器使能端、驅動器輸出端、接收器使能端、接收器輸入端接入主核心板；
18.所述外擴接口模塊包括232接口晶片u6、485接口晶片u10、電阻r40、電阻r42、電阻r46、電阻r49、電阻r55、tvs管d21、tvs管d22、tvs管d23、肖特基二極體d24、電容c16、電容c17、電容c18、電容c19、電容c20、電容c82、三極體q3，電阻r55的一端接入主核心板，並且電阻r55的一端與肖特基二極體d24的陰極引腳連接，肖特基二極體d24的第一陽極引腳與三極體q3的基極連接，三極體q3的集電極分別連接電阻r40的一端、485接口晶片u10的驅動器使能端與接收器使能端，485接口晶片u10的a端引腳分別連接電阻r42的一端、電阻r46的一端、tvs管d21的一端、tvs管d23的一端，485接口晶片u10的b端引腳分別連接電阻r49的一端、tvs管d22的一端、電阻r46的另一端、tvs管d21的另一端，電阻r49的另一端、tvs管d22的另一端、tvs管d23的另一端、485接口晶片u10的地引腳均接地，485接口晶片u10的a端引腳與b端引腳作為485接口，485接口晶片u10的驅動器使能端、接收器使能端、發送數據端、接收數據端、pv端接入主核心板；232接口晶片u6的c1-端與c1+端之間串聯電容c16，232接口晶片u6的c2-端與c2+端之間串聯電容c20，232接口晶片u6的v+端與v-端之間順次串聯電容c17、電容c18、電容c19，232接口晶片u6的r2o引腳、t2o引腳接入主核心板，232接口晶片u6的r2i引腳、t2o引腳作為232接口。
19.優選的，還包括模擬量採集模塊、開關量模塊，模擬量採集模塊的輸出端接入主核心板，開關量模塊與主核心板雙向連接，模擬量採集模塊用於採集電流、電壓模擬量，開關量模塊用於傳遞開關量信號。
20.優選的，所述模擬量採集模塊包括至少一路電壓模擬量採集電路、以及至少一路電流模擬量採集電路，各路電壓模擬量採集電路結構均相同，各路電壓模擬量採集電路包括：電阻r7、電阻r9、電阻r10、電阻r12、電阻r13、電容c5、電容c8、電容c10、二極體d3、二極體d6、tvs管d4、運算放大器u3a、運算放大器u3b, 電阻r9的一端作為電壓模擬量採集電路的輸入端，並且電阻r9的一端連接tvs管d4的一端，tvs管d4的另一端接地，電阻r9的另一端分別連接電阻r7的一端、運算放大器u3a的同相輸入端，運算放大器u3a的反相輸入端分別連接電阻r12的一端、電阻r13的一端，電阻r12的另一端、電阻r7的另一端接地，電阻r13的另一端分別連接運算放大器u3a的輸出端、電阻r10的一端，運算放大器u3a的分別接第一電源電壓、電容c5的一端，運算放大器u3a的負電源端分別接電容c10的一端、第三電源電壓，電阻r10的另一端分別連接電容c8的一端、運算放大器u3b的同相輸入端，電容c10的另一端、電容c8的另一端均接地，運算放大器u3b的反相輸入端分別連接運算放大器u3b的輸出端、二極體d3的陽極、二極體d6的陰極，二極體d3的陰極接參考電壓，二極體d6的陽極接地，運算放大器u3b的輸出端為電壓模擬量採集電路的輸出端；
21.各路電流模擬量採集電路結構均相同，各路電流模擬量採集電路包括：電阻r28、電阻r31、電阻r32、電阻r33、電阻r36、電阻r37、電容c21、電容c22、電容c25、二極體d13、二
極管d16、tvs管d14、運算放大器u7a、運算放大器u7b, 電阻r31的一端作為電流模擬量採集電路的輸入端接收電流模擬量，並且電阻r9的一端分別連接tvs管d14的一端、電阻r32的一端，電阻r32的另一端、tvs管d14的另一端接地，電阻r31的另一端分別連接電阻r28的一端、運算放大器u7a的同相輸入端，運算放大器u3a的反相輸入端分別連接電阻r36的一端、電阻r37的一端，電阻r36的另一端、電阻r28的另一端接地，電阻r37的另一端分別連接運算放大器u7a的輸出端、電阻r33的一端，運算放大器u7a的正電源端分別接第一電源電壓、電容c21的一端，運算放大器u3a的負電源端分別接電容c25的一端、第三電源電壓，電容c21的另一端、電容c25的另一端接地，電阻r33的另一端分別連接電容c22的一端、運算放大器u3b的同相輸入端，電容c22的另一端接地，運算放大器u7b的反相輸入端分別連接運算放大器u7b的輸出端、二極體d13的陽極、二極體d16的陰極，二極體d13的陰極接參考電壓，二極體d16的陽極接地，運算放大器u7b的輸出端為電流模擬量採集電路的輸出端接入主核心板。
