丁杨　李启丙

摘 要： 针对电源监控功耗过大，精度不高的问题，提出一种基于ZigBee的电源监控系统设计方法。首先进行电源监控系统的整体结构设计，设计主控芯片及外围电路；然后进行电源监控系统的硬件模块化设计，主要包括传感器模块、ZigBee核心控制模块、主控电路、复位电路、同步時钟设计和信号调理电路设计等。采用ARM Cortex?M0 处理器内核实现电源监控系统集成设计；最后进行系统的电路调试测试分析，测试结果表明，采用该设计系统具有较高的电源监控调理性能，功耗较小，输出功率增益较大，具有较高的控制品质。

关键词： ZigBee； 电源监控系统； 硬件模块化设计； 控制

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 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

电网系统的影响因素多元，控制参数复杂，对电源精确控制和监控能保障供电安全，确保电源输出的稳定性，实现电网系统的高效利用。因此，研究一种高品质的电源监控系统具有重要意义[1]。传统的电源监控系统设计方法中，主要有：基于PLC可编程逻辑的电源监控系统设计方法[2]，基于RFID技术的电源监控系统分层控制设计方法等[3]。采用分散控制系统（Distributed Control Systems，DCS）实现电源监控系统的可靠性设计，但是当前的电源监控系统存在功耗过大，精度不高的问题。为此，本文进行电源监控系统的改进设计，采用ZigBee技术设计电源监控系统，ZigBee网络支持两种物理设备：精简功能设备 （Reduced Function Device）和全功能设备（Full Function Device）。根据ZigBee标准，ZigBee网络中共有三种设备，分别为协调器、路由器和终端设备，因此ZigBee应用在电源监控系统设计中，能有效实现对电源监控的集成控制和数据传输[4?5]。在系统的集成设计中，采用JN5139无线微处理器触发ZigBee模块完成电源监控工作后再进入睡眠状态，将信息传送到中央控制设计中，实现电源监控。本文首先进行系统的总体设计，采用ARM Cortex?M0 处理器内核实现电源监控系统集成设计，最后进行系统的电路调试测试分析，展示所设计系统的可靠性和优越性。

1 系统总体设计描述

1.1 电源监控系统的总体设计描述

首先构建电源监控系统的总体结构模型，系统主要由处理器模块、通信模块、ZigBee核心控制模块、同步时钟设计，射频模块、天线模块和人机接口模块等组成。电源监控系统总体框架如图1所示。

采用ZigBee终端设备进行协调器、路由器和终端设备的集成控制。在电源监控系统的ZigBee协议设计中，定义了三种类型的网络拓扑形式，分别为星形拓扑、树形拓扑和网状拓扑[6]。本系统采用星形拓扑的方式，构建电源监控系统的分散控制功率放大器进行功率放大设计，在总体设计架构的基础上，进行系统的功能指标分析，电源监控系统的输入电压范围为：±220 V，±360 V，具有16位定点STM32内核，电源监控系统的最高采样速率为250 kHz，系统的输出模块采用CAN2.0B接口，采用8个32位定时器/计数器构成整个电源监控系统的核心处理器。电源监控系统功耗是约束系统品质的重要因素。采用低功耗设计方法，电源监控系统功耗主要来自静态功耗[Pspc]和动态功耗[Pdpc，]即：

其中： [Vdd]表示系统工作的额定电压值，单位为V；[Idd]表示电源监控系统输出漏电流值，单位为A；[ITC]表示同步串行电流的均值；[CT]表示电源监控系统触发器的负载电容；[fp]表示系统的工作频率；[α]表示电源监控系统数据采集在一个周期的输出功耗，其取值为[0≤α≤1。]

由式（1）可知，系统的[Vdd]越低，其输出的静态功耗[Pspc]就越低。采用电容交流耦合降低输出功耗，采用ADG3301进行AD/DA转换降低工作电压，此时电源监控系统的静态功耗[Pspc]由[Vdd]和[Idd]决定。由最大时钟频率调制原理得知，电源监控系统的静态功率输出与[ITC，][CT，][fp]相关。系统的电导参数[G=1RL，]监控系统传输基阵通过A/D采样将输出电源的脉冲信号转化为电信号，产生导纳参数[B=jωC，]因MOS电路的[Pspc]仅占总功耗的1%左右，因此，电源监控系统的主要功耗为[Pdpc。]根据上述设计原理，得到电源监控系统采集的时钟频率为15 MHz，DSP的最低速度应大于[25×20=500 MHz。]

