無(wú)線收發(fā)器RF69H在無(wú)線抄表設(shè)備上的應(yīng)用方案

概述:      

　　無(wú)線抄表來(lái)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(lái)有線抄表成為了歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1434的一部分。
隨著無(wú)線抄表的引入，標(biāo)準(zhǔn)化工作被轉(zhuǎn)移到了技術(shù)委員會(huì)（TC）294，TC294創(chuàng)建了新的歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN13757-Communication system for meters and 　　　　　　remote reading of meters。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前由以下部分組成：
EN13757-1:2002 數(shù)據(jù)交換
EN13757-2:2004 物理層和數(shù)據(jù)鏈路層
EN13757-3:2004 應(yīng)用層
EN13757-4:2005 無(wú)線讀表器
prEN13757-5:2007 中繼
prEN13757-6:2007 數(shù)據(jù)交換
　　其中第4部分EN13757-4為無(wú)線讀表器，專注儀表和無(wú)線讀表器之間的通信。

1 無(wú)線抄表基礎(chǔ)

　　一般的無(wú)線抄表系統(tǒng)主要包括兩大類設(shè)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(wú)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(shù)時(shí)間里儀表處于休眠模式，僅在很短的時(shí)隙中醒來(lái)發(fā)射數(shù)據(jù)；而讀表器也從來(lái)不主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)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(shí)隙完成后，進(jìn)入接收時(shí)隙，這時(shí)讀表器可以傳送信息給儀表。更換儀表的成本相當(dāng)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(guó)家可能有不同的要求。

　　無(wú)線抄表的尋址模式來(lái)源于有線抄表，僅儀表設(shè)備有地址，并且收發(fā)數(shù)據(jù)采用相同的地址。因此，讀表器必須有一個(gè)儀表設(shè)備地址表，記錄需要處理的所有儀表地址，這個(gè)過(guò)程一般在系統(tǒng)安裝階段進(jìn)行。

　　通常無(wú)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(gè)新系統(tǒng)（圖2b，圖2c）。

圖2：不同的抄表與/或無(wú)線抄表系統(tǒng)

　　另一種常見的有線與無(wú)線抄表結(jié)合的模式，如圖3所示。

2 與無(wú)線抄表組合模式圖

　　無(wú)線抄表標(biāo)準(zhǔn)（EN13757-4:2005）專注儀表和遠(yuǎn)程無(wú)線讀表器之間的通信，利用ISM頻段868-870MHz進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。
RF69H無(wú)線收發(fā)器

　　RF69H無(wú)線收發(fā)器是深圳市惠貽華普電子有限公司RF產(chǎn)品線中的一款非常有代表性的芯片，支持頻率范圍240-960MHz，輸出功率最大為+20dBm，靈敏度達(dá)-120dBm。該芯片具有成本低、體積小、工作穩(wěn)定、產(chǎn)品一致性好等特點(diǎn)

3 RF69H控制接口

　　RF69H與主機(jī)MCU之間的通信是通過(guò)SPI總線實(shí)現(xiàn)的，主要涉及SCLK、SDI、SDO和nSEL四個(gè)引腳。通常一個(gè)SPI總線讀寫操作由以下幾部分組成：讀寫標(biāo)志（1bit），地址（7bit）和數(shù)據(jù)（8bit）。讀寫標(biāo)志位指示當(dāng)前操作是讀還是寫；7位地址指示操作對(duì)象，可尋址128個(gè)8位控制寄存器中的任意一個(gè)；數(shù)據(jù)域包含寫入或讀出的RF69H內(nèi)部寄存器的內(nèi)容。在每8個(gè)時(shí)鐘信號(hào)后，RF69H鎖存地址或數(shù)據(jù)域中的內(nèi)容。RF69中SCLK串行時(shí)鐘信號(hào)的速率可靈活設(shè)定，最大可達(dá)10MHz。