22.優選的，所述開關量模塊包括開入電路、開出電路，開入電路包括電阻rai、電容c85、電容c86、電容c87、電容c89，電阻rai為四電阻的排阻，電阻rai中四電阻的一端接第二電源電壓，電阻rai中四電阻的另一端分別經電容c85、電容c86、電容c87、電容c89接地，並且電阻rai中四電阻的另一端接入主核心板；
23.開出電路包括電阻r51、電阻r52、電阻r53、電阻r54、繼電器rl1、繼電器rl2、繼電器rl3、繼電器rl4、場效應管q5、場效應管q6、場效應管q7、場效應管q8、二極體d25、二極體d26、二極體d27、二極體d28，主核心板分別連接繼電器rl1、繼電器rl2、繼電器rl3、繼電器rl4的兩個觸點端子，繼電器rl1的線圈端子一端分別連接二極體d25的陰極、場效應管q5的漏極，二極體d25的陽極分別連接電阻r51的一端、繼電器rl1的線圈端子另一端；繼電器rl2的線圈端子一端分別連接二極體d26的陰極、場效應管q6的漏極，二極體d26的陽極分別連接電阻r52的一端、繼電器rl2的線圈端子另一端；繼電器rl3的線圈端子一端分別連接二極體d27的陰極、場效應管q7的漏極，二極體d27的陽極分別連接電阻r53的一端、繼電器rl3的線圈端子另一端；繼電器rl4的線圈端子一端分別連接二極體d28的陰極、場效應管q8的漏極，二極體d28的陽極分別連接電阻r54的一端、繼電器rl4的線圈端子另一端；場效應管q5、場效應管q6、場效應管q7、場效應管q8的源極均接第一電源電壓，電阻r51、電阻r52、電阻r53、電阻r54的另一端均接地，場效應管q5、場效應管q6、場效應管q7、場效應管q8的柵極連接雷電流採樣模塊。
24.本實用新型的有益效果：本實用新型提供了一種基於dcdc模塊的防雷擊雷電流採集監測系統，本系統實現了對從羅氏線圈採集到的雷電流進行採樣，對雷電情況進行實時監測，並可以通過選擇多種通信接口將實時數據上傳到後臺或其他設備。此外，本系統還採集大氣電場數據，並可擴展一定的模擬量輸入、開關量輸入和輸出。實現對雷電情況進行實時監測，提高了雷擊電流數據的準確性與可靠性。
附圖說明
25.圖1為系統結構示意圖；
26.圖2為主電源電路圖；
27.圖3為模擬電源電路圖；
28.圖4為參考電壓電路圖；
29.圖5為雷電流採集模塊電路圖；
30.圖6為大氣電場採集模塊電路圖；
31.圖7為模擬量採集模塊電路圖；
32.圖8為開關量模塊電路圖；
33.圖9為4g模塊電路圖；
34.圖10為乙太網模塊電路圖；
35.圖11為lora模塊電路圖；
36.圖12為氣象百葉窗接口模塊電路圖；
37.圖13為外擴接口模塊電路圖。
具體實施方式
38.下面結合附圖對本實用新型進行進一步說明。下面的實施例可使本專業技術人員更全面地理解本實用新型，但不以任何方式限制本實用新型。
39.本設計提供了一種基於dcdc模塊的防雷擊雷電流採集監測系統，本系統實現了對從羅氏線圈採集到的雷電流進行採樣，並可以通過選擇多種通信接口將實時數據上傳到後臺或其他設備。此外，系統還採集大氣電場數據，並可擴展一定的模擬量輸入、開關量輸入和輸出。為了方便系統擴展和升級，系統設計採用底板加模塊的方式構成。底板承接各個模塊之間的連接，模塊實現具體的功能。為了進一步加快開發進度，並且提高系統的穩定性，通信模塊多採用成熟的產品模塊實現。
