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。