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

劉雪蘭

（江蘇畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，泰州225300）

引 言

隨著無線通信技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，城市照明監(jiān)控技術(shù)也有了長足的發(fā)展［1－2］。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［3－4］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(wǎng)絡(luò)上傳到后臺服務(wù)器，以便實時精確監(jiān)控照明設(shè)施的運行狀況。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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)點分為三類：協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點、終端節(jié)點［5］。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(gòu)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(chǎn)的2.4GHz射頻芯片MC13213［6］，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支持專用點到點，簡單星形以及 MASH網(wǎng)絡(luò)，采用Figure 8Wireless Z－stack的符合 ZigBee［7－8］標準的網(wǎng)絡(luò)。

CS5460A是一個包含2個Δ－Σ模／數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、功率計算功能、電能到頻率轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)及GPRS［9－10］上傳到后臺服務(wù)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(gòu)如圖1所示。

圖1 單燈測控系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.2 采集電路的設(shè)計

CS5460A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（PGA），輸入的電平最大有效值可為250mV或50mV。由于CS5460A的Δ－Σ調(diào)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(fù)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。

圖2 電壓、電流輸入采樣電路

1.3 CS5460A的接口設(shè)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(shè)置CS5460A的數(shù)據(jù)輸入SDⅠ、數(shù)據(jù)輸出SDO、串行時鐘SCLK、片選CS、復(fù)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(fù)位。CS5460A與MC13213的接口電路如圖3所示。

圖3 CS5460A與MC13213的接口電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 MC13213程序

MC13213的程序設(shè)計方案包括動態(tài)連接網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用控制程序。動態(tài)連接網(wǎng)絡(luò)負責(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)用控制程序負責(zé)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(shù)據(jù)讀取。MC13213對CS5460A的操作流程如圖4所示。

圖4 MC13213對CS5460A的操作流程

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(shù)據(jù)信號輸出線（SDO）。在PTA3制造一個電平變化，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，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(shè)置校準命令字中的相應(yīng)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(nèi)部偏移校準。

最初系統(tǒng)增益校準采用了CS5460A內(nèi)部增益校準，即向增益寄存器寫入校準值，但經(jīng)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(zhì)是乘法運算的調(diào)整，得到的實際測量值＝線性值×增益值。在實驗中給出標準的5A電流及220V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 2MHz，分頻系數(shù)K設(shè)為1，循環(huán)計數(shù)寄存器的N值設(shè)為4 000，則一個基本的計算周期為（1024×N）／（MCLK／K）＝1／2.7s。

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)有時可能初始化不成功，引起芯片的轉(zhuǎn)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(fù)凋試，編成通用子程序，使用時調(diào)用，可確保每次運行的準確、可靠。CS5460A初始化流程如圖5所示。

圖5 CS5460A初始化流程

3 實測結(jié)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(jié)果如表1所列。

表1 實測電壓結(jié)果

通過實測得到的電流值結(jié)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(nèi)，達到了高精度測量的效果。

表2 實測電流結(jié)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10個路燈進行測試，經(jīng)實際運行，該系統(tǒng)可以達到預(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實時上傳到服務(wù)器，不斷刷新，從而實現(xiàn)對照明設(shè)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。

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