CS5463在植栽用电子镇流器老化监控系统中的应用

刘雪兰++田宏伟

摘 要：为了更精确地对植栽用电子镇流器进行老化监控，采用CS5463及MC13213组成电子镇流器测控节点，将ZigBee技术应用到电子镇流器老化监控系统中去。详细论述了老化监控系统的设计过程及CS5463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：CS5463；电子镇流器；老化监控；数据采集

中图分类号：TP277 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20160832074

引言

高压钠灯电子镇流器具有体积小、重量轻、功率因数高、着火电压低、启动电流小、无冲击电流等优点[1]，越来越多地应用于植物栽培和植物补光应用中，实现了绿色农业和环保农业[2]。

需求量的增大对于电子镇流器老化检测要求越来越高，目前大部分老化监测系统使用有线方式传输信号，即采用信号线缆等将传感器采集到的数据信息传输至管理计算机[3]。但这种有线传输方式存在以下缺陷：布线繁琐，安装成本较高：在被监测设备已经安装的情况下，需要重新布线，会造成人力物力的消耗，增加安装成本；线路依赖性强：一般监测系统设计完成后，布线和改线工程量大，网络升级和扩展不方便；维护成本高：随着监测系统使用时间的增加，线缆和传感器不可避免的会发生老化或故障现象，使得维护成本提高。

随着无线传感网络技术的发展，通过Zigbee网络进行传输能够很好地解决上述问题。在电子镇流器设备端使用CS5463[4]对电子镇流器老化工作时的电压、电流、有功功率和功率因数进行精确检测，获得数据和状态后通过Zigbee网络传输至服务器，实现了监控电子镇流器老化过程的实时精确监控。

1 系统硬件设计

1.1 电子镇流器老化监控系统架构

电子镇流器老化监控系统数据传输网络使用Zigbee网络，该网络支持多种网络架构，如点到点网络、简单星形网络、树形网络和MESH网络。由于老化监控系统设备集中、距离近，所以系统采用协调器和终端节点的星形网络架构。

ZigBee网络中的节点分为3类：协调器、路由节点、终端节点[5]。老化监控终端节点简称为终端节点，其作用是接收协调器发送的命令对电子镇流器进行控制和状态的采集。协调器连接服务器，是网络维护和数据传输的主节点。整个系统的架构如图1所示。

1.2 硬件选型

Zigbee终端节点和协调器均采用飞思卡尔半导体公司生产的2.4G射频芯片MC13213[6]，该芯片不是单纯的射频通信芯片，而是将CPU内核和射频通信单元集成在一起的SoC（System on Chip）芯片，采用低电压低功耗HCS08的CPU内核，60k字节Flash存储器，具有SPI、SCI和IIC等接口。MC13213支持专用点到点，简单星形以及MESH网络，符合本系统需求。

电子镇流器老化工作时的监测数据包括电压、电流、有功功率和功率因数等，这些数据可以通过MC13213的AD转换模块获得，但是在实际测试中发现，AD转换时CPU和内存开销过大，可能会影响Zigbee数据传输，因此采用专用的采集芯片CS5463获得监测数据。

CS5463测量芯片包含2个ΔΣ模-数转换器、电能/频率转换器，与外部通信使用SPI接口进行数据传输。CS5463可以精确测量瞬时电压和瞬时电流，并通过计算得到Irms、Vrms、有功功率以及功率因数，同时该芯片内置温度传感器，可以提供当前芯片的实时温度，可应用于老化监控系统中的过温告警监测功能。

1.3 采集电路的设计

CS5463的电压通道的最大有效值输入为250mV。电流通道集成有一个增益可编程放大器，输入的电平最大有效值可为250mV。由于CS5463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是电子镇流器电压和电流输入采样电路，输入采样电路采用有隔离功能的互感器电路，其中电流互感器型号为TA1005-1M[7]，电流比为5A：5mA，采样电阻采用1%精度的30Ω电阻，因此在最大输入电流5A的情况下采样信号最大值为150mV，符合CS5463输入信号限值要求。

电压互感器型号为TV1005-M，其内部为5mA：5mA电流比的电流互感器，通过串接150kΩ/2W的电阻，可以获得毫安级的电流，输入最大电压为交流300V，因此通过电阻后最大电流为2mA，采样电阻采用1%精度的75Ω电阻，因此在最大输入电压300V的情况下采样信号最大值为150mV，同样符合CS5463输入信号限值要求。为了限制干扰电压幅度以保护芯片电路，采用4个1N4148二极管进行电路干扰抑制。

