CS5460A在路燈單燈監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

摘要：為了更精確地對城市的路燈進行智能監(jiān)控，采用CS5460A及MC13213組成單燈測控節(jié)點，將ZigBee技術應用到照明監(jiān)控系統(tǒng)中去。詳細論述了單燈測控系統(tǒng)的設計過程及CS5460A的編程配置。系統(tǒng)具有電路簡單、體積小、功耗低、精度高、成本低等特點，具有較高的實用價值。
關鍵詞：CS5460A；MC13213；采集

引言
    隨著無線通信技術和計算機技術的飛速發(fā)展，城市照明監(jiān)控技術也有了長足的發(fā)展。目前國內很多公司都開發(fā)了智能城市照明監(jiān)控系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)都存在一個問題：單燈狀態(tài)監(jiān)控的精度不高，無法精確得知單燈在運行時電壓值、電流值等指標。
    為了解決上述問題，現(xiàn)采用CS5460A對單燈的電壓有效值、電流有效值等進行精確檢測，然后將單燈的狀態(tài)值通過城市照明監(jiān)控網絡上傳到后臺服務器，以便實時精確監(jiān)控照明設施的運行狀況。

1 系統(tǒng)硬件設計
1．1 單燈監(jiān)控系統(tǒng)架構
    照明監(jiān)控系統(tǒng)的ZigBee網絡中的節(jié)點分為三類：協(xié)調器、路由節(jié)點、終端節(jié)點。路端單燈測控器由路由節(jié)點或終端節(jié)點加上外圍采集控制模塊構成，其作用是接收主控發(fā)送的命令，對路燈進行控制和狀態(tài)的采集。各節(jié)點均采用Freescale公司生產的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／數轉換器、低壓中斷和鍵盤中斷等功能。MC13213支持專用點到點，簡單星形以及MASH網絡，采用Figure 8 Wireless Z-stack的符合ZigBee標準的網絡。
    CS5460A是一個包含2個△-∑模／數轉換器(ADC)、功率計算功能、電能到頻率轉換器和1個串行接口的完整的功率測量芯片。它可以精確測量瞬時電壓值、電流值和計算Irms、Vrms、瞬時功率、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網絡及GPRS上傳到后臺服務器，以便對整條路的路燈狀態(tài)進行更好的監(jiān)測。單燈監(jiān)控系統(tǒng)主要由MC13213模塊和CS5460A采樣電路組成，同時包含繼電器控制電路。單燈測控系統(tǒng)的整體架構如圖1所示。

1．2 采集電路的設計
    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△-∑調制器采用了過采樣原理，對高頻信號噪聲有很強的抑制性，因此輸入信號無需進行復雜的濾波處理。

    圖2是本系統(tǒng)檢測電壓和電流輸入采樣電路。其中PWR_L為被測交流電中的火線，PWR_N為被測交流電中的零線，LOAD為連接負載的交流火線。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起到保護電路的作用。
1．3 CS5460A的接口設計
    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CS5460A的操作通過寫一些命令字節(jié)來實現(xiàn)的，傳輸方式通過I／O接口來模擬SPI傳輸。其中命令字包括對寄存器的讀寫及對CS5460A的校準，初始化配置等。設置CS5460A的數據輸入SDI、數據輸出SDO、串行時鐘SCLK、片選CS、復位引腳RESET分別與MC13213的PTA1～PTA5相連，在進行測量之前要先對CS5460A進行復位。CS5460A與MC13213的接口電路如圖3所示。

