通過采用CC1110射頻芯片設(shè)計(jì)微功率無線采集器實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)

1 引言

自動(dòng)抄表系統(tǒng)（Automatic Meter Reading,簡稱AMR）是指采用通訊和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)自動(dòng)讀取和處理表計(jì)數(shù)據(jù)，不需要人員到達(dá)現(xiàn)場就能完成抄讀用戶消耗電能的一種智能化管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電表級(jí)、采集器級(jí)、集中器級(jí)、主站級(jí)。電力線載波技術(shù)（PLC）是利用現(xiàn)有的電力線，通過載波方式將模擬或者數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)，但是這種技術(shù)存在電力線對(duì)載波信號(hào)造成高消減、電力線本身存在脈沖干擾及配電變壓器對(duì)電力載波信號(hào)有阻隔作用等缺點(diǎn)，使得電力線載波技術(shù)很難在自動(dòng)抄表系統(tǒng)中得到大規(guī)模的應(yīng)用。

針對(duì)上述的組網(wǎng)方式，本文提出了采用微功率無線采集器來實(shí)現(xiàn)上行無線的組網(wǎng)方式，而采集器下行抄表采用傳統(tǒng)的有線485 方式，來完成電能表數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，這種組網(wǎng)方式具有抄表成功率高、組網(wǎng)速度快和無需人工干預(yù)等特點(diǎn)。

2 無線采集器的硬件設(shè)計(jì)

采集器硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，共分為三個(gè)模塊，分別為電源模塊、控制模塊和通信模塊，其中通信模塊支持微功率無線模塊和載波模塊，這樣可以根據(jù)客戶的需求選用不同的通信模塊。其原理圖如圖1 所示。

圖1 采集器原理圖

2.1 控制模塊

控制模塊采用意法半導(dǎo)體（ST）的STR71x 系列控制器，該系列控制器基于16/32 位高性能ARM7-TDMI RISC CPU,擁有豐富的內(nèi)核和增強(qiáng)的I/O 功能，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。STR71 系列微控制器共有4個(gè)UART 異步串口，其集成的UART 控制器支持全雙工的異步通信模式。在設(shè)計(jì)中，配置UART0 為下行抄表端口，只能是485 模式，通過軟件設(shè)置通信波特率，在默認(rèn)情況下，采集器和表之間的通信波特率為1200bps; UART1 連接上行通信模塊，當(dāng)采集器的通信模式被配置成無線或者載波模式時(shí)，該端口被使能，通過上行通信模塊接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，其中無線和載波的波特率為9600bps; UART2 為紅外端口，和紅外電路一起共同構(gòu)成采集器的紅外抄表口，掌機(jī)通過該端口設(shè)置采集器的參數(shù)，讀取相關(guān)的數(shù)據(jù)，波特率為1200bps; UART3 為備用通信接口，在設(shè)計(jì)中作為維護(hù)485 端口，通過該端口實(shí)現(xiàn)采集器的日常維護(hù)。

4 個(gè)UART 異步串口數(shù)據(jù)幀的長度都是8 位，偶校驗(yàn)和一個(gè)停止位，其中UART0 的優(yōu)先級(jí)最高，UART3的優(yōu)先級(jí)最低?？刂颇K主要是通過4 個(gè)異步串口和集中器及電能表進(jìn)行通信，來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包，并對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，然后做出相應(yīng)的處理，如設(shè)置參數(shù)、轉(zhuǎn)發(fā)給電能表或者讀取EEPROM 中的日凍結(jié)、月凍結(jié)數(shù)據(jù)或者整點(diǎn)數(shù)據(jù)，最后重新封裝，返回給相應(yīng)的集中器或者電能表。

2.2 微功率無線通信模塊

只要通信收發(fā)雙方通過無線電波傳輸信息，并且發(fā)送功率限制在很小的范圍內(nèi)（通常是100mW以下），就可以稱為微功率無線通信，本無線模塊正是基于微功率的設(shè)計(jì)。