1.2 主控芯片及外围电路设计

在进行电源监控系统的外围电路设计中，采用的主控芯片为TRF7960型号，TRF7960芯片集成了RFID 13.56 MHz射频前端和数据帧处理系统的远程识别和控制功能。采用ZigBee技术进行电源监控系统功能的射频识别和输出控制，基于嵌入式技术设计电源监控系统的硬件模块，系统的硬件电路设计主要包括RTC模块电路设计（包括放大电路、调理电路、滤波电路等）、时钟电路设计。采用并行外设接口（PPI）构建电源监控系统的传感器模块，它是半双工形式[7?8]。采用ARM Cortex?M0处理器执行外部程序存储和数据加载，在器件和核心芯片选择方面，从电源监控系统的输出功耗及性能考虑，采用意法半导体公司的STM32F101xx芯片作为主控芯片。在进行系统的外围器件选择中，还应能达到一定的技术指标，为此对电源监控系统的模拟信号预处理机动态范围、外部I/O设备的A/D分辨率、A/D转换器转换速率、模拟信号预处理机的放大倍数等进行指标设计，得到电源监控系统外围器件选择的技术指标如下：

（1） 动态增益范围：-40～40 dB，根据信号的大小自动调整系统的放大倍数，放大量为80 dB，根据信号大小自动调整系统的放大倍数，输出信号幅度为±10 V；

（2） 功放管和变压器的通道：8通道同步、异步输入；

（3） 整个系统阻抗匹配网络采样率：[≥200 kHz；]

（4） A/D分辨率：12位（至少）；

（5） D/A分辨率：12位（至少）；

（6） 负载功率：[≥]120 W；

（7） 采用双路16位电流输出的信号形式，包括CW，LFM，HFM等。

在电源监控系统的主控模块中采用STM32F101xx芯片，STM32F101xx是一款以ARM Cortex?M3为内核的32位高性能RISC芯片，支持8个立体声I2S通道的A/D数据采样，具有丰富的外围接口和I/O端口；电源监控系统结合AD/DA转换器实现16位数据的输入输出，结合AD/DA转换器实现电动汽车智能充电控制信息。采用ZigBee进行电源监控系统的自动控制和远程控制[9]。ZigBee的MAC层采用talk?when?ready碰撞避免机制，ZigBee网络中每个FFD设备可连接多达255个节点，STM32F101xx是较为适合的电源监控微处理器芯片。在电源监控系统的SMA和UFL接口设计中，将STM32F101xx给予相应的晶振和复位电路，采用星形拓扑的方式对端口进行分配[10]，其具体电路原理图如图2所示。

2 电路硬件设计与实现

2.1 电路系统结构

以Linux 2.6.32内核为平台，采用ZigBee技术结合STM32嵌入式处理器设计电路系统，为了降低系统的功耗，选择工作电压较低的元器件和工作频率低的芯片，智能电源监控系统的传感器模块配置为4路组联合Cache，采用8位和16位微控制器进行智能电源监控系统的嵌入式控制设计，在电源监控系统的传感器模块中，电源监控系统的电导参数[G=1RL，]监控系统的传输基阵通过A/D采样将输出电源脉冲信号转化为电信号，产生导纳[B=jωC，]开关控制电平或输出动态增益[φ0]为：

当功放管的最佳工作状态系数[BL=][-j1ωL]时，由D/A转换器输出电压信号，电源监控系统基线恢复器的负载功率为：

在电源监控系统激励电压不变的条件下，使用选择功放管和变压器进行时钟采样，系统PCI总线提供了3组电源：±12 V，+5 V和+3.3 V。选择不同的供电电源接入串行电路中，得到电源监控系统PCI总线在中心频率[f0]处的负载满足[BL=B，]则此时电源监控系统进行位置检测的换能器负载为：

2.2 系统模块化电路设计与实现

在进行电路结构分析的基础上，模块化设计电源监控系统的硬件，主要包括传感器模块、ZigBee核心控制模块、主控电路、复位电路、同步时钟设计和信号调理电路设计等。在电源监控系统工作中心频率[f0]处进行时钟匹配，射频芯片选择具有低功耗特性的TRF7960。采用ZigBee进行监控系统的可编程逻辑控制设计，ZigBee支持多种协议、超低功耗模式，采用串行或并行有源晶振作为时钟源，经24倍频后进行数据交互，使用有源晶振构建电源监控系统的时钟电路，如图4所示。

電源监控系统选用频率为14 MHz、电压为3.4 V的有源晶振作为时钟源，采用双路16位电流输出型D/A转换，TRF7960连接选择的STM32F101xx。为完成电源监控系统传感器模块的接口电路设计，TRF7960与MCU通信采用ZigBee的84个I/O单元来实现3.3 V ISP（In System Programmable），外部输出选用SPI接口方式。因SPI通信时数据处于异步处理状态，较并口方式有一定的差异。在EPM7128AETI100上连入各芯片的读写和片选信号，实现TRF7960与STM32F101xx的通信。

