丁楊　李啟丙

摘 要： 針對電源監(jiān)控功耗過大，精度不高的問題，提出一種基于ZigBee的電源監(jiān)控系統(tǒng)設計方法。首先進行電源監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設計，設計主控芯片及外圍電路；然后進行電源監(jiān)控系統(tǒng)的硬件模塊化設計，主要包括傳感器模塊、ZigBee核心控制模塊、主控電路、復位電路、同步時鐘設計和信號調(diào)理電路設計等。采用ARM Cortex?M0 處理器內(nèi)核實現(xiàn)電源監(jiān)控系統(tǒng)集成設計；最后進行系統(tǒng)的電路調(diào)試測試分析，測試結(jié)果表明，采用該設計系統(tǒng)具有較高的電源監(jiān)控調(diào)理性能，功耗較小，輸出功率增益較大，具有較高的控制品質(zhì)。

關鍵詞： ZigBee； 電源監(jiān)控系統(tǒng)； 硬件模塊化設計； 控制

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）05?0166?05

Abstract： Since the power supply monitoring has overhigh power consumption and low precision， a design method of the power supply monitoring system based on ZigBee is proposed. The overall structure， main control chip and peripheral circuit of the power supply monitoring system were designed. The hardware of the power supply monitoring system was designed with modularization， including the sensor module， ZigBee core control module， main control circuit， reset circuit， clock synchronization and signal conditioning circuit. The kernel of ARM Cortex-M0 is used to realize the integrated design of the power supply monitoring system. The debugging circuit of the system was tested and analyzed. The test results show that the system has high conditioning performance for the power monitoring， low power consumption， high output power gain， and high control quality.

Keywords： ZigBee； power supply monitoring system； hardware modular design； control

0 引 言

電網(wǎng)系統(tǒng)的影響因素多元，控制參數(shù)復雜，對電源精確控制和監(jiān)控能保障供電安全，確保電源輸出的穩(wěn)定性，實現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)的高效利用。因此，研究一種高品質(zhì)的電源監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義[1]。傳統(tǒng)的電源監(jiān)控系統(tǒng)設計方法中，主要有：基于PLC可編程邏輯的電源監(jiān)控系統(tǒng)設計方法[2]，基于RFID技術的電源監(jiān)控系統(tǒng)分層控制設計方法等[3]。采用分散控制系統(tǒng)（Distributed Control Systems，DCS）實現(xiàn)電源監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性設計，但是當前的電源監(jiān)控系統(tǒng)存在功耗過大，精度不高的問題。為此，本文進行電源監(jiān)控系統(tǒng)的改進設計，采用ZigBee技術設計電源監(jiān)控系統(tǒng)，ZigBee網(wǎng)絡支持兩種物理設備：精簡功能設備 （Reduced Function Device）和全功能設備（Full Function Device）。根據(jù)ZigBee標準，ZigBee網(wǎng)絡中共有三種設備，分別為協(xié)調(diào)器、路由器和終端設備，因此ZigBee應用在電源監(jiān)控系統(tǒng)設計中，能有效實現(xiàn)對電源監(jiān)控的集成控制和數(shù)據(jù)傳輸[4?5]。在系統(tǒng)的集成設計中，采用JN5139無線微處理器觸發(fā)ZigBee模塊完成電源監(jiān)控工作后再進入睡眠狀態(tài)，將信息傳送到中央控制設計中，實現(xiàn)電源監(jiān)控。本文首先進行系統(tǒng)的總體設計，采用ARM Cortex?M0 處理器內(nèi)核實現(xiàn)電源監(jiān)控系統(tǒng)集成設計，最后進行系統(tǒng)的電路調(diào)試測試分析，展示所設計系統(tǒng)的可靠性和優(yōu)越性。

1 系統(tǒng)總體設計描述

1.1 電源監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計描述

首先構(gòu)建電源監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型，系統(tǒng)主要由處理器模塊、通信模塊、ZigBee核心控制模塊、同步時鐘設計，射頻模塊、天線模塊和人機接口模塊等組成。電源監(jiān)控系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

