智能電表是打造智能家居的核心。能夠測(cè)量家庭的整體用電量并將該數(shù)據(jù)反饋給公用事業(yè)公司是管理公用電網(wǎng)負(fù)載并最終減少消費(fèi)者賬單的關(guān)鍵要素。

　　使用最新的射頻模塊為電表添加無線連接相對(duì)簡單。這些提供了經(jīng)認(rèn)證可在特定地區(qū)使用的所有射頻連接。但是，這些模塊需要連接到儀表才能直接獲取數(shù)據(jù)，或者連接到正在獲取電流消耗的傳感器。這可以通過一個(gè)低成本的 8 位微控制器相對(duì)容易地完成。

　　使用未調(diào)節(jié)的低于 1 GHz 的頻段對(duì)智能電表設(shè)計(jì)具有許多優(yōu)勢(shì)。較低的頻率為較長的距離傳輸較低的數(shù)據(jù)速率，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了顯著的優(yōu)勢(shì)。智能電表每天只需發(fā)送幾次少量數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)速率較低。這允許使用更長的范圍，并且與 ZigBee 等可以在 2.4 GHz 傳輸更多數(shù)據(jù)的協(xié)議有很大不同。使用 sub 1 GHz 頻段還可以避免來自 2.4 GHz 源（如 Wi-Fi、藍(lán)牙和微波爐）的潛在干擾，這進(jìn)一步降低了建立可靠無線鏈路所需的功率。

　　德州儀器 （TI） 的最新射頻芯片已被證明可以在這些較低頻率下在長達(dá) 10 公里的距離內(nèi)傳輸?shù)退俾蕯?shù)據(jù)（幾 kbyte/s）。這有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：可以將更多設(shè)備連接到單個(gè)集線器或集中器，或者可以顯著降低射頻收發(fā)器的功耗。這允許系統(tǒng)架構(gòu)師優(yōu)化功耗和覆蓋范圍的平衡。例如，可以通過低于 1 GHz 的鏈路將多條房屋街道連接到街道上的集中器，從而避免每個(gè)家庭都需要寬帶集線器。

　　根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)，模塊支持不同的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，例如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、對(duì)等和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)允許相鄰單元連接在一起并承載數(shù)據(jù)，從而大大擴(kuò)展了覆蓋范圍。這會(huì)影響數(shù)據(jù)速率，但對(duì)于智能電表網(wǎng)絡(luò)而言，對(duì)于節(jié)省成本而言，覆蓋范圍遠(yuǎn)比數(shù)據(jù)速率更重要，并且有足夠的余量來支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

　　RF 模塊 Anaren

　　的A1101R04C是一個(gè)很好的 1 GHz 以下 RF 模塊示例，可用于智能電表設(shè)計(jì)，將晶體、內(nèi)部穩(wěn)壓器、匹配電路和濾波集成到表面貼裝設(shè)計(jì)中，可輕松實(shí)現(xiàn)安裝在板上。

　　9 x 12 x 2.5 mm 模塊通過 U.FL 連接器使用外部天線，適用于 433.05 至 434.79 MHz 的歐洲頻段，非常適合實(shí)現(xiàn)低功耗無線連接，而無需處理大量的射頻設(shè)計(jì)和法規(guī)遵從性，以及提供快速的上市時(shí)間。

　　圖 1：A1101R04C 低于 1 GHz 的射頻模塊。

　　這些模塊經(jīng)過 100% 測(cè)試以提供一致的性能，并且模塊化認(rèn)證允許 OEM 將帶有批準(zhǔn)天線的模塊放置在成品中，而無需對(duì)有意輻射器進(jìn)行昂貴的監(jiān)管測(cè)試。

　　天線設(shè)計(jì)

　　對(duì)于將設(shè)備安裝在家庭中的智能電表等應(yīng)用，全向天線方向圖允許設(shè)備在任何方向上同樣良好地工作。類似地，對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)應(yīng)用程序，需要全向模式，以便所有節(jié)點(diǎn)都有公平的通信機(jī)會(huì)。A1101R04C 具有經(jīng)過批準(zhǔn)的近全向單極天線，但需要注意的是，末端輻射方向圖不僅取決于天線，還取決于接地平面、外殼和安裝環(huán)境。

　　天線匹配為發(fā)射放大器提供正確的負(fù)載以實(shí)現(xiàn)最高輸出功率，以及為接收低噪聲放大器 （LNA） 提供正確的負(fù)載以實(shí)現(xiàn)最佳靈敏度和所需范圍。模塊中的電源管理確保了內(nèi)部功能的穩(wěn)定供電，并提供了低功耗睡眠模式的手段（在這種情況下，大部分收發(fā)器都處于關(guān)閉狀態(tài)）。

　　界面

　　物理層提供數(shù)據(jù)、符號(hào)和射頻信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，而 MAC 層是邏輯鏈路層的一部分，提供幀處理、尋址和介質(zhì)訪問服務(wù)。物理層和 MAC 層的寄存器和命令都通過 SPI 串行接口暴露給微控制器，這可以由Microchip PIC12等 8 位微控制器處理。下面詳細(xì)討論如何使用 PIC12 以及如何實(shí)現(xiàn) SPI 接口。