　　SPI總線時(shí)序圖，如圖4所示。

圖4：SPI時(shí)序

　　SPI串行接口的時(shí)序參數(shù)，如表2所示。

表2：SPI串行接口時(shí)序參數(shù)表

　　對(duì)于讀操作，主機(jī)MCU發(fā)送16位讀操作內(nèi)容（讀寫標(biāo)志位應(yīng)設(shè)定為0，7位地址設(shè)定為要讀取的寄存器地址，這時(shí)8位數(shù)據(jù)被忽略）后。在接下來(lái)的8個(gè)時(shí)鐘信號(hào)周期中，每個(gè)周期的低電平階段，被選擇的寄存器內(nèi)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(shí)序，如圖5所示。

圖5：SPI讀模式時(shí)序圖

　　RF69H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(dāng)nSEL為低電平時(shí)，不斷的發(fā)送SCLK時(shí)鐘信號(hào)，SPI接口將自動(dòng)增加寄存器地址，寄存器中的內(nèi)容被連續(xù)讀出或?qū)懭?，直到nSEL變?yōu)楦唠娖綖橹埂?

　　連續(xù)寫模式時(shí)序，如圖6所示。

圖6：SPI接口連續(xù)寫模式

　　連續(xù)讀模式時(shí)序，如圖7所示。

圖7：SPI接口連續(xù)讀模式

4 RF69H狀態(tài)與操作模式

　　RF69H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(jù)不同的應(yīng)用靈活選擇。這些狀態(tài)或模式可以通過(guò)操作模式和功能控制寄存器07H設(shè)定。通過(guò)在寄存器07H中設(shè)定txon/rxon控制位可以從IDLE狀態(tài)中的任一模式自動(dòng)轉(zhuǎn)移到TX/RX狀態(tài)。不同模式/狀態(tài)下轉(zhuǎn)換需要的時(shí)間和功耗，見圖9所示。

圖8：四種狀態(tài)

圖9：模式/狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)序及功耗及頻率控制

　　為了設(shè)定所需的調(diào)諧頻率，需要設(shè)定不同的內(nèi)部寄存器，這可以通過(guò)手工計(jì)算每一個(gè)寄存器的設(shè)定值，也可以通過(guò)華普提供的WDS工具或Excel計(jì)算器輔助計(jì)算。下面說(shuō)明RF69H如何進(jìn)行調(diào)制模式、載波頻率、調(diào)諧頻率等參數(shù)設(shè)置。

　　主要進(jìn)行5個(gè)步驟的設(shè)定：

　　第1步：選擇或設(shè)定調(diào)制類型，曼徹斯特編碼，晶體精度，數(shù)據(jù)率，頻率離差。
　　第2步：設(shè)定載波頻率，對(duì)于跳頻應(yīng)用，需要設(shè)定信道寬度和信號(hào)編號(hào)。
　　第3步：調(diào)制設(shè)定，對(duì)于GFSK/FSK，需要選擇禁止或使能AFC，接收最大錯(cuò)誤率；對(duì)于OOK，需要設(shè)定RX帶寬。
　　第4步：根據(jù)需要選擇FIFO模式設(shè)定或PH+FIFO模式設(shè)定。
　　第5步：在寄存器匯總頁(yè)中，得到寄存器設(shè)定值。
　　RF69H支持3中不同的調(diào)制類型：GFSK、FSK和OOK，也可以設(shè)定為不調(diào)制，從而獲得一個(gè)不調(diào)制的載波。如圖10所示。
　　高斯移頻鍵控調(diào)制GFSK（推薦）：Gaussian Frequency Shift Keying
　　移頻鍵控調(diào)制FSK：Frequency Shift Keying
　　開關(guān)調(diào)制OOK：On-Off Keying
　　不調(diào)制

圖10：調(diào)制模式設(shè)定

　　RF69H可以配置要調(diào)制的數(shù)據(jù)的來(lái)源有三種：FIFO模式，Direct模式和PN9模式。在Direct模式，TX調(diào)制數(shù)據(jù)可以來(lái)自GPIO引腳或SDI引腳。如圖12所示。

