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采用闪电传感器AS3935探测风暴距离

出处:电子发烧友 发布于:2019-03-08 14:26:24 | 73 次阅读

“被闪电击中的可能性”是一个短语,用于表示某些事情不太可能发生。尽管如此,根据美国国家气象局的数据,美国每年(1982年至2010年)平均有54人死亡事件是由于雷击造成的,只有百分之十的人实际死亡。历史表明,一个人受到被闪电击中的人的一生机会大约是千分之一。

这些死亡和伤害中的许多都可以避免。典型的原因是在风暴期间处于不安全的地方。这可能意味着当典型的下午风暴袭来,或者在宁静的山谷湖泊中游泳并且没有注意到即将到来的风暴时,被Pike‘s Peak捕获。

如果对即将来临的风暴有足够的警告,就可以避免这种情况。虽然经验法则涉及计算闪电和雷电之间的秒数,但却给人一种安全感,人们不能总是看到闪电(特别是如果它是云到云),有些人根本没有注意。例如,当一个人想出来时,如果一群孩子在湖边游泳需要寻求庇护,那可能为时已晚。

奥地利微电子公司(现为ams)开发了一种传感器,可以使风暴预测更加可靠,称为富兰克林闪电传感器AS3935。它是一种单芯片电路,可检测并向入射风暴的“前沿”提供距离估计。

“前沿”这个短语有点误导,因为它表明一个人正处于暴风雨的直接道路上。事实上,就这个传感器而言,前缘只是风暴的最近边缘,如果风暴在附近发出掠射,它可能永远不会真正到达。然而,它与你的距离 - 无论它在哪里 - 都是最相关的信息。

用于估计距离的算法在电路中是硬编码的;没有涉及软件。可以设置各种引脚和寄存器来配置不同的设置,但基本计算对用户来说仍然是不透明的。这极大地简化了设备的使用。它通常连接到微控制器或其他一些外部电路。 AS3935将生成距离估计值,但系统的其余部分可以使用该信息执行某些操作,例如发出某种警告。

基本操作

内部算法包括两个关键的基本任务:分析电脉冲以确定它是否是雷击,如果是,则估算风暴距离。请注意,给定的距离不是实际检测到的雷击距离,而是通过对最近检测到的撞击模式的统计分析确定的到风暴前缘的距离。 AS3935的框图如图1所示,主要操作块用红色包围。

采用闪电传感器AS3935探测风暴距离

图1:AS3935框图,主要功能单元由红色的边界。 (由ams提供。)

雷击产生的电磁脉冲可以通过调谐到500 kHz,带宽为33 kHz的外部天线(见图2)进行检测。模拟前端(AFE)解调和放大天线信号,一旦事件超过其阈值,看门狗电路就会向闪电探测器发出警报。然而,许多其他电磁事件产生高能量事件。重要的是,这种非闪电“干扰器”不要被误解为闪电 - 反之亦然。

采用闪电传感器AS3935探测风暴距离

图2:AS3935的外部天线连接。 (由ams提供。)

因此,检测过程的第一步是确定事件是否具有雷击特征。如果不是,它将被拒绝,因为它是一个令人不安的结果。如果它确定它是闪电,则计算并存储事件的能量,然后基于该事件和先前事件计算风暴距离。然后引发中断,以便微控制器(或其他外部设备)可以检索信息并采取措施。

此过程产生了设备的三种操作模式中的两种。第一种是“监听模式”,它表示设备开启的时间,但未检测到任何事件。一旦检测到事件,设备就会切换到“信号验证”模式。信号验证完成后,设备返回聆听模式。

这些模式会影响设备的功耗。实际上,还有第三种“掉电”模式可用于在使器件退出有效操作时最小化功耗。不同模式的电流消耗如图3所示。(VREG的含义将在下面讨论。)

电流消耗符号参数典型值最大值单位IPWDROFF VREG为OFF时的掉电电流12μAIWDRON电源 - VREG为ON时的下降电流815μAIshMROFF聆听模式下的电流消耗6080μASISVM电流消耗信号350μA

图3:不同工作模式下的电流消耗。 (由ams提供。)

与微控制器通信

通过向外部设备发出中断来管理事件通知。然后,外部设备询问AS3935中的寄存器以获取必要的信息。有三种不同的可能中断,均由相同的INT引脚指示,但由寄存器REG0x03 [3:0]中的值区分:

