無線抄表來源于90年代成立的有線抄表工作組，最初工作組專注于在儀表系統(tǒng)中有線抄表的研究，后來有線抄表成為了歐洲標準EN1434的一部分。
隨著
無線抄表的引入，標準化工作被轉移到了技術委員會(TC)294，TC294創(chuàng)建了新的歐洲標準EN13757-Communication system for meters and remote reading of meters。這個標準當前由以下部分組成：
- EN13757-1:2002 數據交換
- EN13757-2:2004 物理層和數據鏈路層
- EN13757-3:2004 應用層
- EN13757-4:2005 無線讀表器
- prEN13757-5:2007 中繼
- prEN13757-6:2007 數據交換
其中第4部分EN13757-4為無線讀表器，專注儀表和無線讀表器之間的通信。
無線抄表基礎 一般的無線抄表系統(tǒng)主要包括兩大類設備，如圖1所示，一類是儀表（如水表、氣表和電表等），另一類是其他（如讀表器或集中器等）。
圖1：無線抄表系統(tǒng) 儀表（氣表、水表等）通常不能直接連接到主供電系統(tǒng)，一般采用電池供電，因此它們獲得的能量是有限的。為了盡量降低功耗，大多數時間里儀表處于休眠模式，僅在很短的時隙中醒來發(fā)射數據；而讀表器也從來不主動發(fā)送數據給處于休眠狀態(tài)的儀表。雙向通信是可行的，一般儀表在發(fā)送時隙完成后，進入接收時隙，這時讀表器可以傳送信息給儀表。更換儀表的成本相當高，因此為儀表供電的電池一般需要提供幾年的能量，不同的國家可能有不同的要求。
無線抄表的尋址模式來源于有線抄表，僅儀表設備有地址，并且收發(fā)數據采用相同的地址。因此，讀表器必須有一個儀表設備地址表，記錄需要處理的所有儀表地址，這個過程一般在系統(tǒng)安裝階段進行。
通常無線抄表系統(tǒng)(圖2d)可以完全替代有線抄表系統(tǒng)(圖2a)，但是兩種系統(tǒng)也能組合在一起，形成一個新系統(tǒng)（圖2b，圖2c）。
圖2：不同的抄表與/或無線抄表系統(tǒng) 另一種常見的有線與無線抄表結合的模式，如圖3所示。
圖3：有線與無線抄表組合模式圖 無線抄表標準（EN13757-4:2005）專注儀表和遠程無線讀表器之間的通信，利用ISM頻段868-870MHz進行無線數據傳輸。
Si4432無線收發(fā)器 Si4432無線收發(fā)器是Silicon Labs公司EZRadioPro產品線中的一款非常有代表性的芯片，支持頻率范圍240-930MHz，輸出功率最大為+20dBm，靈敏度達-117dBm。EZRadioPro產品線成員，如表1所示。
收發(fā)器芯片 | Si4430 | 頻率范圍=900-960MHz；輸出功率=+13dBm；靈敏度=-117dBm |
Si4431 | 頻率范圍=240-930MHz；輸出功率=+13dBm；靈敏度=-117dBm |
| 頻率范圍=240-930MHz；輸出功率=+20dBm；靈敏度=-117dBm |
接收器芯片 | Si4330 | 頻率范圍=240-960MHz；靈敏度=-117dBm |
發(fā)射器芯片 | Si4230 | 頻率范圍=900-960MHz；輸出功率=+13dBm; |
Si4231 | 頻率范圍=240-930MHz；輸出功率=+13dBm; |