40.一種基於dcdc模塊的防雷擊雷電流採集監測系統，如圖1所示，包括電源模塊、雷電流採集模塊、大氣電場採集模塊、外部通信模塊、主核心板、lcd模塊、蜂鳴器模塊，雷電流採集模塊的輸出端接入主核心板，所述主核心板採用stm32f429核心板，大氣電場採集模塊、外部通信模塊分別與主核心板雙向連接，電源模塊用於提供電源電壓、模擬電源電壓、參考電壓，雷電流採集模塊用於採集雷電信號，大氣電場模塊用於採集大氣電場信號，主核心板向大氣電場模塊傳輸電流信號，外部通信模塊用於與外部預設設備通信，主核心板分別與lcd模塊、蜂鳴器模塊連接，lcd模塊用於顯示雷電流採集模塊結果；蜂鳴器用於檢測到系統電壓過載危險信號時進行警報，即在大氣電場、雷電流、模擬量採集模塊，電壓過載時進行報警。
41.所述電源模塊包括主電源電路、模擬電源電路、參考電壓電路；如圖2所示，主電源電路包括保險絲f1、壓敏電阻mov1、壓敏電阻mov2、壓敏電阻mov3、陶瓷放電管gd1、tvs管d38、電解電容c31、電解電容c32、電解電容c38、電解電容c39、電容c29、電容c30、電容c33、電容c34、電容c35、電容c36、電容c37、電容c40、電阻r58、電阻r59、電阻r60、電阻r61、電阻r62、電阻r63、二極體d29、二極體d30、發光二極體d31、發光二極體d32、發光二極體d33、共模電感lcm1、dcdc模塊u14、dcdc模塊u15、電感l1、電感l2、反相穩壓器u16，壓敏電阻mov2的一端為主電源電路的輸入端接，預設直流電源經保險絲f1接壓敏電阻mov2的一端為主電源電路供電，壓敏電阻mov2的一端分別與壓敏電阻mov1的一端、tvs管d38的一端、電解電容c31的陽極、電容c33的一端、共模電感lcm1的第一輸入端連接，壓敏電阻mov1的另一端分別與壓敏電阻mov3的一端、陶瓷放電管gd1的輸入端連接，陶瓷放電管gd1的輸出端接地線，壓敏電阻mov2的另一端、壓敏電阻mov3的另一端、tvs管d38的另一端、電解電容c31的陰極、電
容c33的另一端、共模電感lcm1的第二輸入端接地，共模電感lcm1第一輸出端接電解電容c32的陽極並輸出電源電壓，共模電感lcm1第二輸出端接電解電容c32的陰極並接地；電容c35的一端分別接電源電壓、dcdc模塊u15的輸入引腳，電容c35的另一端分別接地、dcdc模塊u15的gnd引腳，dcdc模塊u15的輸出引腳與輸出調整引腳間串聯電容c34，dcdc模塊u15的輸出引腳輸出第一電源電壓，dcdc模塊u15的輸出調整引腳接地；電容c29的一端分別接電源電壓、dcdc模塊u14的輸入引腳，電容c29的另一端分別接地、dcdc模塊u14的gnd引腳，dcdc模塊u14的輸出引腳與輸出調整引腳間串聯電容c30，dcdc模塊u145的輸出引腳輸出第二電源電壓，dcdc模塊u14的輸出調整引腳接地；第二電源電壓接入反相穩壓器u16的vin引腳與shdn引腳，並且第二電源電壓接電感l1的一端，電感l1的另一端分別接反相穩壓器u16的sw引腳、電容c36的一端，反相穩壓器u16的vc引腳接電阻r62的一端，電阻r62的另一端經電容c40接入反相穩壓器u16的gnd引腳，電容c36的另一端分別與反相穩壓器u16的nfb引腳之間串聯電阻r61，反相穩壓器u16的nfb引腳與gnd引腳之間串聯電阻r63,電容c36的另一端分別接二極體d29的陰極、二極體d30的陽極，二極體d29的陽極接電感l2的一端，電感l2的另一端分別接電容c37的一端、電解電容c38的陰極、電解電容c39的陰極並輸出第三電源電壓，電容c37的另一端、電解電容c38的陽極、電解電容c39的陽極、反相穩壓器u16的gnd引腳均接地；第一電源電壓經電阻r59、發光二極體d33接地，第二電源電壓經電阻r58、發光二極體d32接地，第三電源電壓分別經電阻r60、發光二極體d31接地，電源電壓直接接地可能會導致短路，電流突然增大，超過負荷。所以先接電阻以及發光二極體起到保險警報作用。主電源模塊用於提供第一電源電壓、第二電源電壓、第三電源電壓；在本實施例中，主電源電路的輸出為第一電源電壓為12v、第二電源電壓為5v、第三電源電壓為-12v，總輸出功率為20w。