CS5460A在路灯单灯监控系统中的应用

摘要：为了更精确地对城市的路灯进行智能监控，采用CS5460A及MC13213组成单灯测控节点，将ZigBee技术应用到照明监控系统中去。详细论述了单灯测控系统的设计过程及CS5460A的编程配置。系统具有电路简单、体积小、功耗低、精度高、成本低等特点，具有较高的实用价值。
关键词：CS5460A；MC13213；采集

引言
    随着无线通信技术和计算机技术的飞速发展，城市照明监控技术也有了长足的发展。目前国内很多公司都开发了智能城市照明监控系统，但这些系统都存在一个问题：单灯状态监控的精度不高，无法精确得知单灯在运行时电压值、电流值等指标。
    为了解决上述问题，现采用CS5460A对单灯的电压有效值、电流有效值等进行精确检测，然后将单灯的状态值通过城市照明监控网络上传到后台服务器，以便实时精确监控照明设施的运行状况。

1 系统硬件设计
1．1 单灯监控系统架构
    照明监控系统的ZigBee网络中的节点分为三类：协调器、路由节点、终端节点。路端单灯测控器由路由节点或终端节点加上外围采集控制模块构成，其作用是接收主控发送的命令，对路灯进行控制和状态的采集。各节点均采用Freescale公司生产的2.4GHz射频芯片MC13213，它采用Freescale公司的低电压、低功耗HCS08核心，并带有嵌入式闪存、10位模／数转换器、低压中断和键盘中断等功能。MC13213支持专用点到点，简单星形以及MASH网络，采用Figure 8 Wireless Z-stack的符合ZigBee标准的网络。
    CS5460A是一个包含2个△-∑模／数转换器(ADC)、功率计算功能、电能到频率转换器和1个串行接口的完整的功率测量芯片。它可以精确测量瞬时电压值、电流值和计算Irms、Vrms、瞬时功率、有功功率、无功功率。
    采集到的路灯的电压值、电流值可以通过ZigBee网络及GPRS上传到后台服务器，以便对整条路的路灯状态进行更好的监测。单灯监控系统主要由MC13213模块和CS5460A采样电路组成，同时包含继电器控制电路。单灯测控系统的整体架构如图1所示。

1．2 采集电路的设计
    CS5460A的电压通道的最大有效值输入为250 mV。电流通道集成有一个增益可编程放大器(PGA)，输入的电平最大有效值可为250 mV或50 mV。由于CS5460A的△-∑调制器采用了过采样原理，对高频信号噪声有很强的抑制性，因此输入信号无需进行复杂的滤波处理。

    图2是本系统检测电压和电流输入采样电路。其中PWR_L为被测交流电中的火线，PWR_N为被测交流电中的零线，LOAD为连接负载的交流火线。图中电压互感器采用的是TV1005-1M，它是一种电流型电压互感器。电流互感器采用的是TA1005-1M，它采用电阻法获得互感电压。其中的二极管D1～D4起到保护电路的作用。
1．3 CS5460A的接口设计
    CS5460A的串行口包括CS、SDI、SDO、SCLK 4条控制线，与MC13213的I／O口连接十分方便。MC13213对CS5460A的操作通过写一些命令字节来实现的，传输方式通过I／O接口来模拟SPI传输。其中命令字包括对寄存器的读写及对CS5460A的校准，初始化配置等。设置CS5460A的数据输入SDI、数据输出SDO、串行时钟SCLK、片选CS、复位引脚RESET分别与MC13213的PTA1～PTA5相连，在进行测量之前要先对CS5460A进行复位。CS5460A与MC13213的接口电路如图3所示。

2 系统软件设计
2．1 MC13213程序
    MC13213的程序设计方案包括动态连接网络，数据采集和应用控制程序。动态连接网络负责查询网络设备，建立通信链路。数据采集包括路灯状态的采集、处理及保存。应用控制程序负责执行控制命令等功能。其中对路灯状态采集通过CS5460A获得。对CS5460A的操作主要包括CS5460A的校准，I／O口模拟的SPI接口初始化，CS5460A初始化，电压有效值寄存器、电流有效值寄存器及有功功率寄存器的数据读取。MC13213对CS5460A的操作流程如图4所示。

