采用閃電傳感器AS3935探測風暴距離

“被閃電擊中的可能性”是一個短語，用于表示某些事情不太可能發(fā)生。盡管如此，根據(jù)美國國家氣象局的數(shù)據(jù)，美國每年(1982年至2010年)平均有54人死亡事件是由于雷擊造成的，只有百分之十的人實際死亡。歷史表明，一個人受到被閃電擊中的人的一生機會大約是千分之一。

這些死亡和傷害中的許多都可以避免。典型的原因是在風暴期間處于不安全的地方。這可能意味著當?shù)湫偷南挛顼L暴襲來，或者在寧靜的山谷湖泊中游泳并且沒有注意到即將到來的風暴時，被Pike‘s Peak捕獲。

如果對即將來臨的風暴有足夠的警告，就可以避免這種情況。雖然經(jīng)驗法則涉及計算閃電和雷電之間的秒數(shù)，但卻給人一種安全感，人們不能總是看到閃電(特別是如果它是云到云)，有些人根本沒有注意。例如，當一個人想出來時，如果一群孩子在湖邊游泳需要尋求庇護，那可能為時已晚。

奧地利微電子公司(現(xiàn)為ams)開發(fā)了一種傳感器，可以使風暴預測更加可靠，稱為富蘭克林閃電傳感器AS3935。它是一種單芯片電路，可檢測并向入射風暴的“前沿”提供距離估計。

“前沿”這個短語有點誤導，因為它表明一個人正處于暴風雨的直接道路上。事實上，就這個傳感器而言，前緣只是風暴的最近邊緣，如果風暴在附近發(fā)出掠射，它可能永遠不會真正到達。然而，它與你的距離 - 無論它在哪里 - 都是最相關(guān)的信息。

用于估計距離的算法在電路中是硬編碼的;沒有涉及軟件?？梢栽O置各種引腳和寄存器來配置不同的設置，但基本計算對用戶來說仍然是不透明的。這極大地簡化了設備的使用。它通常連接到微控制器或其他一些外部電路。 AS3935將生成距離估計值，但系統(tǒng)的其余部分可以使用該信息執(zhí)行某些操作，例如發(fā)出某種警告。

基本操作

內(nèi)部算法包括兩個關(guān)鍵的基本任務：分析電脈沖以確定它是否是雷擊，如果是，則估算風暴距離。請注意，給定的距離不是實際檢測到的雷擊距離，而是通過對最近檢測到的撞擊模式的統(tǒng)計分析確定的到風暴前緣的距離。 AS3935的框圖如圖1所示，主要操作塊用紅色包圍。

圖1：AS3935框圖，主要功能單元由紅色的邊界。 (由ams提供。)

雷擊產(chǎn)生的電磁脈沖可以通過調(diào)諧到500 kHz，帶寬為33 kHz的外部天線(見圖2)進行檢測。模擬前端(AFE)解調(diào)和放大天線信號，一旦事件超過其閾值，看門狗電路就會向閃電探測器發(fā)出警報。然而，許多其他電磁事件產(chǎn)生高能量事件。重要的是，這種非閃電“干擾器”不要被誤解為閃電 - 反之亦然。

圖2：AS3935的外部天線連接。 (由ams提供。)

因此，檢測過程的第一步是確定事件是否具有雷擊特征。如果不是，它將被拒絕，因為它是一個令人不安的結(jié)果。如果它確定它是閃電，則計算并存儲事件的能量，然后基于該事件和先前事件計算風暴距離。然后引發(fā)中斷，以便微控制器(或其他外部設備)可以檢索信息并采取措施。

此過程產(chǎn)生了設備的三種操作模式中的兩種。第一種是“監(jiān)聽模式”，它表示設備開啟的時間，但未檢測到任何事件。一旦檢測到事件，設備就會切換到“信號驗證”模式。信號驗證完成后，設備返回聆聽模式。

這些模式會影響設備的功耗。實際上，還有第三種“掉電”模式可用于在使器件退出有效操作時最小化功耗。不同模式的電流消耗如圖3所示。(VREG的含義將在下面討論。)

電流消耗符號參數(shù)典型值最大值單位IPWDROFF VREG為OFF時的掉電電流12μAIWDRON電源 - VREG為ON時的下降電流815μAIshMROFF聆聽模式下的電流消耗6080μASISVM電流消耗信號350μA

圖3：不同工作模式下的電流消耗。 (由ams提供。)

與微控制器通信

通過向外部設備發(fā)出中斷來管理事件通知。然后，外部設備詢問AS3935中的寄存器以獲取必要的信息。有三種不同的可能中斷，均由相同的INT引腳指示，但由寄存器REG0x03 [3：0]中的值區(qū)分：

一個指示雷擊 - INT_L(1000) ;

一個表示干擾事件 - INT_D(0100);