表1：EZRadioPro無線收發(fā)器產品系列 Si4432控制接口 Si4432與主機MCU之間的通信是通過SPI總線實現(xiàn)的，主要涉及SCLK、SDI、SDO和nSEL四個引腳。通常一個SPI總線讀寫操作由以下幾部分組成：讀寫標志（1bit），地址（7bit）和數據（8bit）。讀寫標志位指示當前操作是讀還是寫；7位地址指示操作對象，可尋址128個8位控制寄存器中的任意一個；數據域包含寫入或讀出的si4432內部寄存器的內容。在每8個時鐘信號后，Si4432鎖存地址或數據域中的內容。Si4432中SCLK串行時鐘信號的速率可靈活設定，最大可達10MHz。
SPI總線時序圖，如圖4所示。
圖4：SPI時序 SPI串行接口的時序參數，如表2所示。
表2：SPI串行接口時序參數表 對于讀操作，主機MCU發(fā)送16位讀操作內容（讀寫標志位應設定為0，7位地址設定為要讀取的寄存器地址，這時8位數據被忽略）后。在接下來的8個時鐘信號周期中，每個周期的低電平階段，被選擇的寄存器內容中的各位被依次鎖存到SDO總線上（高位在前，低位在后）。
SPI讀模式下的時序，如圖5所示。
圖5：SPI讀模式時序圖 Si4432中SPI接口也支持一種連續(xù)讀/寫模式，這種模式下不需要重新發(fā)送寄存器地址。當nSEL為低電平時，不斷的發(fā)送SCLK時鐘信號，SPI接口將自動增加寄存器地址，寄存器中的內容被連續(xù)讀出或寫入，直到nSEL變?yōu)楦唠娖綖橹埂?/DIV>
連續(xù)寫模式時序，如圖6所示。
圖6：SPI接口連續(xù)寫模式 連續(xù)讀模式時序，如圖7所示。
圖7：SPI接口連續(xù)讀模式 Si4432狀態(tài)與操作模式 Si4432主要存在于四中狀態(tài)之一，這四種狀態(tài)為：SHUTDOWN、IDLE、TX和RX（如圖8所示）。在SHUTDOWN狀態(tài)下功耗最低。有5中不同的IDLE模式，用戶可以根據不同的應用靈活選擇。這些狀態(tài)或模式可以通過操作模式和功能控制寄存器07H設定。通過在寄存器07H中設定txon/rxon控制位可以從IDLE狀態(tài)中的任一模式自動轉移到TX/RX狀態(tài)。不同模式/狀態(tài)下轉換需要的時間和功耗，見圖9所示。
圖8：狀態(tài)機圖
圖9：模式/狀態(tài)轉換時序及功耗 頻率控制 為了設定所需的調諧頻率，需要設定不同的內部寄存器，這可以通過手工計算每一個寄存器的設定值，也可以通過Silicon Labs提供的WDS工具或Excel計算器輔助計算。下面以Silicon Labs專為Si4432提供的Excel計算器為例，說明如何進行調制模式、載波頻率、調諧頻率等參數設置。Si4432 Excel計算器如圖10所示（該Excel表可從Silabs網站上下載）。
圖10： 頻率控制設定輔助工具Excel計算表 主要進行5個步驟的設定：
第1步：選擇或設定調制類型，曼徹斯特編碼，晶體精度，數據率，頻率離差。
第2步：設定載波頻率，對于跳頻應用，需要設定信道寬度和信號編號。
第3步：調制設定，對于GFSK/FSK，需要選擇禁止或使能AFC，接收最大錯誤率；對于OOK，需要設定RX帶寬。
第4步：根據需要選擇FIFO模式設定或PH+FIFO模式設定。
第5步：在寄存器匯總頁中，得到寄存器設定值。
Si4432支持3中不同的調制類型：GFSK、FSK和OOK，也可以設定為不調制，從而獲得一個不調制的載波。如圖11所示。
高斯移頻鍵控調制GFSK（推薦）：Gaussian Frequency Shift Keying
移頻鍵控調制FSK：Frequency Shift Keying
開關調制OOK：On-Off Keying
不調制