2.2.1 無線通信模塊框圖

圖2 無線模塊框圖。

圖2 為無線模塊框圖，模塊芯片采用TI 公司的CC1110 無線射頻芯片，CC1110 包含了業(yè)界領(lǐng)先的CC1100RF 收發(fā)機(jī)和一個(gè)基于8051 核心，并具有集成32KB 閃存和外設(shè)的高性能低功耗控制器，同時(shí)還包括了4KB SRAM,數(shù)據(jù)保密（AES 安全處理器），帶最多8 路輸出的8-14 位ADC 和強(qiáng)大的DMA 等功能。本文設(shè)計(jì)無線模塊的工作頻率為471MHz,通信波特率為9600bps,發(fā)射功率可通過軟件調(diào)整大小。

連接無線模塊收發(fā)的兩個(gè)引腳電路采用典型的LC 巴倫電路，來實(shí)現(xiàn)天線與兩個(gè)差分引腳的連接；無線模塊接收到集中器發(fā)送的信號(hào)，首先經(jīng)過LC 巴倫電路發(fā)送到CC1110 的RF_N 和RF_P 兩個(gè)差分引腳上，然后射頻芯片經(jīng)過濾波、增益調(diào)節(jié)、模數(shù)轉(zhuǎn)換解調(diào)、解碼輸出數(shù)字信號(hào)傳給和采集器相連的Rx 引腳；采集器控制模塊收到數(shù)據(jù)后，通過解析數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的處理，把有效的數(shù)據(jù)傳給無線模塊的Tx 引腳，無線模塊通過編碼、調(diào)制、數(shù)模轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)制，然后經(jīng)過LC巴倫電路把信號(hào)平衡到單端輸出的天線上發(fā)送。

2.2.2 改進(jìn)型巴倫（Balun）電路

巴倫（Balun:平衡-不平衡變換器）可以實(shí)現(xiàn)單端與差分結(jié)構(gòu)間的變換[7].圖3 是連接CC1110 射頻芯片和天線的改進(jìn)型LC 巴倫電路，該巴倫電路僅有兩個(gè)同樣的電感（L1 和L2）和電容（C10 和C13）構(gòu)成，作為射頻芯片CC1110 的分路器或合路器的核心電路，實(shí)現(xiàn)芯片兩個(gè)差分引腳RF_P和RF_N與天線之間信號(hào)的平衡-不平衡的變換。圖3 為改進(jìn)型LC 巴倫電路的等效電路，當(dāng)CC1110 為接收模式下時(shí)，改進(jìn)型LC巴倫電路將作為一個(gè)分路器，設(shè)分路器的單端端口阻抗為，兩個(gè)平衡端口的阻抗為Zout,并且設(shè)：

其中，Zin -單端端口阻抗；

Rin -輸入端口阻抗的實(shí)部；

Xin -輸入端口阻抗的虛部；

Zout -平衡端口的阻抗；

Rout -輸出端口阻抗的實(shí)部；

Xout -輸出端口阻抗的虛部；

圖3 LC 巴倫電路的等效電路

圖3 中，從單端或輸入端口向右側(cè)或者左側(cè)看進(jìn)去的阻抗為：

如果要使功率高效地從單端端口傳輸?shù)狡胶舛丝诨驈钠胶舛丝趥鬏數(shù)絾味硕丝?，就必須使?2LC = 1,此時(shí)巴倫的核心電路達(dá)到諧振狀態(tài)。

可以得到兩個(gè)非常重要的表達(dá)式：

這樣可以很容易根據(jù)給定的阻抗Zout和Zin算出L和C ,在本設(shè)計(jì)中Zout和Zin的阻抗為50 歐姆，使電路達(dá)到諧振的L和C 的值分別為27nH、3.9pF.當(dāng)芯片處于接收模式時(shí)，LC 巴倫電路作為一個(gè)合路器，把接收到的信號(hào)送到芯片的RF_P 和RF_N 兩個(gè)引腳。

3 采集器軟件設(shè)計(jì)

采集器軟件設(shè)計(jì)按照模塊化設(shè)計(jì)，總體可分為主程序模塊、規(guī)約解析模塊、存儲(chǔ)模塊、端口設(shè)備模塊和時(shí)鐘模塊等。軟件處理事件可以分為兩個(gè)部分：一是采集器響應(yīng)集中器命令做出相應(yīng)的處理；二是采集器空閑時(shí)刻凍結(jié)數(shù)據(jù)部分，包括月凍結(jié)、日凍結(jié)和整點(diǎn)凍結(jié)。