12：調(diào)制數(shù)據(jù)的來(lái)源

　　根據(jù)上面的介紹，RF69H完全可以滿足無(wú)線抄表標(biāo)準(zhǔn)對(duì)頻率（868-870MHz）、速率（4.8kb/s、32.768kb/s和100kb/s）等參數(shù)的要求，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線抄表設(shè)備產(chǎn)品。

5 無(wú)線抄表設(shè)備的實(shí)現(xiàn)

　　源于90年代的無(wú)線抄表工作組，對(duì)戶表數(shù)據(jù)的自動(dòng)化抄送具有非常重大的意義。傳統(tǒng)的手工抄表費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，準(zhǔn)確性和及時(shí)性得不到可靠的保障，這導(dǎo)致了相關(guān)營(yíng)銷和企業(yè)管理類軟件不能獲得足夠詳細(xì)和準(zhǔn)確的原始數(shù)據(jù)。無(wú)線抄表系統(tǒng)可以擺脫人工抄表的辦法，利用數(shù)據(jù)通訊協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。為了靈活配置不同的控制平臺(tái)，一般無(wú)線抄表設(shè)備可分成兩部分設(shè)計(jì)，一部分是無(wú)線收發(fā)模塊（RF69），另一部分是控制模式（單片機(jī)）。

圖14：參考設(shè)計(jì)

　　無(wú)線抄表系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)可靠性要求很高，而且由于用電池供電，因此對(duì)功耗要求也很苛刻。數(shù)據(jù)處理單元的微控制器主要側(cè)重于多項(xiàng)功能的開發(fā)，選擇時(shí)主要從功能、抗干擾、功耗、速度等幾個(gè)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(jī)中的一款。該系列單片機(jī)具有集成度高、速度快、混合模擬信號(hào)處理、低壓低功耗及兼容8051指令集等特點(diǎn)，因此軟硬件設(shè)計(jì)十分方便，是儀表、手持設(shè)備中主控制器的理想選擇。

圖15：C8051F930結(jié)構(gòu)圖

　　C8051F930兼容8051指令系統(tǒng)，70%為單時(shí)鐘周期指令，最大速率可達(dá)25MIPS。片內(nèi)集成高效DC-DC轉(zhuǎn)換器，成為業(yè)界首款可在0.9V電壓下正常工作的單片機(jī)。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：?jiǎn)坞姵毓╇娤?，不同?fù)載電路和電池電壓下的DC-DC轉(zhuǎn)換器效率圖

　　通過(guò)極低的電流睡眠模式、快速喚醒、快速模數(shù)轉(zhuǎn)換、低活動(dòng)電流模式等技術(shù)，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

　　華普公司為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(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。

　　由于無(wú)線抄表系統(tǒng)需要長(zhǎng)期在線連續(xù)運(yùn)行，對(duì)可靠性及長(zhǎng)期穩(wěn)定性要求很高，在設(shè)計(jì)時(shí)需尤其注意。在進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)時(shí)要注意布線的走向及整體的緊湊性，在電路和工藝設(shè)計(jì)上采用一些實(shí)際的抗干擾措施，例如合理布局、正確選擇接地點(diǎn)、弱信號(hào)傳輸線屏蔽層單端接地等，以降低干擾水平。

6 無(wú)線抄表設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

　　采用華普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(shù)據(jù)通訊程序、時(shí)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(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)始終貫穿考慮如何降低功耗。我們可以使主程序大部分時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，每隔一段時(shí)間來(lái)處理一下任務(wù)，并關(guān)掉未使用的模塊等措施來(lái)降低系統(tǒng)功耗。

7 總結(jié)

　　由于采用了華普公司高性能的RF69H及功能強(qiáng)大且性價(jià)比極高的微控制器C8051F930，可以完全實(shí)現(xiàn)滿足無(wú)線抄表要求的儀表或讀表器等設(shè)備，并對(duì)產(chǎn)品的可靠性、抗干擾、低功耗等方面進(jìn)行了考慮，在開發(fā)板和相關(guān)文檔資源及多種輔助設(shè)計(jì)工具的支持下，可快速開發(fā)出符合要求的無(wú)線抄表設(shè)備。