采用ZigBee終端設備進行協(xié)調(diào)器、路由器和終端設備的集成控制。在電源監(jiān)控系統(tǒng)的ZigBee協(xié)議設計中，定義了三種類型的網(wǎng)絡拓撲形式，分別為星形拓撲、樹形拓撲和網(wǎng)狀拓撲[6]。本系統(tǒng)采用星形拓撲的方式，構(gòu)建電源監(jiān)控系統(tǒng)的分散控制功率放大器進行功率放大設計，在總體設計架構(gòu)的基礎上，進行系統(tǒng)的功能指標分析，電源監(jiān)控系統(tǒng)的輸入電壓范圍為：±220 V，±360 V，具有16位定點STM32內(nèi)核，電源監(jiān)控系統(tǒng)的最高采樣速率為250 kHz，系統(tǒng)的輸出模塊采用CAN2.0B接口，采用8個32位定時器/計數(shù)器構(gòu)成整個電源監(jiān)控系統(tǒng)的核心處理器。電源監(jiān)控系統(tǒng)功耗是約束系統(tǒng)品質(zhì)的重要因素。采用低功耗設計方法，電源監(jiān)控系統(tǒng)功耗主要來自靜態(tài)功耗[Pspc]和動態(tài)功耗[Pdpc，]即：

其中： [Vdd]表示系統(tǒng)工作的額定電壓值，單位為V；[Idd]表示電源監(jiān)控系統(tǒng)輸出漏電流值，單位為A；[ITC]表示同步串行電流的均值；[CT]表示電源監(jiān)控系統(tǒng)觸發(fā)器的負載電容；[fp]表示系統(tǒng)的工作頻率；[α]表示電源監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集在一個周期的輸出功耗，其取值為[0≤α≤1。]

由式（1）可知，系統(tǒng)的[Vdd]越低，其輸出的靜態(tài)功耗[Pspc]就越低。采用電容交流耦合降低輸出功耗，采用ADG3301進行AD/DA轉(zhuǎn)換降低工作電壓，此時電源監(jiān)控系統(tǒng)的靜態(tài)功耗[Pspc]由[Vdd]和[Idd]決定。由最大時鐘頻率調(diào)制原理得知，電源監(jiān)控系統(tǒng)的靜態(tài)功率輸出與[ITC，][CT，][fp]相關。系統(tǒng)的電導參數(shù)[G=1RL，]監(jiān)控系統(tǒng)傳輸基陣通過A/D采樣將輸出電源的脈沖信號轉(zhuǎn)化為電信號，產(chǎn)生導納參數(shù)[B=jωC，]因MOS電路的[Pspc]僅占總功耗的1%左右，因此，電源監(jiān)控系統(tǒng)的主要功耗為[Pdpc。]根據(jù)上述設計原理，得到電源監(jiān)控系統(tǒng)采集的時鐘頻率為15 MHz，DSP的最低速度應大于[25×20=500 MHz。]

1.2 主控芯片及外圍電路設計

在進行電源監(jiān)控系統(tǒng)的外圍電路設計中，采用的主控芯片為TRF7960型號，TRF7960芯片集成了RFID 13.56 MHz射頻前端和數(shù)據(jù)幀處理系統(tǒng)的遠程識別和控制功能。采用ZigBee技術進行電源監(jiān)控系統(tǒng)功能的射頻識別和輸出控制，基于嵌入式技術設計電源監(jiān)控系統(tǒng)的硬件模塊，系統(tǒng)的硬件電路設計主要包括RTC模塊電路設計（包括放大電路、調(diào)理電路、濾波電路等）、時鐘電路設計。采用并行外設接口（PPI）構(gòu)建電源監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器模塊，它是半雙工形式[7?8]。采用ARM Cortex?M0處理器執(zhí)行外部程序存儲和數(shù)據(jù)加載，在器件和核心芯片選擇方面，從電源監(jiān)控系統(tǒng)的輸出功耗及性能考慮，采用意法半導體公司的STM32F101xx芯片作為主控芯片。在進行系統(tǒng)的外圍器件選擇中，還應能達到一定的技術指標，為此對電源監(jiān)控系統(tǒng)的模擬信號預處理機動態(tài)范圍、外部I/O設備的A/D分辨率、A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率、模擬信號預處理機的放大倍數(shù)等進行指標設計，得到電源監(jiān)控系統(tǒng)外圍器件選擇的技術指標如下：

（1） 動態(tài)增益范圍：-40～40 dB，根據(jù)信號的大小自動調(diào)整系統(tǒng)的放大倍數(shù)，放大量為80 dB，根據(jù)信號大小自動調(diào)整系統(tǒng)的放大倍數(shù)，輸出信號幅度為±10 V；

