採用閃電傳感器AS3935探測風暴距離

採用閃電傳感器AS3935探測風暴距離

電子設計 發表於 2019-03-08 08:34:00

「被閃電擊中的可能性」是一個短語，用於表示某些事情不太可能發生。儘管如此，根據美國國家氣象局的數據，美國每年（1982年至2010年）平均有54人死亡事件是由於雷擊造成的，只有百分之十的人實際死亡。歷史表明，一個人受到被閃電擊中的人的一生機會大約是千分之一。

這些死亡和傷害中的許多都可以避免。典型的原因是在風暴期間處於不安全的地方。這可能意味著當典型的下午風暴襲來，或者在寧靜的山谷湖泊中遊泳並且沒有注意到即將到來的風暴時，被Pike『s Peak捕獲。

如果對即將來臨的風暴有足夠的警告，就可以避免這種情況。雖然經驗法則涉及計算閃電和雷電之間的秒數，但卻給人一種安全感，人們不能總是看到閃電（特別是如果它是雲到雲），有些人根本沒有注意。例如，當一個人想出來時，如果一群孩子在湖邊遊泳需要尋求庇護，那可能為時已晚。

奧地利微電子公司（現為ams）開發了一種傳感器，可以使風暴預測更加可靠，稱為富蘭克林閃電傳感器AS3935。它是一種單晶片電路，可檢測並向入射風暴的「前沿」提供距離估計。

「前沿」這個短語有點誤導，因為它表明一個人正處於暴風雨的直接道路上。事實上，就這個傳感器而言，前緣只是風暴的最近邊緣，如果風暴在附近發出掠射，它可能永遠不會真正到達。然而，它與你的距離 - 無論它在哪裡 - 都是最相關的信息。

用於估計距離的算法在電路中是硬編碼的;沒有涉及軟體。可以設置各種引腳和寄存器來配置不同的設置，但基本計算對用戶來說仍然是不透明的。這極大地簡化了設備的使用。它通常連接到微控制器或其他一些外部電路。 AS3935將生成距離估計值，但系統的其餘部分可以使用該信息執行某些操作，例如發出某種警告。

基本操作

內部算法包括兩個關鍵的基本任務：分析電脈衝以確定它是否是雷擊，如果是，則估算風暴距離。請注意，給定的距離不是實際檢測到的雷擊距離，而是通過對最近檢測到的撞擊模式的統計分析確定的到風暴前緣的距離。 AS3935的框圖如圖1所示，主要操作塊用紅色包圍。

圖1：AS3935框圖，主要功能單元由紅色的邊界。 （由ams提供。）

雷擊產生的電磁脈衝可以通過調諧到500 kHz，帶寬為33 kHz的外部天線（見圖2）進行檢測。模擬前端（AFE）解調和放大天線信號，一旦事件超過其閾值，看門狗電路就會向閃電探測器發出警報。然而，許多其他電磁事件產生高能量事件。重要的是，這種非閃電「幹擾器」不要被誤解為閃電 - 反之亦然。

圖2：AS3935的外部天線連接。 （由ams提供。）

因此，檢測過程的第一步是確定事件是否具有雷擊特徵。如果不是，它將被拒絕，因為它是一個令人不安的結果。如果它確定它是閃電，則計算並存儲事件的能量，然後基於該事件和先前事件計算風暴距離。然後引發中斷，以便微控制器（或其他外部設備）可以檢索信息並採取措施。

此過程產生了設備的三種操作模式中的兩種。第一種是「監聽模式」，它表示設備開啟的時間，但未檢測到任何事件。一旦檢測到事件，設備就會切換到「信號驗證」模式。信號驗證完成後，設備返回聆聽模式。

這些模式會影響設備的功耗。實際上，還有第三種「掉電」模式可用於在使器件退出有效操作時最小化功耗。不同模式的電流消耗如圖3所示。（VREG的含義將在下面討論。）

電流消耗符號參數典型值最大值單位IPWDROFF VREG為OFF時的掉電電流12μAIWDRON電源 - VREG為ON時的下降電流815μAIshMROFF聆聽模式下的電流消耗6080μASISVM電流消耗信號350μA

圖3：不同工作模式下的電流消耗。 （由ams提供。）

與微控制器通信

通過向外部設備發出中斷來管理事件通知。然後，外部設備詢問AS3935中的寄存器以獲取必要的信息。有三種不同的可能中斷，均由相同的INT引腳指示，但由寄存器REG0x03 ［3：0］中的值區分：

