CS5460A在路燈單燈監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：為了更精確地對(duì)城市的路燈進(jìn)行智能監(jiān)控，采用CS5460A及MC13213組成單燈測(cè)控節(jié)點(diǎn)，將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到照明監(jiān)控系統(tǒng)中去。詳細(xì)論述了單燈測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程及CS5460A的編程配置。系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、精度高、成本低等特點(diǎn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：CS5460A；MC13213；采集

引言
    隨著無線通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，城市照明監(jiān)控技術(shù)也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前國內(nèi)很多公司都開發(fā)了智能城市照明監(jiān)控系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)都存在一個(gè)問題：?jiǎn)螣魻顟B(tài)監(jiān)控的精度不高，無法精確得知單燈在運(yùn)行時(shí)電壓值、電流值等指標(biāo)。
    為了解決上述問題，現(xiàn)采用CS5460A對(duì)單燈的電壓有效值、電流有效值等進(jìn)行精確檢測(cè)，然后將單燈的狀態(tài)值通過城市照明監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)上傳到后臺(tái)服務(wù)器，以便實(shí)時(shí)精確監(jiān)控照明設(shè)施的運(yùn)行狀況。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 單燈監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)
    照明監(jiān)控系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為三類：協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)。路端單燈測(cè)控器由路由節(jié)點(diǎn)或終端節(jié)點(diǎn)加上外圍采集控制模塊構(gòu)成，其作用是接收主控發(fā)送的命令，對(duì)路燈進(jìn)行控制和狀態(tài)的采集。各節(jié)點(diǎn)均采用Freescale公司生產(chǎn)的2.4GHz射頻芯片MC13213，它采用Freescale公司的低電壓、低功耗HCS08核心，并帶有嵌入式閃存、10位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、低壓中斷和鍵盤中斷等功能。MC13213支持專用點(diǎn)到點(diǎn)，簡(jiǎn)單星形以及MASH網(wǎng)絡(luò)，采用Figure 8 Wireless Z-stack的符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)。
    CS5460A是一個(gè)包含2個(gè)△-∑模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、功率計(jì)算功能、電能到頻率轉(zhuǎn)換器和1個(gè)串行接口的完整的功率測(cè)量芯片。它可以精確測(cè)量瞬時(shí)電壓值、電流值和計(jì)算Irms、Vrms、瞬時(shí)功率、有功功率、無功功率。
    采集到的路燈的電壓值、電流值可以通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)及GPRS上傳到后臺(tái)服務(wù)器，以便對(duì)整條路的路燈狀態(tài)進(jìn)行更好的監(jiān)測(cè)。單燈監(jiān)控系統(tǒng)主要由MC13213模塊和CS5460A采樣電路組成，同時(shí)包含繼電器控制電路。單燈測(cè)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

1．2 采集電路的設(shè)計(jì)
    CS5460A的電壓通道的最大有效值輸入為250 mV。電流通道集成有一個(gè)增益可編程放大器(PGA)，輸入的電平最大有效值可為250 mV或50 mV。由于CS5460A的△-∑調(diào)制器采用了過采樣原理，對(duì)高頻信號(hào)噪聲有很強(qiáng)的抑制性，因此輸入信號(hào)無需進(jìn)行復(fù)雜的濾波處理。

    圖2是本系統(tǒng)檢測(cè)電壓和電流輸入采樣電路。其中PWR_L為被測(cè)交流電中的火線，PWR_N為被測(cè)交流電中的零線，LOAD為連接負(fù)載的交流火線。圖中電壓互感器采用的是TV1005-1M，它是一種電流型電壓互感器。電流互感器采用的是TA1005-1M，它采用電阻法獲得互感電壓。其中的二極管D1～D4起到保護(hù)電路的作用。
1．3 CS5460A的接口設(shè)計(jì)
    CS5460A的串行口包括CS、SDI、SDO、SCLK 4條控制線，與MC13213的I／O口連接十分方便。MC13213對(duì)CS5460A的操作通過寫一些命令字節(jié)來實(shí)現(xiàn)的，傳輸方式通過I／O接口來模擬SPI傳輸。其中命令字包括對(duì)寄存器的讀寫及對(duì)CS5460A的校準(zhǔn)，初始化配置等。設(shè)置CS5460A的數(shù)據(jù)輸入SDI、數(shù)據(jù)輸出SDO、串行時(shí)鐘SCLK、片選CS、復(fù)位引腳RESET分別與MC13213的PTA1～PTA5相連，在進(jìn)行測(cè)量之前要先對(duì)CS5460A進(jìn)行復(fù)位。CS5460A與MC13213的接口電路如圖3所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 MC13213程序
    MC13213的程序設(shè)計(jì)方案包括動(dòng)態(tài)連接網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用控制程序。動(dòng)態(tài)連接網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)查詢網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，建立通信鏈路。數(shù)據(jù)采集包括路燈狀態(tài)的采集、處理及保存。應(yīng)用控制程序負(fù)責(zé)執(zhí)行控制命令等功能。其中對(duì)路燈狀態(tài)采集通過CS5460A獲得。對(duì)CS5460A的操作主要包括CS5460A的校準(zhǔn)，I／O口模擬的SPI接口初始化，CS5460A初始化，電壓有效值寄存器、電流有效值寄存器及有功功率寄存器的數(shù)據(jù)讀取。MC13213對(duì)CS5460A的操作流程如圖4所示。