5v用於數字邏輯部分的供電，包括核心板、多數通信模塊等，獨立採用金昇陽dcdc模塊實現，設計功率10w；12v用於4g模塊、氣象百葉窗模塊以及運放正偏置電壓供電，獨立採用金昇陽dcdc模塊實現，設計功率也為10w。-12v主要用於運放的負偏置電壓供電，採用開關電源電路從5v轉換得到，設計輸出功率可以達到5w。按照需求，電源模塊的輸入為24v直流電源供電，本設計從穩定性角度考慮，採用了寬範圍輸入的設計，輸入電壓範圍為9~36v，可以有效應對輸入電源的波動情況。電源模塊隔離等級設計為3kv，能夠應對大多數的隔離要求。電源的輸入進行了3級防雷擊設計，由壓敏電阻、陶瓷放電管和tvs管組成。並串入了一個2a快融，採用座式設計，可以方便地進行更換。在dcdc模塊之前，還串入了一個共模電感，可以有效地濾除共模幹擾。
42.為了減少數字電源中的紋波對模擬採樣的幹擾，本設計提供了模擬電源濾波電路，如圖3所示，模擬電源電路包括電感l3、電感l4、電解電容c71、電解電容c73、電容c72、電容c74, 電感l3的一端作為模擬電源電路的輸入端接第二電源電壓，並且電感l3的一端分別連接電解電容c71的陽極、電容c72的一端，電感l3的另一端作為模擬電源電路的輸出端輸出模擬電源電壓，並且電感l3的另一端分別連接電解電容c7的陽極、電容c74的一端，電解電容c7的陰極、電容c74的另一端、電感l4的一端接地，電解電容c71的陰極、電容c72的另一端、電感l4的另一端接地，模擬電源電路用於提供模擬電源電壓。
43.為了提高雷電流採樣的精度，降低電壓抬升過程中引入直流偏置誤差的問題，本設計採用了標準參考電壓電路提供給採樣電路。該電路可以提供標準3.3v參考電壓，並提供1.65v的中點參考電壓。如圖4所示，參考電壓電路包括電容c47、電容c48、電容c49、電壓
基準晶片u17, 電壓基準晶片u17的vin引腳與en引腳連接，其連接節點為參考電壓電路的輸入端連接模擬電源電壓，電壓基準晶片u17的vin引腳與en引腳連接節點與電壓基準晶片u17的gnd引腳之間串聯電容c47，電壓基準晶片u17的vref引腳連接電容c48的一端並輸出參考電壓，電壓基準晶片u17的vbias引腳連接電容c49的一端並輸出中點參考電壓，電容c48的另一端、電容c49的另一端、電壓基準晶片u17的gnd引腳均接地，參考電壓電路用於提供參考電壓、中點參考電壓。
44.作為本系統應用的核心部分，雷電流採集電路也採用了模塊方式進行設計，以方便後續的修改和升級。本採集電路包括積分電路、放大電路、電平抬升電路和濾波電路幾個部分。積分電路採用較為常用的rc積分電路，積分參數可以通過實驗進行調整。而考慮雷電流輸入信號為
±
10v，需要將其轉換為0~3.3v的ad輸入電平，因此設計中加入了放大電路進行電平轉換。電平抬升電路用於將負電平信號抬升到正值以便於ad電路進行採樣，為了防止抬升過程中引入直流偏置誤差。抬升電平採用了專用的參考電壓晶片ref2033，該晶片可以提供非常乾淨的3.3v和1.65v電平以供採樣電路使用。濾波電路採用rc濾波，並通過一級電壓跟隨電路改善輸出阻抗特性。考慮到本系統採用8/20us標準波形的要求進行設計，即雷電流波形頻率將達到100khz左右。為了能夠應對高速採樣的要求，則運算放大器必須具有足夠高的帶寬。本設計選用增益帶寬積達到50m的高速運算放大器晶片lt1361，完全能夠滿足雷電流信號的響應速度。如圖5所示，所述雷電流採集模塊包括電阻r1、電阻r2、電阻r3、電容c2、電容c3、電阻r15、電阻r16、電阻r17、電阻r18、電阻r19、電阻r21、電阻r22、電容c9、電容c13、運算放大器u1a、運算放大器u1b、電阻r4、電容c1、電容c4、電容c7、二極體d1、二極體d2、運算放大器u4a；電阻r1的一端作為雷電流採集模塊的輸入端經sma接頭j1接收由羅氏線圈採集到的雷電信號，電阻r1的另一端分別接電容c2的一端、電容c3的一端、電阻r2的一端，電容c1的另一端、電容c2的另一端接地，電阻r2的另一端接電阻r3的一端，電阻r3的另一端接電阻r19的一端，電阻r19的另一端分別接電