如何將無(wú)線鏈路添加到智能電表設(shè)計(jì)中

智能電表是創(chuàng)建智能家居的核心。能夠測(cè)量家庭的總體電力使用量并將數(shù)據(jù)反饋給公用事業(yè)公司是管理公用電網(wǎng)負(fù)荷并最終減少消費(fèi)者賬單的關(guān)鍵因素。

為電表添加無(wú)線連接是使用最新的RF模塊相對(duì)簡(jiǎn)單。它們提供經(jīng)認(rèn)證可用于特定地理區(qū)域的所有RF連接。但是，這些模塊需要連接到儀表以直接獲取數(shù)據(jù)，或者連接到正在消耗電流的傳感器。這可以通過(guò)低成本的8位微控制器相對(duì)容易地完成。

使用未經(jīng)調(diào)節(jié)的1 GHz以下頻段對(duì)于智能電表設(shè)計(jì)具有許多優(yōu)勢(shì)。較低的頻率可以在較長(zhǎng)的距離內(nèi)提供較低的數(shù)據(jù)速率，從而為系智能電表每天只需要發(fā)送少量數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)速率很低。這允許使用更長(zhǎng)的范圍，并且與諸如ZigBee的協(xié)議非常不同，ZigBee可以在2.4GHz下承載更多數(shù)據(jù)。使用低于1 GHz的頻段還可以避免來(lái)自2.4 GHz信號(hào)源（如Wi-Fi，藍(lán)牙和微波爐）的潛在干擾，這進(jìn)一步降低了建立可靠無(wú)線鏈路所需的功率。

德州儀器的最新射頻芯片已被證明在這些較低頻率下，在最遠(yuǎn)10 km的距離內(nèi)攜帶低數(shù)據(jù)速率（幾kbyte/s）。這有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：可以將更多設(shè)備連接到單個(gè)集線器或集中器，或者可以顯著降低RF收發(fā)器的功耗。這允許系統(tǒng)架構(gòu)師優(yōu)化功耗和范圍的平衡。例如，幾條房屋的街道可以通過(guò)低于1 GHz的鏈路連接到街道中的集中器，從而避免在每個(gè)家庭中使用寬帶集線器。

模塊支持不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌琰c(diǎn)對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，對(duì)等和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，具體取決于系統(tǒng)架構(gòu)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)允許相鄰單元鏈接在一起并攜帶數(shù)據(jù)，從而大大擴(kuò)展了覆蓋范圍。這會(huì)影響數(shù)據(jù)速率，但對(duì)于智能電表網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，節(jié)省成本比數(shù)據(jù)速率更重要，并且有足夠的空間來(lái)支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

RF模塊

Anaren的A1101R04C是可用于智能電表設(shè)計(jì)的1 GHz以下RF模塊的一個(gè)很好的例子，它將晶體，內(nèi)部穩(wěn)壓器，匹配電路和濾波器集成到可以輕松安裝在電路板上的表面貼裝設(shè)計(jì)中。9 x 12 x 2.5 mm模塊通過(guò)U.FL連接器使用外部天線，用于433.05至434.79 MHz的歐洲頻段，非常適合實(shí)現(xiàn)低功耗無(wú)線連接，無(wú)需處理廣泛的RF設(shè)計(jì)和法規(guī)遵從性，并且提供快速上市時(shí)間。

圖1：A1101R04C 1 GHz以下RF模塊。

模塊經(jīng)過(guò)100％測(cè)試，可提供一致的性能，模塊化認(rèn)證允許OEM將帶有認(rèn)可天線的模塊放置在成品中不得不對(duì)故意散熱器進(jìn)行昂貴的監(jiān)管測(cè)試。

天線設(shè)計(jì)

對(duì)于智能電表等應(yīng)用，如家庭中安裝了該設(shè)備，全向天線模式使設(shè)備可以在任何方向上同樣良好地工作。類似地，對(duì)于對(duì)等或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)應(yīng)用，期望全向模式，因此所有節(jié)點(diǎn)都具有公平的通信機(jī)會(huì)。 A1101R04C具有經(jīng)批準(zhǔn)的近全向單極天線，但重要的是要注意，末端輻射方向圖不僅取決于天線，還取決于地平面，外殼和安裝環(huán)境。

天線匹配提供正確的負(fù)載發(fā)射放大器實(shí)現(xiàn)最高輸出功率，以及正確的負(fù)載，為接收低噪聲放大器（LNA）實(shí)現(xiàn)最佳靈敏度和所需范圍。模塊中的電源管理可確保內(nèi)部功能的穩(wěn)定供電，并為低功耗睡眠模式提供方法（在這種情況下，大多數(shù)收發(fā)器都已斷電）。