（2） 功放管和變壓器的通道：8通道同步、異步輸入；

（3） 整個系統(tǒng)阻抗匹配網(wǎng)絡采樣率：[≥200 kHz；]

（4） A/D分辨率：12位（至少）；

（5） D/A分辨率：12位（至少）；

（6） 負載功率：[≥]120 W；

（7） 采用雙路16位電流輸出的信號形式，包括CW，LFM，HFM等。

在電源監(jiān)控系統(tǒng)的主控模塊中采用STM32F101xx芯片，STM32F101xx是一款以ARM Cortex?M3為內(nèi)核的32位高性能RISC芯片，支持8個立體聲I2S通道的A/D數(shù)據(jù)采樣，具有豐富的外圍接口和I/O端口；電源監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合AD/DA轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)16位數(shù)據(jù)的輸入輸出，結(jié)合AD/DA轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)電動汽車智能充電控制信息。采用ZigBee進行電源監(jiān)控系統(tǒng)的自動控制和遠程控制[9]。ZigBee的MAC層采用talk?when?ready碰撞避免機制，ZigBee網(wǎng)絡中每個FFD設備可連接多達255個節(jié)點，STM32F101xx是較為適合的電源監(jiān)控微處理器芯片。在電源監(jiān)控系統(tǒng)的SMA和UFL接口設計中，將STM32F101xx給予相應的晶振和復位電路，采用星形拓撲的方式對端口進行分配[10]，其具體電路原理圖如圖2所示。

2 電路硬件設計與實現(xiàn)

2.1 電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以Linux 2.6.32內(nèi)核為平臺，采用ZigBee技術結(jié)合STM32嵌入式處理器設計電路系統(tǒng)，為了降低系統(tǒng)的功耗，選擇工作電壓較低的元器件和工作頻率低的芯片，智能電源監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器模塊配置為4路組聯(lián)合Cache，采用8位和16位微控制器進行智能電源監(jiān)控系統(tǒng)的嵌入式控制設計，在電源監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器模塊中，電源監(jiān)控系統(tǒng)的電導參數(shù)[G=1RL，]監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸基陣通過A/D采樣將輸出電源脈沖信號轉(zhuǎn)化為電信號，產(chǎn)生導納[B=jωC，]開關控制電平或輸出動態(tài)增益[φ0]為：

當功放管的最佳工作狀態(tài)系數(shù)[BL=][-j1ωL]時，由D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓信號，電源監(jiān)控系統(tǒng)基線恢復器的負載功率為：

在電源監(jiān)控系統(tǒng)激勵電壓不變的條件下，使用選擇功放管和變壓器進行時鐘采樣，系統(tǒng)PCI總線提供了3組電源：±12 V，+5 V和+3.3 V。選擇不同的供電電源接入串行電路中，得到電源監(jiān)控系統(tǒng)PCI總線在中心頻率[f0]處的負載滿足[BL=B，]則此時電源監(jiān)控系統(tǒng)進行位置檢測的換能器負載為：

2.2 系統(tǒng)模塊化電路設計與實現(xiàn)

在進行電路結(jié)構(gòu)分析的基礎上，模塊化設計電源監(jiān)控系統(tǒng)的硬件，主要包括傳感器模塊、ZigBee核心控制模塊、主控電路、復位電路、同步時鐘設計和信號調(diào)理電路設計等。在電源監(jiān)控系統(tǒng)工作中心頻率[f0]處進行時鐘匹配，射頻芯片選擇具有低功耗特性的TRF7960。采用ZigBee進行監(jiān)控系統(tǒng)的可編程邏輯控制設計，ZigBee支持多種協(xié)議、超低功耗模式，采用串行或并行有源晶振作為時鐘源，經(jīng)24倍頻后進行數(shù)據(jù)交互，使用有源晶振構(gòu)建電源監(jiān)控系統(tǒng)的時鐘電路，如圖4所示。

