“被閃電擊中的可能性”是一個(gè)短語(yǔ)，用于表示某些事情不太可能發(fā)生。盡管如此，根據(jù)美國(guó)國(guó)家氣象局的數(shù)據(jù)，美國(guó)每年(1982年至2010年)平均有54人死亡事件是由于雷擊造成的，只有百分之十的人實(shí)際死亡。歷史表明，一個(gè)人受到被閃電擊中的人的一生機(jī)會(huì)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(fēng)暴期間處于不安全的地方。這可能意味著當(dāng)?shù)湫偷南挛顼L(fēng)暴襲來(lái)，或者在寧?kù)o的山谷湖泊中游泳并且沒(méi)有注意到即將到來(lái)的風(fēng)暴時(shí)，被Pike‘s Peak捕獲。

如果對(duì)即將來(lái)臨的風(fēng)暴有足夠的警告，就可以避免這種情況。雖然經(jīng)驗(yàn)法則涉及計(jì)算閃電和雷電之間的秒數(shù)，但卻給人一種安全感，人們不能總是看到閃電(特別是如果它是云到云)，有些人根本沒(méi)有注意。例如，當(dāng)一個(gè)人想出來(lái)時(shí)，如果一群孩子在湖邊游泳需要尋求庇護(hù)，那可能為時(shí)已晚。

奧地利微電子公司(現(xiàn)為ams)開(kāi)發(fā)了一種傳感器，可以使風(fēng)暴預(yù)測(cè)更加可靠，稱為富蘭克林閃電傳感器AS3935。它是一種單芯片電路，可檢測(cè)并向入射風(fēng)暴的“前沿”提供距離估計(jì)。

“前沿”這個(gè)短語(yǔ)有點(diǎn)誤導(dǎo)，因?yàn)樗砻饕粋€(gè)人正處于暴風(fēng)雨的直接道路上。事實(shí)上，就這個(gè)傳感器而言，前緣只是風(fēng)暴的最近邊緣，如果風(fēng)暴在附近發(fā)出掠射，它可能永遠(yuǎn)不會(huì)真正到達(dá)。然而，它與你的距離 - 無(wú)論它在哪里 - 都是最相關(guān)的信息。

用于估計(jì)距離的算法在電路中是硬編碼的;沒(méi)有涉及軟件。可以設(shè)置各種引腳和寄存器來(lái)配置不同的設(shè)置，但基本計(jì)算對(duì)用戶來(lái)說(shuō)仍然是不透明的。這極大地簡(jiǎn)化了設(shè)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(jì)值，但系統(tǒng)的其余部分可以使用該信息執(zhí)行某些操作，例如發(fā)出某種警告。

基本操作

內(nèi)部算法包括兩個(gè)關(guān)鍵的基本任務(wù)：分析電脈沖以確定它是否是雷擊，如果是，則估算風(fēng)暴距離。請(qǐng)注意，給定的距離不是實(shí)際檢測(cè)到的雷擊距離，而是通過(guò)對(duì)最近檢測(cè)到的撞擊模式的統(tǒng)計(jì)分析確定的到風(fēng)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(chǎn)生的電磁脈沖可以通過(guò)調(diào)諧到500 kHz，帶寬為33 kHz的外部天線(見(jiàn)圖2)進(jìn)行檢測(cè)。模擬前端(AFE)解調(diào)和放大天線信號(hào)，一旦事件超過(guò)其閾值，看門狗電路就會(huì)向閃電探測(cè)器發(fā)出警報(bào)。然而，許多其他電磁事件產(chǎn)生高能量事件。重要的是，這種非閃電“干擾器”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(cè)過(guò)程的第一步是確定事件是否具有雷擊特征。如果不是，它將被拒絕，因?yàn)樗且粋€(gè)令人不安的結(jié)果。如果它確定它是閃電，則計(jì)算并存儲(chǔ)事件的能量，然后基于該事件和先前事件計(jì)算風(fēng)暴距離。然后引發(fā)中斷，以便微控制器(或其他外部設(shè)備)可以檢索信息并采取措施。

此過(guò)程產(chǎn)生了設(shè)備的三種操作模式中的兩種。第一種是“監(jiān)聽(tīng)模式”，它表示設(shè)備開(kāi)啟的時(shí)間，但未檢測(cè)到任何事件。一旦檢測(cè)到事件，設(shè)備就會(huì)切換到“信號(hào)驗(yàn)證”模式。信號(hào)驗(yàn)證完成后，設(shè)備返回聆聽(tīng)模式。

這些模式會(huì)影響設(shè)備的功耗。實(shí)際上，還有第三種“掉電”模式可用于在使器件退出有效操作時(shí)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(hào)參數(shù)典型值最大值單位IPWDROFF VREG為OFF時(shí)的掉電電流12μAIWDRON電源 - VREG為ON時(shí)的下降電流815μAIshMROFF聆聽(tīng)模式下的電流消耗6080μASISVM電流消耗信號(hào)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(guò)向外部設(shè)備發(fā)出中斷來(lái)管理事件通知。然后，外部設(shè)備詢問(wèn)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(qū)分：

一個(gè)指示雷擊 - INT_L(1000) ;

一個(gè)表示干擾事件 - INT_D(0100);