一個表示噪音太大 - INT_NH(0001) - 稍后會詳細說明。

請注意，外部設備必須在IRQ信號激活的時間和寄存器值的實際讀取之間等待2 ms。如果這些事件不感興趣，可以使用MASK_DIST選項(REG0x03 [5] = 1)屏蔽干擾中斷?？梢允褂肐²C或SPI進行通信，通過將SI引腳置為高電平(I²C)或低電平(SPI)來選擇。

如果發(fā)生雷擊中斷，寄存器REG0x07 [5：0]將加載一個值，表示估計到風暴的距離。該值的范圍從000001(表示風暴開銷)到101000(表示可靠檢測到的最大距離，即40 km)。值111111表示風暴超出范圍。器件數(shù)據(jù)表中提供了中間值。

調(diào)整和調(diào)整

雖然雷電檢測算法是固定的，但可以進行調(diào)整以優(yōu)化設備在各種情況下的性能。

默認情況下，設備將針對室內(nèi)操作進行優(yōu)化。這意味著AFE增益會更高。通過改變寄存器REG0x00 [5：1]的值，可以降低室外操作的增益;值10010用于室內(nèi)操作，值01110用于室外操作。

靈敏度也可以調(diào)整。更高的靈敏度意味著可以更遠地探測到閃電，但它也增加了干擾事件被誤解為閃電的可能性。有兩種方法可以調(diào)整設備的響應速度。

第一種方法是使用寄存器WDTH(REG0x01 [3：0])調(diào)整看門狗的閾值。這決定了看門狗觸發(fā)驗證的級別。圖4顯示了對探測效率的影響。該圖表明，抑制干擾事件也會降低探測遠距離雷擊的能力。

圖4：看門狗閾值和檢測效率之間的關(guān)系(假設SREJ = 0000)。 (由ams提供。)

第二次調(diào)整與驗證電路有關(guān)。該電路通過檢查檢測到的事件的形狀來工作。特別是，它設置為抑制雜散尖峰，但可以使用寄存器SREJ(REG0x02 [3：0])調(diào)整尖峰抑制。這也會影響檢測效率，如圖5所示。默認情況下，SREJ設置為0010。

圖5：尖峰抑制與檢測效率之間的關(guān)系(假設WDTH = 0001)。 (由ams提供。)

該設備還受到環(huán)境電噪聲的影響;環(huán)境越嘈雜，辨別閃電事件就越困難。 AS3935對環(huán)境噪聲進行采樣以確定總噪聲基底。如果噪聲電平上升到過高電平，則發(fā)出并保持INT_NH中斷直到噪聲消失。當噪聲過高時，閃電檢測暫停，并在噪聲降至可接受的水平時恢復。

可以通過設置寄存器REG0x01 [6：4]中的值來調(diào)整因噪聲而暫停操作的閾值。默認值為010，對應室外860μV(rms)或室內(nèi)62μV(rms)。

忽略被誤認為閃電的干擾事件的另一種方法是在設備引發(fā)中斷之前的17分鐘間隔內(nèi)需要一定數(shù)量的事件。使用寄存器REG0x02 [5：4]，最小事件數(shù)可以設置為1，5，9或16.

功率調(diào)節(jié)

AS3935有一個內(nèi)部功率調(diào)節(jié)器，可以根據(jù)需要使用。此選擇使用EN_VREG引腳進行，將其高電平連接以啟用內(nèi)部穩(wěn)壓器，并將其連接至低電平以禁用它。使用時，原始電源施加在VDD引腳上，調(diào)節(jié)值出現(xiàn)在VREG引腳上，需要額外的旁路電容。如果不使用內(nèi)部穩(wěn)壓器，則VREG連接到VDD，不需要額外的電容。這兩種配置如圖6所示。

圖6：配置內(nèi)部穩(wěn)壓器; a)表示沒有內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)，b)表示啟用內(nèi)部調(diào)節(jié)。 (由ams提供。)

內(nèi)部監(jiān)管機構(gòu)確實在名義上增加了功耗;圖3中的VREG設置表明了這一點。

評估板和閃電模擬器

ams提供了一個評估板，其中包括一個預警報警器和一個LED顯示屏，提供有關(guān)檢測到的事件的信息(見圖7) 。

圖7：AS3935-DK評估板。 (由ams提供。)

伴隨評估板的是手持式閃電仿真器(見圖8)，可用于測試和調(diào)整評估板上的探測器。

圖8：用于AS3935評估板的Lightning仿真器。 (由ams提供。)

兩塊電路板均由電池供電;評估板可以通過USB線連接到計算機。軟件隨附板卡，用于調(diào)整AS3935的設置; GUI如圖9所示。在此特定視圖中可以看到前面描述的許多設置。

圖9：AS3935評估板GUI。 (由ams提供。)