2．2 I／O口模拟SPI
    (1)字节发送
    MC13213的I／O端口PTA3为时钟信号线(SCLK)，PTA2是数据信号输出线(SDO)。在PTA3制造一个电平变化，输出数据data的高位BIT7，data中的数据依次右移一位，再将PTA3的电平变化一次，又一次输出data的高位。这时，输出的就是原来data中的次高位BIT6位，如此重复，data右移8次就完成了一个字节的输出。
    (2)字节接收
    同样的原理，把PTA3的输出电平拉高，制造一个高电平，检测输入脚PTA1(SDI)的电平，记入data中，把PTA3的输出电平拉低，就完成了一个字节位的接收。然后将PTA3的输出电平拉高，制造一个高电平，再次检测输入脚PTA1的电平记入data中，如此8次后就收到了一个字节。
2．3 CS5460A校准
    为了提高CS5460A的实际测量准确度，在开始测量前要对其进行校准。CS5460A提供DC偏移校准，AC偏移校准以及AC增益校准。用户通过设置校准命令字中的相应位来决定执行哪种校准。但不管是哪种校准都有两种模式：系统偏移校准和系统增益校准。偏移校准时需提供零电压和零电流信号，最后得到的实际测量值=线性值+偏移值。系统偏移校准采用CS5460A内部偏移校准。
    最初系统增益校准采用了CS5460A内部增益校准，即向增益寄存器写入校准值，但经过实测发现对于本系统随着电流的变化，采用此种校准方法得到的电流值线性度极差，无法达到使用要求。最终决定使用外部增益校准。增益校准实质是乘法运算的调整，得到的实际测量值=线性值×增益值。在实验中给出标准的5 A电流及220 V电压来进行外部手动校准，最终得到的Vgain=0x0166，Igain=0x015D，即：
    实际测量电压值=线性电压值×(0x0166／0x00FF)
    实际测量电流值=线性电流值×(0x015D／0x00FF)
2．4 CS5460A初始化
    CS5460A的工作时钟MCIK选定为11．059 2 MHz，分频系数K设为1，循环计数寄存器的N值设为4000，则一个基本的计算周期为(1024×N)／(MCLK／K)=1／2．7 s。
    当CS5460A上电后，首先给复位脉冲到RESET引脚，然后再初始化CS5460A。CS5460A与MC13213的接口非常简单，但它的初始化命令较多，在使用上有一定的技巧，如使用不当有时可能初始化不成功，引起芯片的转换出错，使系统不能正常工作。所以在使用过程中将初始化过程反复凋试，编成通用子程序，使用时调用，可确保每次运行的准确、可靠。CS5460A初始化流程如图5所示。

3 实测结果
    照明监控系统中对单灯的状态监控包括末端电压监控及单灯电流监控，即每条回路上只需一个末端电压监控的单灯，其他单灯监控电流状态。采集到的是电压和电流的有效值。CS5460A采集的电压和电流的有效A／D值到十进制的实际值的换算公式如下：
     Vo=V／FFFF×300／0．6 Io=I／FFFF×5／0．6
    通过实测得到的电压值结果如表1所列。

    通过实测得到的电流值结果如表2所列。

    从表1和表2中测量到的电压和电流的值与实际的电压和电流的值比较可以看出，测量的误差范围控制在1％以内，达到了高精度测量的效果。

结语
    在苏州科技园的某条道路上，采用本单灯监控系统对10个路灯进行测试，经实际运行，该系统可以达到预期的效果。本系统可将单灯的电压和电流有效值等数据通过ZigBee网络和GPRS实时上传到服务器，不断刷新，从而实现对照明设施的运行状态进行实时精确监控，便于对单灯进行降功率控制等动作判断是否执行命令，具有较高的实用价值。