2 系統(tǒng)軟件設計
2．1 MC13213程序
    MC13213的程序設計方案包括動態(tài)連接網絡，數據采集和應用控制程序。動態(tài)連接網絡負責查詢網絡設備，建立通信鏈路。數據采集包括路燈狀態(tài)的采集、處理及保存。應用控制程序負責執(zhí)行控制命令等功能。其中對路燈狀態(tài)采集通過CS5460A獲得。對CS5460A的操作主要包括CS5460A的校準，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據讀取。MC13213對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為時鐘信號線(SCLK)，PTA2是數據信號輸出線(SDO)。在PTA3制造一個電平變化，輸出數據data的高位BIT7，data中的數據依次右移一位，再將PTA3的電平變化一次，又一次輸出data的高位。這時，輸出的就是原來data中的次高位BIT6位，如此重復，data右移8次就完成了一個字節(jié)的輸出。
    (2)字節(jié)接收
    同樣的原理，把PTA3的輸出電平拉高，制造一個高電平，檢測輸入腳PTA1(SDI)的電平，記入data中，把PTA3的輸出電平拉低，就完成了一個字節(jié)位的接收。然后將PTA3的輸出電平拉高，制造一個高電平，再次檢測輸入腳PTA1的電平記入data中，如此8次后就收到了一個字節(jié)。
2．3 CS5460A校準
    為了提高CS5460A的實際測量準確度，在開始測量前要對其進行校準。CS5460A提供DC偏移校準，AC偏移校準以及AC增益校準。用戶通過設置校準命令字中的相應位來決定執(zhí)行哪種校準。但不管是哪種校準都有兩種模式：系統(tǒng)偏移校準和系統(tǒng)增益校準。偏移校準時需提供零電壓和零電流信號，最后得到的實際測量值=線性值+偏移值。系統(tǒng)偏移校準采用CS5460A內部偏移校準。
    最初系統(tǒng)增益校準采用了CS5460A內部增益校準，即向增益寄存器寫入校準值，但經過實測發(fā)現(xiàn)對于本系統(tǒng)隨著電流的變化，采用此種校準方法得到的電流值線性度極差，無法達到使用要求。最終決定使用外部增益校準。增益校準實質是乘法運算的調整，得到的實際測量值=線性值×增益值。在實驗中給出標準的5 A電流及220 V電壓來進行外部手動校準，最終得到的Vgain=0x0166，Igain=0x015D，即：
    實際測量電壓值=線性電壓值×(0x0166／0x00FF)
    實際測量電流值=線性電流值×(0x015D／0x00FF)
2．4 CS5460A初始化
    CS5460A的工作時鐘MCIK選定為11．059 2 MHz，分頻系數K設為1，循環(huán)計數寄存器的N值設為4000，則一個基本的計算周期為(1024×N)／(MCLK／K)=1／2．7 s。
    當CS5460A上電后，首先給復位脈沖到RESET引腳，然后再初始化CS5460A。CS5460A與MC13213的接口非常簡單，但它的初始化命令較多，在使用上有一定的技巧，如使用不當有時可能初始化不成功，引起芯片的轉換出錯，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凋試，編成通用子程序，使用時調用，可確保每次運行的準確、可靠。CS5460A初始化流程如圖5所示。

3 實測結果
    照明監(jiān)控系統(tǒng)中對單燈的狀態(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值到十進制的實際值的換算公式如下：
     Vo=V／FFFF×300／0．6 Io=I／FFFF×5／0．6
    通過實測得到的電壓值結果如表1所列。

    通過實測得到的電流值結果如表2所列。

    從表1和表2中測量到的電壓和電流的值與實際的電壓和電流的值比較可以看出，測量的誤差范圍控制在1％以內，達到了高精度測量的效果。

結語
    在蘇州科技園的某條道路上，采用本單燈監(jiān)控系統(tǒng)對10個路燈進行測試，經實際運行，該系統(tǒng)可以達到預期的效果。本系統(tǒng)可將單燈的電壓和電流有效值等數據通過ZigBee網絡和GPRS實時上傳到服務器，不斷刷新，從而實現(xiàn)對照明設施的運行狀態(tài)進行實時精確監(jiān)控，便于對單燈進行降功率控制等動作判斷是否執(zhí)行命令，具有較高的實用價值。