在EPM7128AETI100与其余芯片连接时，将TRF7960的I/O_0～I/O_7作为并口输入输出端，构建电源监控系统的ZigBee核心控制模块，桥接芯片PCI9054与STM32F101xx的GPIO口相连接，同时构建控制总线，实现对桥接芯片PCI9054的控制和编程，其电路原理图如图5所示。在TRF7960的OSC_IN和OSC_OUT间接入13.56 MHz的晶振，并通过计算接入滤波电容[C41]和[C42。]

EPM7128AETI100的供电电压是3.3 V，必须依据各芯片的片选信号和读写信号估算监控系统电感，再进行其他参数的匹配。而TRF7960支持的EPM7128AETI100有直接匹配识读器和逻辑电路功能，选择足够I/O单元的CPLD器件作为电源监控系统信号调理电路模块，信号调理电路模块选用Siemens公司的MC35i块，为电源监控系统提供内嵌GSM/GPRS功能。5409A的串口配置通过标准RS 232接口进行外部双端口RAM通信和FLASH设计，使得监控系统的输出端口方便连接STM32。基于ZigBee技术进行DSP中断、数字滤波设计。STM32通过串口发出AT命令，实现对模块的可编程控制，其连接原理图如图6所示。

3 测试结果与分析

对整个电源监控系统的各个模块进行电路调试和性能分析。电路调试分为放大器调试、滤波器调试、检波器调试、自动增益控制调试等部分。各个模块工作正常以后，进行电源监控系统的集成电路调试。假设电源监控系统输入直流信号[Vi]在1.2～1.4 V之间，把起控点设在100 μV，输入信号[Vi1]为峰峰值为2 V，频率可变的正弦波，得到电源监控系统的高通滤波特性曲线如图7所示。电源监控系统的低通滤波特性曲线如图8所示。

根据上述调试结果，可以计算出电源监控系统高通滤波器S3529的截止频率[fl=87 Hz、]衰减特性为22.1 dB，低通滤波器S3528的截止频率[fH=]2 215 Hz、衰减特性为20.9 dB，有效滤除频率在800 Hz以上的信号。进一步计算得到电源监控系统接收机的动态增益范围为[20lg5 mV0.1 mV=34 dB，]电路调试结果表明，该系统实现功耗较小，输出功率增益较大，具有较高的控制品质，且系统设计满足提出的功能技术指标。

4 结 语

为了提高电源监控系统的品质和增益，提出基于ZigBee的电源监控系统设计方法。并进行了电路调试测试分析，研究表明：

（1） 高通滤波器S3529的截止频率[fl]=87 Hz、衰减特性为22.1 dB；

（2） 低通滤波器S3528的截止频率[fH=]2 215 Hz、衰减特性为20.9 dB；

（3） 相比高通滤波器，低通滤波器可有效滤除频率在800 Hz以上的信号。

由此可知，采用本文设计的系统进行电源监控，具有较高的电源监控调理性能，功耗较小，输出功率增益较大，具有较高的控制品质，应用价值较高。在后续的研究工作中，可重点对电源监控系统的监控性能进行研究。

参考文献

[1] 陆兴华，吴恩燊.基于安卓客户端的智能家居电力控制优化设计[J].电力与能源，2015，35（5）：692?695.

[2] 黄朝，许鑫，刘敦歌，等.基于多传感器的微弱磁异常信号提取方法研究[J].电子测量技术，2015，38（10）：91?95.

[3] 刘洋，章国安.弱湍流条件下LDPC码室内FSO通信系统调制性能分析[J].激光技术，2015，39（3）：410?415.

[4] CHOI J， YU K， KIM Y. A new adaptive component?substitution?based satellite image fusion by using partial replacement [J]. IEEE transactions on geoscience and remote sensing， 2011， 49（1）： 295?309.

[5] MORENO?SALINAS D， PASCOAL A M， ARANDA J. Optimal sensor placement for multiple target positioning with range?only measurements in two?dimensional scenarios [J]. Sensors， 2013， 13（8）： 674?671.

[6] 黃荔生，马善军，许灿华，等.光学电压互感器偏光干涉测量模式：常见偏光干涉测量模式局限性分析[J].电力系统自动化，2014，38（2）：97?101.

[7] 冯颖，张合，张祥金，等.激光探测系统雪崩管实时补偿研究[J].南京理工大学学报（自然科学版），2010，34（6）：787?791.

[8] 柳超，李秀友，黄勇.优化的多模型粒子滤波机动微弱目标检测前跟踪方法[J].信号处理 ，2015，31（9）：1131?1137.

[9] 周勇，甘新年，胡光波，等.鱼雷制导控制系统多通道控制加权算法设计[J].现代电子技术，2014，37（19）：14?17.

[10] 邓异，梁燕，周勇.水声换能器基阵信号采集系统优化设计[J].物联网技术，2015，5（4）：36?37.