基于Zigbee的遠(yuǎn)程電源測(cè)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

鄧子敬，郭斌林

(杭州電子科技大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310018)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)的高壓電源測(cè)控系統(tǒng)大部分是現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)控，維護(hù)成本高，而且高壓電源對(duì)人體存在強(qiáng)輻射，對(duì)人體有極大的損害，具有危險(xiǎn)性，亟需改進(jìn)［1］。近幾年來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展迅速，以Zigbee為典型代表，其技術(shù)已趨于成熟、穩(wěn)定，Zigbee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞，根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)［2］。國(guó)外很多公司已經(jīng)將Zigbee技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，國(guó)內(nèi)此類應(yīng)用還比較少，因此，該文將Zigbee技術(shù)應(yīng)用在電源測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以避免以上眾多弊端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控高壓電源系統(tǒng)的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)主要以ST Microelectronics公司的STM32處理器為核心，由電壓采集模塊、電流采集模塊、溫度采集模塊、無(wú)線傳輸模塊以及PC終端構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)框架如圖1所示:

圖1 系統(tǒng)框架

在系統(tǒng)中，待測(cè)的電壓和電流信號(hào)量通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路處理，通過(guò)STM32處理器內(nèi)置的多通道12位ADC實(shí)時(shí)采樣，而溫度量直接通過(guò)集成的數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行采集。在處理器內(nèi)部開(kāi)辟一定容量的數(shù)據(jù)緩存區(qū)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，進(jìn)而通過(guò)Zigbee發(fā)送模塊把緩存區(qū)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igbee接收模塊中，接收模塊中的數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳輸?shù)絇C終端中，在PC終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)顯示信號(hào)的波形和各項(xiàng)待測(cè)參數(shù)。

(1)電壓采集模塊的設(shè)計(jì)

在電源系統(tǒng)中電壓模塊主要由兩部分組成:(1)量程范圍為200mV－600V、頻率范圍為0－200khz壓源;(2)量程范圍為8－15V的直流蓄電池電壓源。鑒于兩種電壓源的不同特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)了兩種不同的信號(hào)調(diào)理電路。

對(duì)于第一種電壓源采樣，采用高精度(0.1%)電阻網(wǎng)絡(luò)組成的衰減電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，將200mV－600V的寬電壓范圍進(jìn)行4組不同倍數(shù)的衰減(1，1/10，1/100，1/200)，默認(rèn)通道是1/200通道，根據(jù)默認(rèn)通道的數(shù)據(jù)采集結(jié)果，再切換到合適的衰減倍數(shù)，重新采集數(shù)據(jù)，這樣做的好處是簡(jiǎn)化電路，不需要進(jìn)行重復(fù)的設(shè)計(jì)衰減和放大電路。電壓采集模塊框圖如圖2所示:

對(duì)于蓄電池的電壓源的采樣，采用差分放大電路，同時(shí)按照1:5倍數(shù)的衰減，衰減到AD要求的輸入信號(hào)范圍內(nèi)，ADC直接對(duì)其采樣。蓄電池電壓采集模塊框圖如圖3所示:

圖3 蓄電池電壓采集模塊

(2)電流采集模塊的設(shè)計(jì)

電流采樣通常分為高邊電流采樣和低邊電流采樣，兩種采樣方案各有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。低邊檢測(cè)是將檢測(cè)電阻放在負(fù)載和地之間。而高邊檢測(cè)是將檢測(cè)電阻放在電源和負(fù)載中間。在兩種方案中，檢測(cè)電阻都要盡可能的小，以保持功耗盡量低，不能影響負(fù)載的正常工作，同時(shí)也要足夠大，以便能夠產(chǎn)生能被放大器檢測(cè)到得并且在目標(biāo)精度內(nèi)的電壓。由于低邊檢測(cè)時(shí)的共模電壓接近地電平，因此，電流檢測(cè)可以用一個(gè)低電壓、低成本的運(yùn)放進(jìn)行放大。低邊檢測(cè)這種方案簡(jiǎn)單而且成本便宜，但是由檢測(cè)電阻引入的地線干擾會(huì)比較大，會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)很大的干擾，而高邊電流檢測(cè)則可消除低邊檢測(cè)帶來(lái)的地線干擾，缺點(diǎn)是要求檢測(cè)放大器能夠處理接近電源電壓的共模電壓。綜合比較，為了使系統(tǒng)達(dá)到比較高的精度和穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用高邊電流檢測(cè)方案。