　　物理層和 MAC 層功能通過 SPI 總線通過可尋址寄存器和執(zhí)行命令進(jìn)行訪問。接收或發(fā)送的數(shù)據(jù)也通過 SPI 總線訪問，并作為 FIFO 寄存器實(shí)現(xiàn)（Tx 和 Rx 各 64 字節(jié)）。

　　傳輸時(shí)，將一幀數(shù)據(jù)放入 FIFO；這可能包括目標(biāo)地址。給出一個(gè)發(fā)送命令，它將根據(jù)寄存器的初始設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)。要接收數(shù)據(jù)，會(huì)給出一個(gè)接收命令，該命令使單元能夠“監(jiān)聽”傳輸，并在發(fā)生傳輸時(shí)將接收到的幀放入 FIFO。當(dāng)既不需要發(fā)送也不需要接收時(shí)，器件可以進(jìn)入空閑模式，從中可以快速重新進(jìn)入接收或發(fā)送模式，或者進(jìn)入低功耗睡眠模式，在發(fā)送或接收操作之前也需要晶體啟動(dòng)。

　　使用模塊

　　該模塊基于德州儀器的CC1101收發(fā)器 IC. 收發(fā)器的所有控制線都在模塊級(jí)別提供，以完全控制其操作。

　　圖 2：A1101R04C 低于 1 GHz 射頻模塊中的 CC1101 收發(fā)器。

　　在寄存器的初始設(shè)置之后，模塊可以以幾種不同的方式運(yùn)行。對(duì)于不頻繁數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，收發(fā)器將處于“睡眠”模式以節(jié)省功率 （200 nA）。從那里它會(huì)醒來，然后進(jìn)入“空閑”模式。作為喚醒過程的一部分，晶體振蕩器啟動(dòng)（大約 240 μs）并且微控制器接口上電。在發(fā)送或接收之前，需要啟動(dòng)頻率合成器（“FS_Wakeup”），并且在關(guān)閉電源（或空閑一段時(shí)間）后，需要校準(zhǔn) VCO/PLL 的控制環(huán)路。

　　數(shù)據(jù)幀被加載到發(fā)送 FIFO 并進(jìn)入 TX 模式。收發(fā)器將傳輸數(shù)據(jù)并在完成后進(jìn)入“空閑”模式。發(fā)送完成后，進(jìn)入 RX 模式等待確認(rèn)幀。一旦接收到一幀，收發(fā)器將再次進(jìn)入“空閑”模式。如果在給定的超時(shí)時(shí)間內(nèi)沒有接收到確認(rèn)幀，則將重新傳輸數(shù)據(jù)幀。如果確認(rèn)幀表明數(shù)據(jù)已收到，則將發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)幀。最后一個(gè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功后，收發(fā)器將再次進(jìn)入“睡眠”模式。

　　為了符合歐洲的輸出功率限制，如果模塊以 10% 的占空比運(yùn)行，則最大輸出功率為 10 mW （10 dBm）。如果需要 100% 占空比，全時(shí)運(yùn)行，那么對(duì)于帶寬小于 250 kHz 的信號(hào)，輸出功率應(yīng)限制為 1 mW （0 dBm），對(duì)于大于 250 kHz 的信號(hào)，輸出功率應(yīng)限制為 -13 dBm/10 kHz千赫。

　　需要注意的是，模塊的輸出功率會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而變化。為了獲得最佳范圍并同時(shí)保持認(rèn)證合規(guī)性，可以根據(jù)溫度調(diào)整輸出功率，以在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持近似恒定的輸出功率。如果未實(shí)施溫度相關(guān)控制，用戶必須對(duì)所有溫度使用最低功率值，以將功率保持在認(rèn)證限制內(nèi)。

　　與智能電表接口

　　模塊與系統(tǒng)其余部分之間的鏈接是 SPI 串行，這可以通過相對(duì)簡單的微控制器（例如 Microchip PIC12）來處理。如果儀表已經(jīng)是數(shù)字的，這可以從儀表中獲取數(shù)據(jù)，或者使用集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器來轉(zhuǎn)換來自霍爾效應(yīng)電流傳感器（例如Melexis MLX91205或Allegro Microsystems ACS711 ）的信號(hào)。這些可以直接從現(xiàn)有的儀表系統(tǒng)測(cè)量功率。

　　PIC12微控制器

　　PIC12 使用具有 49 條指令的增強(qiáng)型中檔 8 位 CPU 內(nèi)核、具有自動(dòng)上下文保存功能的中斷功能以及具有上溢和下溢復(fù)位功能的 16 級(jí)硬件堆棧。為了提高編碼的靈活性，提供了直接、間接和相對(duì)尋址模式，并且兩個(gè)文件選擇寄存器 （FSR） 提供了讀取程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的能力。

