發布日期：2022-05-25 點擊率：73
概述:
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。
1 無線抄表基礎
一般的無線抄表系統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
儀表（氣表、水表等）通常不能直接連接到主供電系統，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射數據；而讀表器也從來不主動發送數據給處于休眠狀態的儀表。雙向通信是可行的，一般儀表在發送時隙完成后，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安裝階段進行。
通常無線抄表系統（圖2d）可以完全替代有線抄表系統（圖2a），但是兩種系統也能組合在一起，形成一個新系統（圖2b，圖2c）。
圖2：不同的抄表與/或無線抄表系統
另一種常見的有線與無線抄表結合的模式，如圖3所示。
2 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。
RF69H無線收發器
RF69H無線收發器是深圳市惠貽華普電子有限公司RF產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-120dBm。該芯片具有成本低、體積小、工作穩定、產品一致性好等特點
3 RF69H控制接口
RF69H與主機MCU之間的通信是通過SPI總線實現的，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RF69H內部寄存器的內容。在每8個時鐘信號后，RF69H鎖存地址或數據域中的內容。RF69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
RF69H中SPI接口也支持一種連續讀/寫模式，這種模式下不需要重新發送寄存器地址。當nSEL為低電平時，不斷的發送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讀出或寫入，直到nSEL變為高電平為止。
連續寫模式時序，如圖6所示。
圖6：SPI接口連續寫模式
連續讀模式時序，如圖7所示。
圖7：SPI接口連續讀模式
4 RF69H狀態與操作模式
RF69H主要存在于四中狀態之一，這四種狀態為：SHUTDOWN、IDLE、TX和RX（如圖8所示）。在SHUTDOWN狀態下功耗最低。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狀態中的任一模式自動轉移到TX/RX狀態。不同模式/狀態下轉換需要的時間和功耗，見圖9所示。
圖8：四種狀態
圖9：模式/狀態轉換時序及功耗及頻率控制
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，也可以通過華普提供的WDS工具或Excel計算器輔助計算。下面說明RF69H如何進行調制模式、載波頻率、調諧頻率等參數設置。
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。
RF69H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10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10：調制模式設定
RF69H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。
12：調制數據的來源
根據上面的介紹，RF69H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，可以用來實現無線抄表設備產品。
5 無線抄表設備的實現
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。無線抄表系統可以擺脫人工抄表的辦法，利用數據通訊協議傳輸數據。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，一部分是無線收發模塊（RF69），另一部分是控制模式（單片機）。
圖14：參考設計
無線抄表系統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，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，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
華普公司為C8051F930開發提供了完整的方案，多款開發板和軟件工具，快速幫助用戶快速上手，縮短產品設計周期。
由于無線抄表系統需要長期在線連續運行，對可靠性及長期穩定性要求很高，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。
6 無線抄表設備軟件設計
采用華普公司提供的集成開發環境IDE，即可完成該系統所有軟件開發。軟件開發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，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功耗。
7 總結
由于采用了華普公司高性能的RF69H及功能強大且性價比極高的微控制器C8051F930，可以完全實現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，可快速開發出符合要求的無線抄表設備。
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