1.4 CS5463的接口设计

CS5463的SPI接口包括4条信号线：CS，SDI，SDO和SCLK，MC13213本身带有标准的SPI接口，但该接口没有引出至芯片引脚，而是用于与射频通信单元的数据通信。因此MC13213对CS5463的SPI操作需要通过IO接口来模拟。电路设计中设置CS5463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PTC1～PTC5相连，在进行测量之前要先对CS5463进行复位。

需要注意的是CS5463芯片的CS引脚和RESET引脚均为低电平输入有效，因此需要将2个信号引脚接上拉电阻以提高抗干扰性能。

2 系统软件设计

2.1 MC13213程序设计

MC13213的功能包括动态建立和连接网络、数据采集和数据传输等。动态建立和连接网络功能包括查询网络设备及状态、建立通讯链路等。数据采集包括电子镇流器老化数据及状态的采集、处理及保存。数据传输主要接收命令和发送数据。

比较关键的是MC13213对CS5463的初始化配置和数据读取。初始化配置包括CS5463各配置寄存器设置、校准参数设置等，数据读取包括对各数据寄存器的读取，相关数据寄存器包括电压有效值寄存器、电流有效值寄存器、有功功率寄存器和功率因数数据和温度寄存器等。

2.2 CS5463初始化

系统终端节点中，CS5463的晶振可以选择4.096MHz和11.0592MHz，为了提高转换速率，选择11.0592MHz的晶振，工作时钟MCLK与晶振频率相同，分频系数K设为1，周期计数寄存器（Cycle Count Register）的值N设为4000，则一个基本的测量和运算周期为（1024×N）/（MCLK/K）=1/2.7（s）。该参数必须精确设置，因为上述测量和运算周期主要用来计算电能、有功功率和功率因数。

当CS5463上电后，进入CS5463的初始化过程，给复位脉冲到RESET脚，复位脉冲低电平时间至少50ns，在实际应用中，建议长度增加至10ms以避免芯片没有复位完全。接下来发送串行端口初始化序列对SPI端口进行初始化，初始化序列包括发送3个或以上0xFF数据和1个0xFE数据。接下来就是对各个寄存器进行设置，初始化子程序框图如图4所示。

CS5463初始化命令较多，需要进行不断的状态检测操作才能进行后续配置操作，如使用不当有时可能初始化不成功，则引起芯片的转换出错和数据异常，不能够准确反映电子镇流器老化状态。所以在使用过程中将初始化过程反复凋试，确定延时时间，编写通用子程序，使用时调用，从而确保每次运行的准确、可靠。

2.3 CS5463校准

CS5463必须进行校准以提高测量准确度， 其内部提供DC偏移校准、AC偏移校准以及AC增益校准等，用户在给定电压和电流信号输入的条件下可通过设置相应寄存器实现校准。校准包括偏移校准和增益校准。偏移校准时需提供零电压和零电流信号，得到的实际测量值=线性值+偏移值。

CS5463比起上一代芯片CS5460A有一进步是无需进行零点偏移校准，因此只需进行系统增益校准即可。经过实践，内部增益校准计算复杂且对于外部条件要求较高，因此使用外部增益校准。增益校准实质是线性系数的调整，得到的实际测量值=读出值×线性系数。在实验中给出标准的5A电流及300V电压来进行外部手动校准，最终得到的电压线性系数Vgain为0x0166，电流线性系数Igain为0x015D。

3 结语

在苏州市某电子镇流器生产厂家的电子镇流器老化一室的40个电子镇流器采用了本监控系统进行测试，经实际运行，实现对电子镇流器的运行状态进行实时精确监控，很好地完成预期的效果。

参考文献

[1]彭端，彭珞丽.高压钠灯电子镇流器的研究[J].电力电子技术，2002（3）：47-49.

[2]邬镝.植物补光照明系统应用及对比分析[J].照明工程学报， 2011，22（3）：87-90.

[3]廖娟，郝彦爽.LabVIEW及其在电源老化监测系统中的应用[J].仪器仪表用户，2006，13（1）：46-48.

[4]高翔，王雪梅.基于CS5463的电力参数测试仪设计和校准[J].中国测试，2013，39（1）：76-79.

[5]徐振峰，尹晶晶，陈小林，等.基于ZigBee协议栈的无线传感器网络的设计[J].电子设计工程，2012，20（5）：75-77.

[6]刘科，周光欢，许洪华，等.基于MC13213的无线多跳信报箱告知系统设计[J].工业控制计算机，2012，25（1）：84-85.

[7]郭志成，高迪，赵娟娟.基于MSP430单片机的矿用电动机监控系统设计[J].自动化与仪器仪表，2014（10）：35-38.