一個(gè)表示噪音太大 - INT_NH(0001) - 稍后會(huì)詳細(xì)說(shuō)明。

請(qǐng)注意，外部設(shè)備必須在IRQ信號(hào)激活的時(shí)間和寄存器值的實(shí)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(xiàng)(REG0x03 [5] = 1)屏蔽干擾中斷?？梢允褂肐²C或SPI進(jìn)行通信，通過(guò)將SI引腳置為高電平(I²C)或低電平(SPI)來(lái)選擇。

如果發(fā)生雷擊中斷，寄存器REG0x07 [5：0]將加載一個(gè)值，表示估計(jì)到風(fēng)暴的距離。該值的范圍從000001(表示風(fēng)暴開(kāi)銷)到101000(表示可靠檢測(cè)到的最大距離，即40 km)。值111111表示風(fēng)暴超出范圍。器件數(shù)據(jù)表中提供了中間值。

調(diào)整和調(diào)整

雖然雷電檢測(cè)算法是固定的，但可以進(jìn)行調(diào)整以優(yōu)化設(shè)備在各種情況下的性能。

默認(rèn)情況下，設(shè)備將針對(duì)室內(nèi)操作進(jìn)行優(yōu)化。這意味著AFE增益會(huì)更高。通過(guò)改變寄存器REG0x00 [5：1]的值，可以降低室外操作的增益;值10010用于室內(nèi)操作，值01110用于室外操作。

靈敏度也可以調(diào)整。更高的靈敏度意味著可以更遠(yuǎn)地探測(cè)到閃電，但它也增加了干擾事件被誤解為閃電的可能性。有兩種方法可以調(diào)整設(shè)備的響應(yīng)速度。

第一種方法是使用寄存器WDTH(REG0x01 [3：0])調(diào)整看門狗的閾值。這決定了看門狗觸發(fā)驗(yàn)證的級(jí)別。圖4顯示了對(duì)探測(cè)效率的影響。該圖表明，抑制干擾事件也會(huì)降低探測(cè)遠(yuǎn)距離雷擊的能力。

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

第二次調(diào)整與驗(yàn)證電路有關(guān)。該電路通過(guò)檢查檢測(cè)到的事件的形狀來(lái)工作。特別是，它設(shè)置為抑制雜散尖峰，但可以使用寄存器SREJ(REG0x02 [3：0])調(diào)整尖峰抑制。這也會(huì)影響檢測(cè)效率，如圖5所示。默認(rèn)情況下，SREJ設(shè)置為0010。

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

該設(shè)備還受到環(huán)境電噪聲的影響;環(huán)境越嘈雜，辨別閃電事件就越困難。 AS3935對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行采樣以確定總噪聲基底。如果噪聲電平上升到過(guò)高電平，則發(fā)出并保持INT_NH中斷直到噪聲消失。當(dāng)噪聲過(guò)高時(shí)，閃電檢測(cè)暫停，并在噪聲降至可接受的水平時(shí)恢復(fù)。

可以通過(guò)設(shè)置寄存器REG0x01 [6：4]中的值來(lái)調(diào)整因噪聲而暫停操作的閾值。默認(rèn)值為010，對(duì)應(yīng)室外860μV(rms)或室內(nèi)62μV(rms)。

忽略被誤認(rèn)為閃電的干擾事件的另一種方法是在設(shè)備引發(fā)中斷之前的17分鐘間隔內(nèi)需要一定數(shù)量的事件。使用寄存器REG0x02 [5：4]，最小事件數(shù)可以設(shè)置為1，5，9或16.

功率調(diào)節(jié)

AS3935有一個(gè)內(nèi)部功率調(diào)節(jié)器，可以根據(jù)需要使用。此選擇使用EN_VREG引腳進(jìn)行，將其高電平連接以啟用內(nèi)部穩(wěn)壓器，并將其連接至低電平以禁用它。使用時(shí)，原始電源施加在VDD引腳上，調(diào)節(jié)值出現(xiàn)在VREG引腳上，需要額外的旁路電容。如果不使用內(nèi)部穩(wěn)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(nèi)部穩(wěn)壓器; a)表示沒(méi)有內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)，b)表示啟用內(nèi)部調(diào)節(jié)。 (由ams提供。)

內(nèi)部監(jiān)管機(jī)構(gòu)確實(shí)在名義上增加了功耗;圖3中的VREG設(shè)置表明了這一點(diǎn)。

評(píng)估板和閃電模擬器

ams提供了一個(gè)評(píng)估板，其中包括一個(gè)預(yù)警報(bào)警器和一個(gè)LED顯示屏，提供有關(guān)檢測(cè)到的事件的信息(見(jiàn)圖7) 。

圖7：AS3935-DK評(píng)估板。 (由ams提供。)

伴隨評(píng)估板的是手持式閃電仿真器(見(jiàn)圖8)，可用于測(cè)試和調(diào)整評(píng)估板上的探測(cè)器。

圖8：用于AS3935評(píng)估板的Lightning仿真器。 (由ams提供。)

兩塊電路板均由電池供電;評(píng)估板可以通過(guò)USB線連接到計(jì)算機(jī)。軟件隨附板卡，用于調(diào)整AS3935的設(shè)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(shè)置。

圖9：AS3935評(píng)估板GUI。 (由ams提供。)