阻r17的一端、電阻r21的一端、運算放大器u1a的反相輸入端，電阻r17的另一端接中點參考電壓，電阻r21的另一端分別連接運算放大器u1a的輸出端、電阻r18的一端，運算放大器u1a的同相輸入端通過電阻r15接地，運算放大器u1a的正電源端分別接第一電源電壓、電容c9的一端，運算放大器u1a的負電源端分別接第三電源電壓、電容c13的一端，電容c13的另一端接地，電容c9的另一端分別接地、電阻r16的一端，電阻r16的另一端接運算放大器u1b的同相輸入端，電阻r18的另一端分別接電阻r22的一端、運算放大器u1b的反相輸入端，電阻r22的另一端接運算放大器u1b的輸出端，運算放大器u1b的輸出端連接電阻r4的一端，電阻r4的另一端分別連接電容c4的一端、運算放大器u4a的同相輸入端，運算放大器u4a的正電源端分別接第一電源電壓、電容c1的一端，電容c1的另一端接地，運算放大器u4a的負電源端分別接第三電源電壓、電容c7的另一端，電容c7的另一端、電容c4的另一端均接地，運算放大器u4a的反相輸入端分別連接運算放大器u4a的輸出端、二極體d1的陽極、二極體d2的陰極，二極體d1的陰極接參考電壓、二極體d2的陽極接地, 運算放大器u4a的輸出端作為雷電流採集模塊的輸出端。
45.針對大氣電場採集模塊，為了保證能夠及時地對雷電流信號和大氣電場信號進行採樣，本設計採用了雙核結構。即採用另一個核心板單獨對大氣電場信號進行處理，再將處理後的數據通過串口轉給主控核心板，由主控核心板將數據上傳到後臺。大氣電場信號也通過了自恢復保險絲、陶瓷氣體放電管、壓敏電阻和tvs等防雷擊電路接入到採集模塊。採
集模塊採用16位高精度採樣晶片ad7606實現，該晶片可以直接處理
±
10v的模擬信號，採樣頻率達到了200k sps。採集模塊與大氣電場核心板之間通過16位並口相連，具有足夠快速的數據通道，滿足處理速度要求。如圖6所示，所述大氣電場採集模塊包括採樣晶片u20、電阻r74 、tvs管d37、壓敏電阻rv1、陶瓷氣體放電管gdt1、保險絲rt1、sma接頭j2, 保險絲rt1的一端作為大氣電場採集模塊的輸入端通過sma接頭j2接收大氣電場信號，保險絲rt1的另一端分別接陶瓷氣體放電管gdt1的陽極、壓敏電阻rv1的一端、tvs管d37的一端、電阻r74的一端，陶瓷氣體放電管gdt1的陰極、壓敏電阻rv1的另一端、tvs管d37的另一端均接地，電阻r74的另一端接採樣晶片u20的各模擬輸入端，採樣晶片u20的各輸出數據端將大氣電場數據傳輸給主核心板。
46.外部通信大多採用成熟的產品模塊，其外圍電路較為簡單，與核心板的接口主要是串口；所述外部通信模塊包括4g模塊、乙太網模塊、lora模塊、氣象百葉窗接口模塊、外擴接口模塊，4g模塊、乙太網模塊、lora模塊、氣象百葉窗接口模塊、外擴接口模塊分別與主核心板連接，主核心板分別通過4g模塊、乙太網模塊、lora模塊、氣象百葉窗接口模塊、外擴接口模塊與外部預設設備通信，4g模塊採用smart-7600ce晶片，乙太網模塊採用tcp-232晶片，lora模塊採用lora433晶片，氣象百葉窗接口模塊採用sn75176ad晶片，外擴接口模塊基於adm2483晶片與sp3232een晶片構成232接口與485接口，並將232接口與485接口通過擴展接口接入到同一個usart資源。
47.如圖9所示，所述4g模塊包括dtu晶片u21、電容c28、電阻r48、電阻r50、三極體q4，dtu晶片u21的vin引腳接第一電源電壓，並且dtu晶片u21的vin引腳接電容c28的一端，dtu晶片u21的gnd引腳、電容c28的另一端接地，dtu晶片u21的rese引腳接三極體q4的集電極，三極體q4的基極分別接電阻r48的一端、電阻r50的一端，電阻r50的另一端、三極體q4的發射極接地，電阻r58的另一端、dtu晶片u21的rx2引腳、tx2的引腳接入主核心板；如圖10所示，所述乙太網模塊包括tcp晶片u12、電阻r56、電容c88，tcp晶片u12的reset引腳接電阻r56的一端，tcp晶片u