　　圖 3：PIC12 微控制器顯示了用于連接射頻模塊的 SPI 接口，以及用于連接霍爾效應(yīng)電流傳感器等外部設(shè)備的模數(shù)接口塊。

　　SPI 接口

　　SPI 接口是將射頻模塊連接到系統(tǒng)其余部分的關(guān)鍵。該同步協(xié)議允許主設(shè)備發(fā)起與從設(shè)備的通信以交換數(shù)據(jù)。它通過一個(gè)稱為同步串行端口或主同步串行端口的硬件模塊在 PICmicro MCU 中實(shí)現(xiàn)。該模塊允許兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間的高速串行通信，并且相當(dāng)容易實(shí)現(xiàn)。

　　圖 4：PIC12 微控制器的內(nèi)核顯示了 SSP 和 MSSP 模塊。

　　時(shí)鐘信號(hào)由主機(jī)提供以提供同步并控制數(shù)據(jù)何時(shí)可以更改以及何時(shí)可以讀取。由于 SPI 是同步的，它與數(shù)據(jù)一起具有時(shí)鐘脈沖，這使其不同于 RS-232 和其他不使用時(shí)鐘脈沖的異步協(xié)議，因此需要準(zhǔn)確的時(shí)序。這意味著時(shí)鐘可以在不中斷數(shù)據(jù)的情況下發(fā)生變化，因?yàn)閿?shù)據(jù)速率只會(huì)隨著時(shí)鐘速率的變化而變化。當(dāng)微控制器的時(shí)鐘不精確時(shí)，這使得 SPI 非常理想，例如通過低成本 RC 振蕩器。

　　傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，必須先讀取傳入數(shù)據(jù)，然后再嘗試再次傳輸。如果輸入的數(shù)據(jù)沒有被讀取，那么數(shù)據(jù)將會(huì)丟失并且 SPI 模塊可能因此被禁用。始終在傳輸發(fā)生后讀取數(shù)據(jù)，即使數(shù)據(jù)在應(yīng)用程序中沒有用處。每個(gè)設(shè)備都有兩條數(shù)據(jù)線，一條用于輸入，一條用于輸出，但數(shù)據(jù)始終在 SPI 設(shè)備之間交換 - 沒有設(shè)備可以只是“發(fā)送器”或“接收器”。這些數(shù)據(jù)交換由主設(shè)備控制的時(shí)鐘線 SCK 控制。數(shù)據(jù)通常在 SCK 的上升沿或下降沿發(fā)生變化。

　　通常，從設(shè)備選擇信號(hào)將控制何時(shí)訪問設(shè)備。當(dāng)系統(tǒng)中存在多個(gè)從機(jī)時(shí)，必須使用此信號(hào)，但當(dāng)電路中僅存在一個(gè)從機(jī)時(shí)，該信號(hào)是可選的。該從設(shè)備選擇 （SS） 信號(hào)向從設(shè)備指示主設(shè)備希望在該從設(shè)備與其自身之間啟動(dòng) SPI 數(shù)據(jù)交換。該信號(hào)通常是低電平有效，因此這條線上的低電平表示 SPI 處于活動(dòng)狀態(tài)，而高電平表示不活動(dòng)。它通常用于提高系統(tǒng)的抗噪能力。它的功能是復(fù)位 SPI 從機(jī)，使其準(zhǔn)備好接收下一個(gè)字節(jié)。

　　SSP 或 MSSP 控制器模塊允許實(shí)現(xiàn) SPI 或 I2C。MSSP 中的“M”代表“Master”，與它如何處理 I2C 數(shù)據(jù)有關(guān)，因此它不會(huì)影響其 SPI 性能，因此 MSSP 或 SSP 模塊均可用于 SPI。

　　SSPSR 是 SPI 模塊的移位寄存器，將數(shù)據(jù)移入和移出器件。數(shù)據(jù)循環(huán)傳送到下一個(gè)移位寄存器，從 PIC12 的 SDO 引腳移出并進(jìn)入 RF 模塊的 SDI 引腳。一旦兩個(gè)器件之間交換了一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，它就會(huì)被復(fù)制到 SSPBUF 寄存器中。SSPBUF 然后由用戶軟件讀取。

　　儀表的使用日期由用戶代碼寫入 SSPBUF，然后自動(dòng)傳輸?shù)?SSPSR。

　　以 PIC 作為主機(jī)，此過程將啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸。從機(jī)選擇信號(hào)通過拉低以啟動(dòng) SPI 傳輸來激活，一旦完成一個(gè)字節(jié)傳輸就返回高狀態(tài)。

　　結(jié)論

　　低于 1 GHz 的免許可頻段為智能電表的低成本、低功耗鏈路開辟了機(jī)會(huì)。避免 2.4 GHz 頻段的干擾以及更大的穿透力，可實(shí)現(xiàn)更長的覆蓋范圍和更低的功耗，這兩者都有助于降低系統(tǒng)成本。借助預(yù)先批準(zhǔn)的射頻模塊，這些無線鏈路可以輕松添加到電表設(shè)計(jì)中。然后可以使用低成本、簡單的微控制器來處理模塊與儀表其余部分以及其他傳感器之間的 SPI 接口。所有這些結(jié)合起來為智能電網(wǎng)提供了堅(jiān)固、可靠的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。