電源監(jiān)控系統(tǒng)選用頻率為14 MHz、電壓為3.4 V的有源晶振作為時鐘源，采用雙路16位電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換，TRF7960連接選擇的STM32F101xx。為完成電源監(jiān)控系統(tǒng)傳感器模塊的接口電路設計，TRF7960與MCU通信采用ZigBee的84個I/O單元來實現(xiàn)3.3 V ISP（In System Programmable），外部輸出選用SPI接口方式。因SPI通信時數(shù)據(jù)處于異步處理狀態(tài)，較并口方式有一定的差異。在EPM7128AETI100上連入各芯片的讀寫和片選信號，實現(xiàn)TRF7960與STM32F101xx的通信。

在EPM7128AETI100與其余芯片連接時，將TRF7960的I/O_0～I/O_7作為并口輸入輸出端，構(gòu)建電源監(jiān)控系統(tǒng)的ZigBee核心控制模塊，橋接芯片PCI9054與STM32F101xx的GPIO口相連接，同時構(gòu)建控制總線，實現(xiàn)對橋接芯片PCI9054的控制和編程，其電路原理圖如圖5所示。在TRF7960的OSC_IN和OSC_OUT間接入13.56 MHz的晶振，并通過計算接入濾波電容[C41]和[C42。]

EPM7128AETI100的供電電壓是3.3 V，必須依據(jù)各芯片的片選信號和讀寫信號估算監(jiān)控系統(tǒng)電感，再進行其他參數(shù)的匹配。而TRF7960支持的EPM7128AETI100有直接匹配識讀器和邏輯電路功能，選擇足夠I/O單元的CPLD器件作為電源監(jiān)控系統(tǒng)信號調(diào)理電路模塊，信號調(diào)理電路模塊選用Siemens公司的MC35i塊，為電源監(jiān)控系統(tǒng)提供內(nèi)嵌GSM/GPRS功能。5409A的串口配置通過標準RS 232接口進行外部雙端口RAM通信和FLASH設計，使得監(jiān)控系統(tǒng)的輸出端口方便連接STM32。基于ZigBee技術進行DSP中斷、數(shù)字濾波設計。STM32通過串口發(fā)出AT命令，實現(xiàn)對模塊的可編程控制，其連接原理圖如圖6所示。

3 測試結(jié)果與分析

對整個電源監(jiān)控系統(tǒng)的各個模塊進行電路調(diào)試和性能分析。電路調(diào)試分為放大器調(diào)試、濾波器調(diào)試、檢波器調(diào)試、自動增益控制調(diào)試等部分。各個模塊工作正常以后，進行電源監(jiān)控系統(tǒng)的集成電路調(diào)試。假設電源監(jiān)控系統(tǒng)輸入直流信號[Vi]在1.2～1.4 V之間，把起控點設在100 μV，輸入信號[Vi1]為峰峰值為2 V，頻率可變的正弦波，得到電源監(jiān)控系統(tǒng)的高通濾波特性曲線如圖7所示。電源監(jiān)控系統(tǒng)的低通濾波特性曲線如圖8所示。

根據(jù)上述調(diào)試結(jié)果，可以計算出電源監(jiān)控系統(tǒng)高通濾波器S3529的截止頻率[fl=87 Hz、]衰減特性為22.1 dB，低通濾波器S3528的截止頻率[fH=]2 215 Hz、衰減特性為20.9 dB，有效濾除頻率在800 Hz以上的信號。進一步計算得到電源監(jiān)控系統(tǒng)接收機的動態(tài)增益范圍為[20lg5 mV0.1 mV=34 dB，]電路調(diào)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)功耗較小，輸出功率增益較大，具有較高的控制品質(zhì)，且系統(tǒng)設計滿足提出的功能技術指標。

4 結(jié) 語

為了提高電源監(jiān)控系統(tǒng)的品質(zhì)和增益，提出基于ZigBee的電源監(jiān)控系統(tǒng)設計方法。并進行了電路調(diào)試測試分析，研究表明：

（1） 高通濾波器S3529的截止頻率[fl]=87 Hz、衰減特性為22.1 dB；

（2） 低通濾波器S3528的截止頻率[fH=]2 215 Hz、衰減特性為20.9 dB；

（3） 相比高通濾波器，低通濾波器可有效濾除頻率在800 Hz以上的信號。

由此可知，采用本文設計的系統(tǒng)進行電源監(jiān)控，具有較高的電源監(jiān)控調(diào)理性能，功耗較小，輸出功率增益較大，具有較高的控制品質(zhì)，應用價值較高。在后續(xù)的研究工作中，可重點對電源監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控性能進行研究。

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