12的gnd引腳接電容c88的一端，電容c88的另一端、tcp晶片u12的電源引腳接參考電壓，tcp晶片u12的rsti引腳、rxd引腳、txd引腳接入主核心板；如圖11所示，所述lora模塊包括lora晶片u13、電阻r57、電容c90，lora晶片u13的aux引腳接電阻r57的一端，lora晶片u13的vcc引腳、電容c90的一端、電阻r57的另一端接第一電源電壓，電容c90的另一端、lora晶片u13的地引腳接地，lora晶片u13的md0引腳、md1引腳、rxd引腳、txd引腳接入主核心板；如圖12所示，所述氣象百葉窗接口模塊包括電阻r6、電阻r8、電阻r11、電阻r14、電阻r20、電容c6、電容c12、肖特基二極體d9、三極體q1、tvs管d5、tvs管d7、tvs管d8、通訊晶片u2，電阻r20的一端接入主核心板，並且電阻r20的一端與肖特基二極體d9的陰極引腳連接，電阻r20的另一端分別連接肖特基二極體d9的第一陽極引腳、電容c12的一端，電容c12的另一端接地，肖特基二極體d9的第一陽極引腳連接三極體q1的基極，三極體q1的發射極接地，三極體q1的集電極分別連接電阻r8的一端、通訊晶片u2的接收器使能端與驅動器使能端，三極體q1的發射極接地，電阻r8的另一端接第二電源電壓，通訊晶片u2的非反相端分別連接電阻r6的一端、電阻r11的一端、tvs管d5的一端、tvs管d8的一端，通訊晶片u2的反相端分別連接電阻r14的一端、tvs管d7的一端、電阻r11的另一端、tvs管d5的另一端，通訊晶片u2的電源端經電容c6接地，並且通訊晶片u2的電源端接第二電源電壓，電阻r6的另一端接第二電源電壓，電阻r14的另一端、tvs管d7的另一端、tvs管d8的另一端接地，通訊晶片
u2的非反相端與反向端作為氣象百葉窗的接口，通訊晶片u2的驅動器使能端、驅動器輸出端、接收器使能端、接收器輸入端接入主核心板；如圖13所示，所述外擴接口模塊包括232接口晶片u6、485接口晶片u10、電阻r40、電阻r42、電阻r46、電阻r49、電阻r55、tvs管d21、tvs管d22、tvs管d23、肖特基二極體d24、電容c16、電容c17、電容c18、電容c19、電容c20、電容c82、三極體q3，電阻r55的一端接入主核心板，並且電阻r55的一端與肖特基二極體d24的陰極引腳連接，肖特基二極體d24的第一陽極引腳與三極體q3的基極連接，三極體q3的集電極分別連接電阻r40的一端、485接口晶片u10的驅動器使能端與接收器使能端，485接口晶片u10的a端引腳分別連接電阻r42的一端、電阻r46的一端、tvs管d21的一端、tvs管d23的一端，485接口晶片u10的b端引腳分別連接電阻r49的一端、tvs管d22的一端、電阻r46的另一端、tvs管d21的另一端，電阻r49的另一端、tvs管d22的另一端、tvs管d23的另一端、485接口晶片u10的地引腳均接地，485接口晶片u10的a端引腳與b端引腳作為485接口，485接口晶片u10的驅動器使能端、接收器使能端、發送數據端、接收數據端、pv端接入主核心板；232接口晶片u6的c1-端與c1+端之間串聯電容c16，232接口晶片u6的c2-端與c2+端之間串聯電容c20，232接口晶片u6的v+端與v-端之間順次串聯電容c17、電容c18、電容c19，232接口晶片u6的r2o引腳、t2o引腳接入主核心板，232接口晶片u6的r2i引腳、t2o引腳作為232接口；外擴232/485接口主要用於現場調試或與相鄰設備進行通信，由於核心板資源限制，設計中將232與485電路接入到同一個usart資源。考慮到工業應用中設備通信主要採用485，而232一般用於調試。故在設計時對於232接口沒有採用隔離設計，而對於485接口則選用了隔離485模塊，隔離電壓等級為2.5kv。
