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。