劉雪蘭++田宏偉

摘 要：為了更精確地對植栽用電子鎮(zhèn)流器進(jìn)行老化監(jiān)控，采用CS5463及MC13213組成電子鎮(zhèn)流器測控節(jié)點(diǎn)，將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到電子鎮(zhèn)流器老化監(jiān)控系統(tǒng)中去。詳細(xì)論述了老化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程及CS5463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(diǎn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：CS5463；電子鎮(zhèn)流器；老化監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160832074

引言

高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器具有體積小、重量輕、功率因數(shù)高、著火電壓低、啟動電流小、無沖擊電流等優(yōu)點(diǎn)[1]，越來越多地應(yīng)用于植物栽培和植物補(bǔ)光應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)了綠色農(nóng)業(yè)和環(huán)保農(nóng)業(yè)[2]。

需求量的增大對于電子鎮(zhèn)流器老化檢測要求越來越高，目前大部分老化監(jiān)測系統(tǒng)使用有線方式傳輸信號，即采用信號線纜等將傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸至管理計(jì)算機(jī)[3]。但這種有線傳輸方式存在以下缺陷：布線繁瑣，安裝成本較高：在被監(jiān)測設(shè)備已經(jīng)安裝的情況下，需要重新布線，會造成人力物力的消耗，增加安裝成本；線路依賴性強(qiáng)：一般監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，布線和改線工程量大，網(wǎng)絡(luò)升級和擴(kuò)展不方便；維護(hù)成本高：隨著監(jiān)測系統(tǒng)使用時(shí)間的增加，線纜和傳感器不可避免的會發(fā)生老化或故障現(xiàn)象，使得維護(hù)成本提高。

隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸能夠很好地解決上述問題。在電子鎮(zhèn)流器設(shè)備端使用CS5463[4]對電子鎮(zhèn)流器老化工作時(shí)的電壓、電流、有功功率和功率因數(shù)進(jìn)行精確檢測，獲得數(shù)據(jù)和狀態(tài)后通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控電子鎮(zhèn)流器老化過程的實(shí)時(shí)精確監(jiān)控。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 電子鎮(zhèn)流器老化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

電子鎮(zhèn)流器老化監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)使用Zigbee網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)支持多種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、簡單星形網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)和MESH網(wǎng)絡(luò)。由于老化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備集中、距離近，所以系統(tǒng)采用協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的星形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為3類：協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)[5]。老化監(jiān)控終端節(jié)點(diǎn)簡稱為終端節(jié)點(diǎn)，其作用是接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的命令對電子鎮(zhèn)流器進(jìn)行控制和狀態(tài)的采集。協(xié)調(diào)器連接服務(wù)器，是網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鞴?jié)點(diǎn)。整個系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

1.2 硬件選型

Zigbee終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器均采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的2.4G射頻芯片MC13213[6]，該芯片不是單純的射頻通信芯片，而是將CPU內(nèi)核和射頻通信單元集成在一起的SoC（System on Chip）芯片，采用低電壓低功耗HCS08的CPU內(nèi)核，60k字節(jié)Flash存儲器，具有SPI、SCI和IIC等接口。MC13213支持專用點(diǎn)到點(diǎn)，簡單星形以及MESH網(wǎng)絡(luò)，符合本系統(tǒng)需求。

電子鎮(zhèn)流器老化工作時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)包括電壓、電流、有功功率和功率因數(shù)等，這些數(shù)據(jù)可以通過MC13213的AD轉(zhuǎn)換模塊獲得，但是在實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)，AD轉(zhuǎn)換時(shí)CPU和內(nèi)存開銷過大，可能會影響Zigbee數(shù)據(jù)傳輸，因此采用專用的采集芯片CS5463獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)。

CS5463測量芯片包含2個ΔΣ模-數(shù)轉(zhuǎn)換器、電能/頻率轉(zhuǎn)換器，與外部通信使用SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。CS5463可以精確測量瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流，并通過計(jì)算得到Irms、Vrms、有功功率以及功率因數(shù)，同時(shí)該芯片內(nèi)置溫度傳感器，可以提供當(dāng)前芯片的實(shí)時(shí)溫度，可應(yīng)用于老化監(jiān)控系統(tǒng)中的過溫告警監(jiān)測功能。

1.3 采集電路的設(shè)計(jì)

CS5463的電壓通道的最大有效值輸入為250mV。電流通道集成有一個增益可編程放大器，輸入的電平最大有效值可為250mV。由于CS5463的∑-△調(diào)制器采用了過采樣原理，對高頻信號噪聲有很強(qiáng)的抑制性，因此輸入信號無需進(jìn)行復(fù)雜的濾波處理。

圖2是電子鎮(zhèn)流器電壓和電流輸入采樣電路，輸入采樣電路采用有隔離功能的互感器電路，其中電流互感器型號為TA1005-1M[7]，電流比為5A：5mA，采樣電阻采用1%精度的30Ω電阻，因此在最大輸入電流5A的情況下采樣信號最大值為150mV，符合CS5463輸入信號限值要求。

電壓互感器型號為TV1005-M，其內(nèi)部為5mA：5mA電流比的電流互感器，通過串接150kΩ/2W的電阻，可以獲得毫安級的電流，輸入最大電壓為交流300V，因此通過電阻后最大電流為2mA，采樣電阻采用1%精度的75Ω電阻，因此在最大輸入電壓300V的情況下采樣信號最大值為150mV，同樣符合CS5463輸入信號限值要求。為了限制干擾電壓幅度以保護(hù)芯片電路，采用4個1N4148二極管進(jìn)行電路干擾抑制。