圖11：調制模式設定 Si4432可以配置要調制的數據的來源有三種：FIFO模式，Direct模式和PN9模式。在Direct模式，TX調制數據可以來自GPIO引腳或SDI引腳。如圖12所示。
圖12：調制數據的來源 根據上面的介紹，si4432完全可以滿足無線抄表標準對頻率（868-870MHz）、速率（4.8kb/s、32.768kb/s和100kb/s）等參數的要求，可以用來實現(xiàn)無線抄表設備產品。
無線抄表設備的實現(xiàn) 源于90年代的無線抄表工作組，對戶表數據的自動化抄送具有非常重大的意義。傳統(tǒng)的手工抄表費時、費力，準確性和及時性得不到可靠的保障，這導致了相關營銷和企業(yè)管理類軟件不能獲得足夠詳細和準確的原始數據。無線抄表系統(tǒng)可以擺脫人工抄表的辦法，利用數據通訊協(xié)議傳輸數據。為了靈活配置不同的控制平臺，一般無線抄表設備可分成兩部分設計，一部分是無線收發(fā)模塊（Si4432），另一部分是控制模式（單片機C8051F930）。
圖13：共用天線設計方案 
圖14：雙天線設計方案 無線抄表系統(tǒng)對數據可靠性要求很高，而且由于用電池供電，因此對功耗要求也很苛刻。數據處理單元的微控制器主要側重于多項功能的開發(fā)，選擇時主要從功能、抗干擾、功耗、速度等幾個方面考慮。C8051F930是Silicon Labs公司推出的高性能、低功耗9系列單片機中的一款。該系列單片機具有集成度高、速度快、混合模擬信號處理、低壓低功耗及兼容8051指令集等特點，因此軟硬件設計十分方便，是儀表、手持設備中主控制器的理想選擇。
圖15：C8051F930結構圖 C8051F930兼容8051指令系統(tǒng)，70%為單時鐘周期指令，最大速率可達25MIPS。片內集成高效DC-DC轉換器，成為業(yè)界首款可在0.9V電壓下正常工作的單片機。支持單/雙電池供電模式，單電池模式支持0.9-1.8V供電；雙電池支持1.8-3.6V供電。
圖16：單電池供電下，不同負載電路和電池電壓下的DC-DC轉換器效率圖 通過極低的電流睡眠模式、快速喚醒、快速模數轉換、低活動電流模式等技術，使得C8051F930有效降低功耗，最大化電池壽命。
圖17：有效降低功耗，最大化電池壽命 Silicon Labs公司為C8051F930開發(fā)提供了完整的方案，多款開發(fā)板和軟件工具，快速幫助用戶快速上手，縮短產品設計周期。
由于無線抄表系統(tǒng)需要長期在線連續(xù)運行，對可靠性及長期穩(wěn)定性要求很高，在設計時需尤其注意。在進行電路板設計時要注意布線的走向及整體的緊湊性，在電路和工藝設計上采用一些實際的抗干擾措施，例如合理布局、正確選擇接地點、弱信號傳輸線屏蔽層單端接地等，以降低干擾水平。
無線抄表設備軟件設計 采用Silicon Labs公司提供的集成開發(fā)環(huán)境IDE，即可完成該系統(tǒng)所有軟件開發(fā)。軟件開發(fā)部分主要包括主控程序、數據通訊程序、時鐘程序、自檢程序等。為保證抄表系統(tǒng)的低功耗要求，軟件設計過程應始終貫穿考慮如何降低功耗。我們可以使主程序大部分時間處于睡眠狀態(tài)，每隔一段時間來處理一下任務，并關掉未使用的模塊等措施來降低系統(tǒng)功耗。
總結 由于采用了Silicon Labs公司高性能的Si4432及功能強大且性價比極高的微控制器C8051F930，可以完全實現(xiàn)滿足無線抄表要求的儀表或讀表器等設備，并對產品的可靠性、抗干擾、低功耗等方面進行了考慮，在開發(fā)板和相關文檔資源及多種輔助設計工具的支持下，可快速開發(fā)出符合要求的無線抄表設備。
加入技術交流群
評論