Interface

物理層提供數(shù)據(jù)，符號(hào)和RF信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，而MAC層是邏輯鏈路層的一部分，并提供幀處理，尋址和媒體訪問(wèn)服務(wù)。物理層和MAC層的寄存器和命令通過(guò)SPI串行接口暴露給微控制器，這可以由8位微控制器（如Microchip PIC12）處理。下面詳細(xì)討論如何使用PIC12以及如何實(shí)現(xiàn)SPI接口。

物理層和MAC層功能通過(guò)SPI總線通過(guò)可尋址寄存器和執(zhí)行命令進(jìn)行訪問(wèn)。接收或發(fā)送的數(shù)據(jù)也可通過(guò)SPI總線訪問(wèn)，并實(shí)現(xiàn)為FIFO寄存器（Tx和Rx各64字節(jié)）。

要發(fā)送，數(shù)據(jù)幀放在FIFO中;這可能包括目的地地址。給出發(fā)送命令，該命令將根據(jù)寄存器的初始設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)。為了接收數(shù)據(jù)，給出接收命令，該命令使單元“監(jiān)聽”傳輸，并且當(dāng)發(fā)生一個(gè)時(shí)，將接收的幀放入FIFO中。當(dāng)既不需要發(fā)送也不接收時(shí)，設(shè)備可以進(jìn)入空閑模式，從中可以快速重新進(jìn)入接收或發(fā)送模式，或者進(jìn)入低功耗睡眠模式，在發(fā)送或接收操作之前也需要晶體啟動(dòng)。

使用模塊

該模塊基于德州儀器（TI）的CC1101收發(fā)器IC。收發(fā)器的所有控制線都在模塊級(jí)提供，以完全控制其操作。

圖2：A1101R04C子1 GHz RF模塊中的CC1101收發(fā)器。

After初始設(shè)置寄存器，模塊可以以幾種不同的方式運(yùn)行。對(duì)于不頻繁數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，收發(fā)器將處于“睡眠”模式以節(jié)省功率（200nA）。從那里它將被喚醒，然后進(jìn)入“空閑”模式。作為喚醒過(guò)程的一部分，晶體振蕩器啟動(dòng)（約240μs），微控制器接口通電。在發(fā)送或接收之前，需要啟動(dòng)頻率合成器（“FS_Wakeup”），并且在關(guān)閉電源（或暫停一段時(shí)間）后，需要校準(zhǔn)VCO/PLL的控制環(huán)路。

數(shù)據(jù)幀被加載到發(fā)送FIFO中并進(jìn)入TX模式。收發(fā)器將在完成后傳輸數(shù)據(jù)并進(jìn)入“空閑”模式。發(fā)送完成后，進(jìn)入RX模式等待應(yīng)答幀。一旦接收到幀，收發(fā)器將再次進(jìn)入“空閑”模式。如果在給定超時(shí)內(nèi)沒(méi)有接收到確認(rèn)幀，則將重新發(fā)送數(shù)據(jù)幀。如果確認(rèn)幀指示接收到數(shù)據(jù)，則將發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)幀。在成功傳輸最后一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，收發(fā)器將再次進(jìn)入“睡眠”模式。

為了符合歐洲的輸出功率限制，最大輸出功率為10 mW（10 dBm），如果模塊以10％的占空比運(yùn)行。如果需要100％占空比，全時(shí)操作，則對(duì)于小于250 kHz帶寬的信號(hào)，輸出功率應(yīng)限制為1 mW（0 dBm），對(duì)于大于250的信號(hào)，輸出功率應(yīng)限制在-13 dBm/10 kHz kHz。

重要的是要注意模塊的輸出功率隨環(huán)境溫度而變化。為了獲得盡可能好的范圍并同時(shí)保持認(rèn)證合規(guī)性，可以根據(jù)溫度調(diào)整輸出功率，以在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持近似恒定的輸出功率。如果未實(shí)施溫度相關(guān)控制，則用戶必須使用所有溫度的最低功率值，以便將功率保持在認(rèn)證限制范圍內(nèi)。

與智能儀表的接口

模塊與系統(tǒng)其余部分之間的鏈接是SPI串行，這可以通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的微控制器（如Microchip PIC12）來(lái)處理。如果儀表已經(jīng)是數(shù)字，則可以從儀表獲取數(shù)據(jù)，或者使用集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換霍爾效應(yīng)電流傳感器（如Melexis MLX91205或Allegro Microsystems ACS711）的信號(hào)。這些可直接從現(xiàn)有儀表系統(tǒng)測(cè)量功率。

PIC12單片機(jī)

PIC12使用增強(qiáng)型中檔8位CPU內(nèi)核，具有49條指令，中斷功能，自動(dòng)上下文保存和具有溢出和下溢復(fù)位功能的16級(jí)硬件堆棧。為了提高編碼的靈活性，可以使用直接，間接和相對(duì)尋址模式，兩個(gè)文件選擇寄存器（FSR）提供讀取程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的能力。

圖3：PIC12單片機(jī)顯示用于連接RF模塊的SPI接口，以及用于連接外部器件（如霍爾效應(yīng)電流傳感器）的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口模塊。