一個指示雷擊 - INT_L（1000） ;

一個表示幹擾事件 - INT_D（0100）;

一個表示噪音太大 - INT_NH（0001） - 稍後會詳細說明。

請注意，外部設備必須在IRQ信號激活的時間和寄存器值的實際讀取之間等待2 ms。如果這些事件不感興趣，可以使用MASK_DIST選項（REG0x03 ［5］ = 1）屏蔽幹擾中斷。可以使用I²C或SPI進行通信，通過將SI引腳置為高電平（I²C）或低電平（SPI）來選擇。

如果發生雷擊中斷，寄存器REG0x07 ［5：0］將加載一個值，表示估計到風暴的距離。該值的範圍從000001（表示風暴開銷）到101000（表示可靠檢測到的最大距離，即40 km）。值111111表示風暴超出範圍。器件數據表中提供了中間值。

調整和調整

雖然雷電檢測算法是固定的，但可以進行調整以優化設備在各種情況下的性能。

默認情況下，設備將針對室內操作進行優化。這意味著AFE增益會更高。通過改變寄存器REG0x00 ［5：1］的值，可以降低室外操作的增益;值10010用於室內操作，值01110用於室外操作。

靈敏度也可以調整。更高的靈敏度意味著可以更遠地探測到閃電，但它也增加了幹擾事件被誤解為閃電的可能性。有兩種方法可以調整設備的響應速度。

第一種方法是使用寄存器WDTH（REG0x01 ［3：0］）調整看門狗的閾值。這決定了看門狗觸發驗證的級別。圖4顯示了對探測效率的影響。該圖表明，抑制幹擾事件也會降低探測遠距離雷擊的能力。

圖4：看門狗閾值和檢測效率之間的關係（假設SREJ = 0000）。 （由ams提供。）

第二次調整與驗證電路有關。該電路通過檢查檢測到的事件的形狀來工作。特別是，它設置為抑制雜散尖峰，但可以使用寄存器SREJ（REG0x02 ［3：0］）調整尖峰抑制。這也會影響檢測效率，如圖5所示。默認情況下，SREJ設置為0010。

圖5：尖峰抑制與檢測效率之間的關係（假設WDTH = 0001）。 （由ams提供。）

該設備還受到環境電噪聲的影響;環境越嘈雜，辨別閃電事件就越困難。 AS3935對環境噪聲進行採樣以確定總噪聲基底。如果噪聲電平上升到過高電平，則發出並保持INT_NH中斷直到噪聲消失。當噪聲過高時，閃電檢測暫停，並在噪聲降至可接受的水平時恢復。

可以通過設置寄存器REG0x01 ［6：4］中的值來調整因噪聲而暫停操作的閾值。默認值為010，對應室外860μV（rms）或室內62μV（rms）。

忽略被誤認為閃電的幹擾事件的另一種方法是在設備引發中斷之前的17分鐘間隔內需要一定數量的事件。使用寄存器REG0x02 ［5：4］，最小事件數可以設置為1，5，9或16.

功率調節

AS3935有一個內部功率調節器，可以根據需要使用。此選擇使用EN_VREG引腳進行，將其高電平連接以啟用內部穩壓器，並將其連接至低電平以禁用它。使用時，原始電源施加在VDD引腳上，調節值出現在VREG引腳上，需要額外的旁路電容。如果不使用內部穩壓器，則VREG連接到VDD，不需要額外的電容。這兩種配置如圖6所示。

圖6：配置內部穩壓器; a）表示沒有內部電壓調節，b）表示啟用內部調節。 （由ams提供。）

內部監管機構確實在名義上增加了功耗;圖3中的VREG設置表明了這一點。

評估板和閃電模擬器

ams提供了一個評估板，其中包括一個預警報警器和一個LED顯示屏，提供有關檢測到的事件的信息（見圖7） 。

圖7：AS3935-DK評估板。 （由ams提供。）

伴隨評估板的是手持式閃電仿真器（見圖8），可用於測試和調整評估板上的探測器。

圖8：用於AS3935評估板的Lightning仿真器。 （由ams提供。）

兩塊電路板均由電池供電;評估板可以通過USB線連接到計算機。軟體隨附板卡，用於調整AS3935的設置; GUI如圖9所示。在此特定視圖中可以看到前面描述的許多設置。

圖9：AS3935評估板GUI。 （由ams提供。）

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