48.另外，在本系統中還包括模擬量採集模塊、開關量模塊，模擬量採集模塊的輸出端接入主核心板，開關量模塊與主核心板雙向連接，模擬量採集模塊用於採集電流、電壓模擬量，開關量模塊用於傳遞開關量信號以濾除噪音和幹擾。本設計採用了標準直流信號的要求實現。電壓輸入為0~10v信號，電流輸入為0~40ma信號。採樣電路採用了一級放大電路，將10v信號轉換為3.3v信號。並採用一級rc濾波加電壓跟隨電路，以濾除噪聲幹擾和改善輸出阻抗特性。考慮採樣信號以直流信號為主，對於速度要求不高，故運算放大器採用了通用運放lm358。如圖7所示，所述模擬量採集模塊包括至少一路電壓模擬量採集電路、以及至少一路電流模擬量採集電路，各路電壓模擬量採集電路結構均相同，各路電壓模擬量採集電路包括：電阻r7、電阻r9、電阻r10、電阻r12、電阻r13、電容c5、電容c8、電容c10、二極體d3、二極體d6、tvs管d4、運算放大器u3a、運算放大器u3b, 電阻r9的一端作為電壓模擬量採集電路的輸入端，並且電阻r9的一端連接tvs管d4的一端，tvs管d4的另一端接地，電阻r9的另一端分別連接電阻r7的一端、運算放大器u3a的同相輸入端，運算放大器u3a的反相輸入端分別連接電阻r12的一端、電阻r13的一端，電阻r12的另一端、電阻r7的另一端接地，電阻r13的另一端分別連接運算放大器u3a的輸出端、電阻r10的一端，運算放大器u3a的分別接第一電源電壓、電容c5的一端，運算放大器u3a的負電源端分別接電容c10的一端、第三電源電壓，電阻r10的另一端分別連接電容c8的一端、運算放大器u3b的同相輸入端，電容c10的另一端、電容c8的另一端均接地，運算放大器u3b的反相輸入端分別連接運算放大器u3b的輸出端、二極體d3的陽極、二極體d6的陰極，二極體d3的陰極接參考電壓，二極體d6的陽極接地，運算放大器u3b的輸出端為電壓模擬量採集電路的輸出端；各路電流模擬量採集電路結構均相同，各路電流模擬量採集電路包括：電阻r28、電阻r31、電阻r32、電阻r33、電阻r36、
電阻r37、電容c21、電容c22、電容c25、二極體d13、二極體d16、tvs管d14、運算放大器u7a、運算放大器u7b, 電阻r31的一端作為電流模擬量採集電路的輸入端接收電流模擬量，並且電阻r9的一端分別連接tvs管d14的一端、電阻r32的一端，電阻r32的另一端、tvs管d14的另一端接地，電阻r31的另一端分別連接電阻r28的一端、運算放大器u7a的同相輸入端，運算放大器u3a的反相輸入端分別連接電阻r36的一端、電阻r37的一端，電阻r36的另一端、電阻r28的另一端接地，電阻r37的另一端分別連接運算放大器u7a的輸出端、電阻r33的一端，運算放大器u7a的正電源端分別接第一電源電壓、電容c21的一端，運算放大器u3a的負電源端分別接電容c25的一端、第三電源電壓，電容c21的另一端、電容c25的另一端接地，電阻r33的另一端分別連接電容c22的一端、運算放大器u3b的同相輸入端，電容c22的另一端接地，運算放大器u7b的反相輸入端分別連接運算放大器u7b的輸出端、二極體d13的陽極、二極體d16的陰極，二極體d13的陰極接參考電壓，二極體d16的陽極接地，運算放大器u7b的輸出端為電流模擬量採集電路的輸出端接入主核心板。也可以根據具體的設計需求，根據決堤的信號參數要求，選用不同的採樣電路。
49.在本實施例中，系統設計了4路開入和4路開出，開入採用電阻上拉，外部預留4個對地的幹接點。開出則採用4路繼電器輸出，採用宏發公司的hf32fa-t/012-hsl2繼電器，輸出觸點切換能力5a，觸點切換電壓交流250v，直流30v。另其隔離電壓等級可以達到5kv。