SPI接口

SPI接口是將RF模塊連接到系統(tǒng)其余部分的關(guān)鍵。該同步協(xié)議允許主設(shè)備發(fā)起與從設(shè)備的通信以交換數(shù)據(jù)。它由PICmicro MCU通過(guò)稱為同步串行端口或主同步串行端口的硬件模塊實(shí)現(xiàn)。該模塊允許兩個(gè)或更多設(shè)備之間的高速串行通信，并且相當(dāng)容易實(shí)現(xiàn)。

圖4：PIC12單片機(jī)的內(nèi)核顯示SSP和MSSP模塊。時(shí)鐘信號(hào)由主機(jī)提供，用于提供同步和控制數(shù)據(jù)何時(shí)可以更改以及何時(shí)有效讀取。由于SPI是同步的，它具有時(shí)鐘脈沖和數(shù)據(jù)，使其與RS-232和其他不使用時(shí)鐘脈沖的異步協(xié)議不同，因此需要精確的時(shí)序。這意味著時(shí)鐘可以在不中斷數(shù)據(jù)的情況下變化，因?yàn)閿?shù)據(jù)速率將隨時(shí)鐘頻率的變化而變化。這使得SPI成為微控制器時(shí)鐘不精確時(shí)的理想選擇，例如通過(guò)低成本的RC振蕩器。

當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，必須先讀取輸入數(shù)據(jù)，然后再嘗試傳輸。如果未讀取輸入數(shù)據(jù)，則數(shù)據(jù)將丟失，因此SPI模塊可能會(huì)被禁用。傳輸完成后總是讀取數(shù)據(jù)，即使數(shù)據(jù)在應(yīng)用程序中沒(méi)有用。每個(gè)設(shè)備有兩條數(shù)據(jù)線，一條用于輸入，一條用于輸出，但數(shù)據(jù)總是在SPI設(shè)備之間交換 - 沒(méi)有設(shè)備可以只是一個(gè)“發(fā)射器”或只是一個(gè)“接收器”。這些數(shù)據(jù)交換由時(shí)鐘線SCK控制，SCK由主設(shè)備控制。數(shù)據(jù)通常在SCK的上升沿或下降沿期間發(fā)生變化。通常，從選擇信號(hào)將控制何時(shí)訪問(wèn)器件。當(dāng)系統(tǒng)中存在多個(gè)從站時(shí)，必須使用此信號(hào)，但當(dāng)電路中只有一個(gè)從站時(shí)，該信號(hào)可以是可選的。該從選擇（SS）信號(hào)向從機(jī)指示主機(jī)希望在該從機(jī)設(shè)備與其自身之間啟動(dòng)SPI數(shù)據(jù)交換。信號(hào)通常為低電平有效，因此該線路上的低電平表示SPI處于活動(dòng)狀態(tài)，而高電平表示信號(hào)不活動(dòng)。它通常用于提高系統(tǒng)的抗噪性。其功能是復(fù)位SPI從器件，以便接收下一個(gè)字節(jié)。

SSP或MSSP控制器模塊允許實(shí)現(xiàn)SPI或I2C。 MSSP中的“M”代表“主”，它與如何處理I2C數(shù)據(jù)有關(guān)，因此它不會(huì)影響其SPI性能，因此可以將MSSP或SSP模塊用于SPI。

SSPSR是移位寄存器對(duì)于SPI模塊，將數(shù)據(jù)移入和移出器件。數(shù)據(jù)以環(huán)路傳輸?shù)较乱粋€(gè)移位寄存器，從PIC12的SDO引腳移出并進(jìn)入RF模塊的SDI引腳。一旦在兩個(gè)器件之間交換了一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，就會(huì)將其復(fù)制到SSPBUF寄存器。然后用戶軟件讀取SSPBUF。

用戶代碼將儀表的使用日期寫入SSPBUF，然后自動(dòng)傳送到SSPSR。

以PIC為主，這個(gè)過(guò)程將啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸。從器件選擇信號(hào)通過(guò)低電平啟動(dòng)SPI傳輸來(lái)激活，一旦進(jìn)行一個(gè)字節(jié)傳輸就返回高電平狀態(tài)。

結(jié)論

1 GHz以下的免許可頻段為低電平提供了機(jī)會(huì)智能電表的成本，低功耗鏈路。避免2.4 GHz頻段的干擾以及更大的穿透，允許更長(zhǎng)的范圍和更低的功耗，這兩者都有助于降低系統(tǒng)成本。通過(guò)預(yù)先批準(zhǔn)的RF模塊，可以輕松地將這些無(wú)線鏈路添加到電表設(shè)計(jì)中。然后，可以使用低成本，簡(jiǎn)單的微控制器來(lái)處理模塊與儀表其余部分以及其他傳感器之間的SPI接口。所有這些相結(jié)合，為智能電網(wǎng)提供堅(jiān)固，可靠的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。