2．2 I／O口模擬SPI
    (1)字節(jié)發(fā)送
    MC13213的I／O端口PTA3為時(shí)鐘信號(hào)線(SCLK)，PTA2是數(shù)據(jù)信號(hào)輸出線(SDO)。在PTA3制造一個(gè)電平變化，輸出數(shù)據(jù)data的高位BIT7，data中的數(shù)據(jù)依次右移一位，再將PTA3的電平變化一次，又一次輸出data的高位。這時(shí)，輸出的就是原來data中的次高位BIT6位，如此重復(fù)，data右移8次就完成了一個(gè)字節(jié)的輸出。
    (2)字節(jié)接收
    同樣的原理，把PTA3的輸出電平拉高，制造一個(gè)高電平，檢測(cè)輸入腳PTA1(SDI)的電平，記入data中，把PTA3的輸出電平拉低，就完成了一個(gè)字節(jié)位的接收。然后將PTA3的輸出電平拉高，制造一個(gè)高電平，再次檢測(cè)輸入腳PTA1的電平記入data中，如此8次后就收到了一個(gè)字節(jié)。
2．3 CS5460A校準(zhǔn)
    為了提高CS5460A的實(shí)際測(cè)量準(zhǔn)確度，在開始測(cè)量前要對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。CS5460A提供DC偏移校準(zhǔn)，AC偏移校準(zhǔn)以及AC增益校準(zhǔn)。用戶通過設(shè)置校準(zhǔn)命令字中的相應(yīng)位來決定執(zhí)行哪種校準(zhǔn)。但不管是哪種校準(zhǔn)都有兩種模式：系統(tǒng)偏移校準(zhǔn)和系統(tǒng)增益校準(zhǔn)。偏移校準(zhǔn)時(shí)需提供零電壓和零電流信號(hào)，最后得到的實(shí)際測(cè)量值=線性值+偏移值。系統(tǒng)偏移校準(zhǔn)采用CS5460A內(nèi)部偏移校準(zhǔn)。
    最初系統(tǒng)增益校準(zhǔn)采用了CS5460A內(nèi)部增益校準(zhǔn)，即向增益寄存器寫入校準(zhǔn)值，但經(jīng)過實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)對(duì)于本系統(tǒng)隨著電流的變化，采用此種校準(zhǔn)方法得到的電流值線性度極差，無法達(dá)到使用要求。最終決定使用外部增益校準(zhǔn)。增益校準(zhǔn)實(shí)質(zhì)是乘法運(yùn)算的調(diào)整，得到的實(shí)際測(cè)量值=線性值×增益值。在實(shí)驗(yàn)中給出標(biāo)準(zhǔn)的5 A電流及220 V電壓來進(jìn)行外部手動(dòng)校準(zhǔn)，最終得到的Vgain=0x0166，Igain=0x015D，即：
    實(shí)際測(cè)量電壓值=線性電壓值×(0x0166／0x00FF)
    實(shí)際測(cè)量電流值=線性電流值×(0x015D／0x00FF)
2．4 CS5460A初始化
    CS5460A的工作時(shí)鐘MCIK選定為11．059 2 MHz，分頻系數(shù)K設(shè)為1，循環(huán)計(jì)數(shù)寄存器的N值設(shè)為4000，則一個(gè)基本的計(jì)算周期為(1024×N)／(MCLK／K)=1／2．7 s。
    當(dāng)CS5460A上電后，首先給復(fù)位脈沖到RESET引腳，然后再初始化CS5460A。CS5460A與MC13213的接口非常簡(jiǎn)單，但它的初始化命令較多，在使用上有一定的技巧，如使用不當(dāng)有時(shí)可能初始化不成功，引起芯片的轉(zhuǎn)換出錯(cuò)，使系統(tǒng)不能正常工作。所以在使用過程中將初始化過程反復(fù)凋試，編成通用子程序，使用時(shí)調(diào)用，可確保每次運(yùn)行的準(zhǔn)確、可靠。CS5460A初始化流程如圖5所示。

3 實(shí)測(cè)結(jié)果
    照明監(jiān)控系統(tǒng)中對(duì)單燈的狀態(tài)監(jiān)控包括末端電壓監(jiān)控及單燈電流監(jiān)控，即每條回路上只需一個(gè)末端電壓監(jiān)控的單燈，其他單燈監(jiān)控電流狀態(tài)。采集到的是電壓和電流的有效值。CS5460A采集的電壓和電流的有效A／D值到十進(jìn)制的實(shí)際值的換算公式如下：
     Vo=V／FFFF×300／0．6 Io=I／FFFF×5／0．6
    通過實(shí)測(cè)得到的電壓值結(jié)果如表1所列。

    通過實(shí)測(cè)得到的電流值結(jié)果如表2所列。

    從表1和表2中測(cè)量到的電壓和電流的值與實(shí)際的電壓和電流的值比較可以看出，測(cè)量的誤差范圍控制在1％以內(nèi)，達(dá)到了高精度測(cè)量的效果。

結(jié)語
    在蘇州科技園的某條道路上，采用本單燈監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)10個(gè)路燈進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，該系統(tǒng)可以達(dá)到預(yù)期的效果。本系統(tǒng)可將單燈的電壓和電流有效值等數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS實(shí)時(shí)上傳到服務(wù)器，不斷刷新，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)照明設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)精確監(jiān)控，便于對(duì)單燈進(jìn)行降功率控制等動(dòng)作判斷是否執(zhí)行命令，具有較高的實(shí)用價(jià)值。