如圖8所示，所述開關量模塊包括開入電路、開出電路，開入電路包括電阻rai、電容c85、電容c86、電容c87、電容c89，電阻rai為四電阻的排阻，電阻rai中四電阻的一端接第二電源電壓，電阻rai中四電阻的另一端分別經電容c85、電容c86、電容c87、電容c89接地，並且電阻rai中四電阻的另一端接入主核心板，對主核心板傳輸強弱電信號；開出電路包括電阻r51、電阻r52、電阻r53、電阻r54、繼電器rl1、繼電器rl2、繼電器rl3、繼電器rl4、場效應管q5、場效應管q6、場效應管q7、場效應管q8、二極體d25、二極體d26、二極體d27、二極體d28，主核心板分別連接繼電器rl1、繼電器rl2、繼電器rl3、繼電器rl4的兩個觸點端子，傳輸強弱電信號，繼電器rl1的線圈端子一端分別連接二極體d25的陰極、場效應管q5的漏極，二極體d25的陽極分別連接電阻r51的一端、繼電器rl1的線圈端子另一端；繼電器rl2的線圈端子一端分別連接二極體d26的陰極、場效應管q6的漏極，二極體d26的陽極分別連接電阻r52的一端、繼電器rl2的線圈端子另一端；繼電器rl3的線圈端子一端分別連接二極體d27的陰極、場效應管q7的漏極，二極體d27的陽極分別連接電阻r53的一端、繼電器rl3的線圈端子另一端；繼電器rl4的線圈端子一端分別連接二極體d28的陰極、場效應管q8的漏極，二極體d28的陽極分別連接電阻r54的一端、繼電器rl4的線圈端子另一端；場效應管q5、場效應管q6、場效應管q7、場效應管q8的源極均接第一電源電壓，電阻r51、電阻r52、電阻r53、電阻r54的另一端均接地，場效應管q5、場效應管q6、場效應管q7、場效應管q8的柵極連接雷電流採樣模塊，給定控制信號，emos根據外部信號大小控制繼電器通斷。開關量模塊用於傳遞開關量信號以濾除噪音和幹擾。
50.為了方便系統擴展和升級，系統設計採用底板加模塊的方式構成。底板承接各個模塊之間的連接，模塊實現具體的功能。為了進一步加快開發進度，並且提高系統的穩定性，通信模塊多採用成熟的產品模塊實現。底板pcb的上半部分，正面用於安裝lcd顯示屏，此設計以大多數機箱的上部作為顯示窗口作為依據。lcd的左邊為蜂鳴器和電池，蜂鳴器的位置也需要與面板設計進行配合。上半部分的背部，則作為主控429核心板的插座，作為整
個系統的主控板，其與各個通信模塊和採樣電路進行連接。底板pcb的中部分成左右兩個部分。左邊的正面有大氣電場核心板的插座，其背面則是用於進行大氣電場數據採樣的7606模塊插座。右邊的部分則由雷電流積分加採樣電路模塊、4g通信模塊兩個插座組成。
51.考慮到本系統的機箱都是掛置在野外，從防水防塵的設計角度來看，接口和引線大多從底部出入，所以本設計將所有的接線接口全部放置到了pcb板的底部。由於接口較多，在pcb的正反面大多都進行了放置。接口的放置位置和方式，也可以在後續的設計中與箱體設計部分進行配合調整。另外，電源模塊設計放置在底板的底下，通過底板下部右邊的接口與底板連接。
52.本實用新型設計了一種基於dcdc模塊的防雷擊雷電流採集監測系統，本系統實現了對從羅氏線圈採集到的雷電流進行採樣，對雷電情況進行實時監測，並可以通過選擇多種通信接口將實時數據上傳到後臺或其他設備。此外，本系統還採集大氣電場數據，並可擴展一定的模擬量輸入、開關量輸入和輸出。實現對雷電情況進行實時監測，提高了雷擊電流數據的準確性與可靠性。為了方便系統擴展和升級，系統設計採用底板加模塊的方式構成，底板承接各個模塊之間的連接，模塊實現具體的功能。
53.雖然本實用新型已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本實用新型。本實用新型所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本實用新型的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾。
54.以上僅為本實用新型的較佳實施例，但並不限制本實用新型的專利範圍，儘管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，對於本領域的技術人員來而言，其依然可以對前述各具體實施方式所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等效替換。凡是利用本實用新型說明書及附圖內容所做的等效結構，直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理在本實用新型專利保護範圍之內。