3.1 采集器響應(yīng)集中器命令流程

圖5 采集器響應(yīng)集中器命令流程圖。

采集器響應(yīng)集中器命令流程圖如圖所示：采集器在上電以后，初始化相應(yīng)設(shè)備、端口，然后進(jìn)入主程序模塊等待中斷的到來。當(dāng)采集器的無線模塊有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，采集器的上行通道端口響應(yīng)中斷并從端口的寄存器中獲取數(shù)據(jù)，然后檢驗(yàn)數(shù)據(jù)幀的合法性并通過規(guī)約模塊分析數(shù)據(jù)幀，如果請求讀凍結(jié)數(shù)據(jù)，則從EEPROM 中讀取相應(yīng)的凍結(jié)數(shù)據(jù)，然后封裝幀發(fā)送給無線模塊，進(jìn)而發(fā)送給集中器；如果不是請求凍結(jié)讀數(shù)據(jù)，則采集器檢查完幀的合法性后轉(zhuǎn)發(fā)給電表，同時(shí)采集器回到主程序模塊等待下行抄表端口的中斷響應(yīng)，如果等待超時(shí)，則發(fā)給集中器一個(gè)錯(cuò)誤幀；如果電表回復(fù)，則轉(zhuǎn)發(fā)給集中器，同時(shí)把電表回復(fù)的數(shù)據(jù)幀保留在自己的RAM 中，保存的時(shí)間可以根據(jù)需要設(shè)定，最后程序進(jìn)入主程序模塊等待下一次的中斷響應(yīng)。

3.2 采集器凍結(jié)及補(bǔ)抄數(shù)據(jù)流程

圖6 采集器補(bǔ)抄及凍結(jié)數(shù)據(jù)流程圖。

采集器能夠接32 塊485 電能表，每塊表抄表的時(shí)間是3s,具備日凍結(jié)、月凍結(jié)、整點(diǎn)凍結(jié)、上電補(bǔ)抄，半點(diǎn)補(bǔ)抄功能。其流程圖如圖6 所示：采集器上電、初始化外圍設(shè)備以后，上電補(bǔ)抄標(biāo)志有效，采集器判斷當(dāng)前的日凍結(jié)、月凍結(jié)和整點(diǎn)凍結(jié)數(shù)據(jù)是否存在，如果不存在，則啟動(dòng)上電補(bǔ)抄程序去抄讀電表數(shù)據(jù)，把抄到的當(dāng)前電量作為上1 日的日凍結(jié)數(shù)據(jù)和上1 月的月凍結(jié)及當(dāng)前整點(diǎn)的小時(shí)凍結(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EEPROM;如果上行通信沒有數(shù)據(jù)到達(dá)，且當(dāng)整點(diǎn)標(biāo)志、日凍結(jié)標(biāo)志和月凍結(jié)標(biāo)志為1 時(shí)，采集器會(huì)自動(dòng)抄讀所連接的485 電能表，把抄到的電表電量作為相應(yīng)的凍結(jié)數(shù)據(jù)存入EEPROM.

4 小結(jié)

本文介紹了基于STR71x微控制器和CC1110射頻芯片的采集器的設(shè)計(jì)方法。該無線采集器已經(jīng)在山東和廣西進(jìn)行了組網(wǎng)測試，每個(gè)無線采集器作為一個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)自組自管，通過拓?fù)錂C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議形成轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的多跳網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)因環(huán)境因素等情況不能和集中器建立通信時(shí)，無線模塊能夠通過相鄰節(jié)點(diǎn)同該節(jié)點(diǎn)建立通信，個(gè)別節(jié)點(diǎn)的失效不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信，從實(shí)際的應(yīng)用情況看，組網(wǎng)快、無需人工干預(yù)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)管理、運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠、可以跨臺(tái)區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，相對(duì)于電力載波有很多優(yōu)勢，因此在自動(dòng)抄表系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。