一个指示雷击 - INT_L(1000) ;

一个表示干扰事件 - INT_D(0100);

一个表示噪音太大 - INT_NH(0001) - 稍后会详细说明。

请注意,外部设备必须在IRQ信号激活的时间和寄存器值的实际读取之间等待2 ms。如果这些事件不感兴趣,可以使用MASK_DIST选项(REG0x03 [5] = 1)屏蔽干扰中断。可以使用I²C或SPI进行通信,通过将SI引脚置为高电平(I²C)或低电平(SPI)来选择。

如果发生雷击中断,寄存器REG0x07 [5:0]将加载一个值,表示估计到风暴的距离。该值的范围从000001(表示风暴开销)到101000(表示可靠检测到的最大距离,即40 km)。值111111表示风暴超出范围。器件数据表中提供了中间值。

调整和调整

虽然雷电检测算法是固定的,但可以进行调整以优化设备在各种情况下的性能。

默认情况下,设备将针对室内操作进行优化。这意味着AFE增益会更高。通过改变寄存器REG0x00 [5:1]的值,可以降低室外操作的增益;值10010用于室内操作,值01110用于室外操作。

灵敏度也可以调整。更高的灵敏度意味着可以更远地探测到闪电,但它也增加了干扰事件被误解为闪电的可能性。有两种方法可以调整设备的响应速度。

第一种方法是使用寄存器WDTH(REG0x01 [3:0])调整看门狗的阈值。这决定了看门狗触发验证的级别。图4显示了对探测效率的影响。该图表明,抑制干扰事件也会降低探测远距离雷击的能力。

采用闪电传感器AS3935探测风暴距离

图4:看门狗阈值和检测效率之间的关系(假设SREJ = 0000)。 (由ams提供。)

第二次调整与验证电路有关。该电路通过检查检测到的事件的形状来工作。特别是,它设置为抑制杂散尖峰,但可以使用寄存器SREJ(REG0x02 [3:0])调整尖峰抑制。这也会影响检测效率,如图5所示。默认情况下,SREJ设置为0010。

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图5:尖峰抑制与检测效率之间的关系(假设WDTH = 0001)。 (由ams提供。)

该设备还受到环境电噪声的影响;环境越嘈杂,辨别闪电事件就越困难。 AS3935对环境噪声进行采样以确定总噪声基底。如果噪声电平上升到过高电平,则发出并保持INT_NH中断直到噪声消失。当噪声过高时,闪电检测暂停,并在噪声降至可接受的水平时恢复。

可以通过设置寄存器REG0x01 [6:4]中的值来调整因噪声而暂停操作的阈值。默认值为010,对应室外860μV(rms)或室内62μV(rms)。

忽略被误认为闪电的干扰事件的另一种方法是在设备引发中断之前的17分钟间隔内需要一定数量的事件。使用寄存器REG0x02 [5:4],最小事件数可以设置为1,5,9或16.

功率调节

AS3935有一个内部功率调节器,可以根据需要使用。此选择使用EN_VREG引脚进行,将其高电平连接以启用内部稳压器,并将其连接至低电平以禁用它。使用时,原始电源施加在VDD引脚上,调节值出现在VREG引脚上,需要额外的旁路电容。如果不使用内部稳压器,则VREG连接到VDD,不需要额外的电容。这两种配置如图6所示。

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图6:配置内部稳压器; a)表示没有内部电压调节,b)表示启用内部调节。 (由ams提供。)

内部监管机构确实在名义上增加了功耗;图3中的VREG设置表明了这一点。

评估板和闪电模拟器

ams提供了一个评估板,其中包括一个预警报警器和一个LED显示屏,提供有关检测到的事件的信息(见图7) 。

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图7:AS3935-DK评估板。 (由ams提供。)

伴随评估板的是手持式闪电仿真器(见图8),可用于测试和调整评估板上的探测器。

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图8:用于AS3935评估板的Lightning仿真器。 (由ams提供。)

两块电路板均由电池供电;评估板可以通过USB线连接到计算机。软件随附板卡,用于调整AS3935的设置; GUI如图9所示。在此特定视图中可以看到前面描述的许多设置。

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图9:AS3935评估板GUI。 (由ams提供。)

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