1.4 CS5463的接口設(shè)計(jì)

CS5463的SPI接口包括4條信號線：CS，SDI，SDO和SCLK，MC13213本身帶有標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，但該接口沒有引出至芯片引腳，而是用于與射頻通信單元的數(shù)據(jù)通信。因此MC13213對CS5463的SPI操作需要通過IO接口來模擬。電路設(shè)計(jì)中設(shè)置CS5463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PTC1～PTC5相連，在進(jìn)行測量之前要先對CS5463進(jìn)行復(fù)位。

需要注意的是CS5463芯片的CS引腳和RESET引腳均為低電平輸入有效，因此需要將2個信號引腳接上拉電阻以提高抗干擾性能。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 MC13213程序設(shè)計(jì)

MC13213的功能包括動態(tài)建立和連接網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。動態(tài)建立和連接網(wǎng)絡(luò)功能包括查詢網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及狀態(tài)、建立通訊鏈路等。數(shù)據(jù)采集包括電子鎮(zhèn)流器老化數(shù)據(jù)及狀態(tài)的采集、處理及保存。數(shù)據(jù)傳輸主要接收命令和發(fā)送數(shù)據(jù)。

比較關(guān)鍵的是MC13213對CS5463的初始化配置和數(shù)據(jù)讀取。初始化配置包括CS5463各配置寄存器設(shè)置、校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置等，數(shù)據(jù)讀取包括對各數(shù)據(jù)寄存器的讀取，相關(guān)數(shù)據(jù)寄存器包括電壓有效值寄存器、電流有效值寄存器、有功功率寄存器和功率因數(shù)數(shù)據(jù)和溫度寄存器等。

2.2 CS5463初始化

系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)中，CS5463的晶振可以選擇4.096MHz和11.0592MHz，為了提高轉(zhuǎn)換速率，選擇11.0592MHz的晶振，工作時(shí)鐘MCLK與晶振頻率相同，分頻系數(shù)K設(shè)為1，周期計(jì)數(shù)寄存器（Cycle Count Register）的值N設(shè)為4000，則一個基本的測量和運(yùn)算周期為（1024×N）/（MCLK/K）=1/2.7（s）。該參數(shù)必須精確設(shè)置，因?yàn)樯鲜鰷y量和運(yùn)算周期主要用來計(jì)算電能、有功功率和功率因數(shù)。

當(dāng)CS5463上電后，進(jìn)入CS5463的初始化過程，給復(fù)位脈沖到RESET腳，復(fù)位脈沖低電平時(shí)間至少50ns，在實(shí)際應(yīng)用中，建議長度增加至10ms以避免芯片沒有復(fù)位完全。接下來發(fā)送串行端口初始化序列對SPI端口進(jìn)行初始化，初始化序列包括發(fā)送3個或以上0xFF數(shù)據(jù)和1個0xFE數(shù)據(jù)。接下來就是對各個寄存器進(jìn)行設(shè)置，初始化子程序框圖如圖4所示。

CS5463初始化命令較多，需要進(jìn)行不斷的狀態(tài)檢測操作才能進(jìn)行后續(xù)配置操作，如使用不當(dāng)有時(shí)可能初始化不成功，則引起芯片的轉(zhuǎn)換出錯和數(shù)據(jù)異常，不能夠準(zhǔn)確反映電子鎮(zhèn)流器老化狀態(tài)。所以在使用過程中將初始化過程反復(fù)凋試，確定延時(shí)時(shí)間，編寫通用子程序，使用時(shí)調(diào)用，從而確保每次運(yùn)行的準(zhǔn)確、可靠。

2.3 CS5463校準(zhǔn)

CS5463必須進(jìn)行校準(zhǔn)以提高測量準(zhǔn)確度， 其內(nèi)部提供DC偏移校準(zhǔn)、AC偏移校準(zhǔn)以及AC增益校準(zhǔn)等，用戶在給定電壓和電流信號輸入的條件下可通過設(shè)置相應(yīng)寄存器實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)包括偏移校準(zhǔn)和增益校準(zhǔn)。偏移校準(zhǔn)時(shí)需提供零電壓和零電流信號，得到的實(shí)際測量值=線性值+偏移值。

CS5463比起上一代芯片CS5460A有一進(jìn)步是無需進(jìn)行零點(diǎn)偏移校準(zhǔn)，因此只需進(jìn)行系統(tǒng)增益校準(zhǔn)即可。經(jīng)過實(shí)踐，內(nèi)部增益校準(zhǔn)計(jì)算復(fù)雜且對于外部條件要求較高，因此使用外部增益校準(zhǔn)。增益校準(zhǔn)實(shí)質(zhì)是線性系數(shù)的調(diào)整，得到的實(shí)際測量值=讀出值×線性系數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中給出標(biāo)準(zhǔn)的5A電流及300V電壓來進(jìn)行外部手動校準(zhǔn)，最終得到的電壓線性系數(shù)Vgain為0x0166，電流線性系數(shù)Igain為0x015D。

3 結(jié)語

在蘇州市某電子鎮(zhèn)流器生產(chǎn)廠家的電子鎮(zhèn)流器老化一室的40個電子鎮(zhèn)流器采用了本監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行測試，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對電子鎮(zhèn)流器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)精確監(jiān)控，很好地完成預(yù)期的效果。

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