在此電源系統(tǒng)中，有兩路電流量信號(hào)需要采集，一路，蓄電池0－2A的直流電流量;另一路，特變電源中量程范圍為200mA－2A、頻率范圍為0－200kHz的交流電流量。對(duì)于蓄電池的直流電流量采集，采用選用MAXIM公司的max4069電流檢測(cè)放大器，MAX4069是低價(jià)格的雙向、高側(cè)、電流檢測(cè)放大器，非常適合于筆記本電腦、蜂窩式電話及其它便攜式設(shè)備中電池充、放電電流的檢測(cè)。共模輸入電壓可高達(dá)24V，供電電流低于100μA(關(guān)斷狀態(tài)電流降至10μA)，總的輸出誤差小于1.5%。共模輸入范圍極寬，從1.35－24V，且與電源電壓無(wú)關(guān)，這樣即使測(cè)量一組已深度放電的電池時(shí)，也能保證精確的檢流反饋。蓄電池電流采集模塊框圖如圖4所示:

圖4 蓄電池電流采集模塊

而對(duì)于特變電源中電流采樣采用Agilent(安捷倫)的HCPL－7840隔離放大器。HCPL－7840的推薦原級(jí)、次級(jí)電源電壓為4.5～5.5V，電流為8.8mA，要求隔離供電;輸入信號(hào)電壓為－200～+200mV，額定增益8倍，5%容差，0.1%非線性，－0.2mV輸入偏移電壓，能抵抗至少10kV的共模干擾，絕緣耐壓2500Vac·1min，其性能完全滿足設(shè)計(jì)的要求。高壓電流采集模塊框圖如圖5所示:

圖5 高壓電流采集模塊

(3)溫度采集模塊

溫度檢測(cè)直接采用DALAS公司的DS18B20溫度傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)箱內(nèi)的溫度變化。DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊，測(cè)溫范圍－55～+125℃，固有測(cè)溫分辨率0.5℃，可用于冷凍庫(kù)，糧倉(cāng)，儲(chǔ)罐，電訊機(jī)房，電力機(jī)房，電纜線槽等測(cè)溫和控制領(lǐng)域，滿足設(shè)計(jì)要求。

(4)Zigbee無(wú)線收發(fā)模塊

Zigbee無(wú)線傳輸部分采用TI公司的CC2530，CC2530具有一個(gè)IEEE 802.15.4兼容無(wú)線收發(fā)器。RF內(nèi)核控制模擬無(wú)線模塊。另外，它提供了一個(gè)8051內(nèi)核和8線設(shè)備之間的一個(gè)接口，這使得可以發(fā)出命令，讀取狀態(tài)，自動(dòng)操作和確定無(wú)線設(shè)備事件的順序。無(wú)線設(shè)備還包括一個(gè)數(shù)據(jù)包過(guò)濾和地址識(shí)別模塊，在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)它通過(guò)串口與STM32單片機(jī)連接，在終端模塊中，將它的串口通過(guò)專門的usb轉(zhuǎn)串口PL2303芯片轉(zhuǎn)換成USB接口直接與PC端連接，完成數(shù)據(jù)傳輸。

2 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

在高壓電源系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)的電壓、電流參數(shù)量在小信號(hào)的范圍內(nèi)的測(cè)量精度不如大信號(hào)的測(cè)量精度高，主要是由于高壓電壓現(xiàn)場(chǎng)的對(duì)小信號(hào)干擾比較嚴(yán)重，但是從整個(gè)測(cè)試結(jié)果看，系統(tǒng)的測(cè)量精度完全滿足工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的精度要求。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示:

表1 系統(tǒng)電壓與電流測(cè)試

3 結(jié)束語(yǔ)

采用上述方案設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程電源測(cè)控系統(tǒng)，經(jīng)工業(yè)實(shí)際應(yīng)用證明，性能安全可靠，精度高，操作簡(jiǎn)便，完全滿足工業(yè)設(shè)計(jì)的要求。

［1］ 賽爾吉?dú)W.基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路設(shè)計(jì)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2009:52－78.

［2］ Texas Instruments Incorporated.A True System-on-Chip Solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee Applications［R］.Dallas:Texas Instruments Incorporated，2011:9 －21.

［3］ 楊素行.模擬電子技術(shù)簡(jiǎn)明教程(第二版)［M］.北京:高等教育出版社，1998:10－20.

［4］ 王永虹.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實(shí)踐［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008:20－30.

［5］ Arpit Mehta.低邊與高邊電流檢測(cè)［R］.華盛頓:美信公司，2009:1－5.