探索RC1180-MBUS无线M-Bus多模式射频收发模块

在电子工程师的日常工作中，无线通信模块的选择至关重要，它直接影响到产品的性能和应用范围。今天，我们就来深入了解一款功能强大的无线M-Bus多模式射频收发模块——RC1180-MBUS。

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产品概述

RC1180-MBUS是一款紧凑型表面贴装高性能模块，内置无线M-Bus协议。它具有UART接口，用于串行通信和配置，还有单引脚天线连接。该模块经过预认证，可在欧洲无线电法规下免许可证使用，尺寸仅为12.7 x 25.4 x 3.7 mm，还带有屏蔽。使用四分之一波长天线时，典型视距范围可达800米。它满足无线M-Bus规范的S、T和R2模式，工作在868 MHz频段的12个信道上。

应用领域

这款模块的应用领域十分广泛，涵盖了无线M-Bus、自动抄表（AMR）、高级计量基础设施（AMI）等。具体来说，可用于电表、燃气表、水表、热量表、热成本分配器以及读取器和集中器等设备。

产品特性

协议支持

内置支持EN 13757 - 4:2013模式S、T、C和R2的无线M-Bus协议，为不同的应用场景提供了强大的支持。

紧凑设计

12.7 x 25.4 x 3.7 mm的紧凑尺寸，适合表面贴装（SMD），方便集成到各种设备中。

易用接口

采用易于使用的UART接口进行通信和配置，降低了开发难度。

宽电压范围

具有2.0 - 3.6 V的宽电源电压范围，能适应不同的电源环境。

低功耗模式

拥有超低功耗模式，可延长电池使用寿命，这对于一些需要长期运行的设备尤为重要。

多信道支持

在S、T和C模式下有2个信道（868.3, 868.95 MHz），在R2模式下有10个信道（868.03 + n x 0.06 MHz）。

配置灵活

无需外部组件（除天线外），还可配置制造商ID和序列号，满足不同用户的个性化需求。

合规性

符合欧盟RED指令（EN 300 220, EN 301 489, EN 60950），并设计用于防爆合规。

快速参考数据

参数	RC1180-MBUS	单位
频段	868.0 – 870.0	MHz
信道数量	12
数据速率	4.8, 32.768, 100	kchip/s
最大输出功率	9	dBm
灵敏度（R/S/T）	-106/-102/-101	dBm
电源电压	2.0 – 3.6	Volt
电流消耗（RX / TX）	24 / 37	mA
电流消耗（SLEEP）	典型0.3	uA
温度范围（S和T模式）	-40 to +85	°C

嵌入式固件解决方案

RC1180-MBUS模块提供不同的嵌入式固件解决方案，可在同一硬件上实现特定的功能集。具体如何使用这些功能集的详细信息可在MBUS用户手册中查看，最新版本可在Radiocrafts的网页上获取。

无线M-Bus调制解调器

标准的RC1180-MBUS模块就像一个带有UART接口的无线M-Bus调制解调器。嵌入式协议根据来自外部源（仪表或集中器）的应用消息发送和接收无线M-Bus数据包。该模块通过其UART接口使用简单的命令集进行配置，配置参数存储在非易失性存储器中。模块还可以设置为睡眠模式，电流消耗极低，并可通过UART命令唤醒。

RF频率、输出功率和数据速率

不同的M-Bus模式决定了频率和数据速率的组合。对于R模式，RF信道选择必须在1 - 10之间。具体信息如下表所示：	型号	RF信道	输出功率	数据速率
RC1180 - MBUS	1 - 10: f RF = 868.03 + (N - 1) * 0.06 MHz（N为信道号） 11（用于S和T2模式）: f RF = 868.300 MHz 12（用于T1和T2模式）: f RF = 868.950 MHz 工厂设置: 1: 868.030 MHz（仅适用于R模式） C模式频率与T模式相同	1: -20 dBm 2: -10 dBm 3: 0 dBm 4: 5 dBm 5: 9 dBm	1: 4.8 kchip/s 2: 32.768 kchip/s 3: 100 kchip/s

若要了解更改RF信道、输出功率或M-Bus模式的更多详细信息，可参考MBUS用户手册。

全无线M-Bus应用（可选定制版本）

作为一种选择，可根据客户规格在模块中集成完整的无线M-Bus应用层。在这种情况下，所有应用层协议和时序将由模块内部处理。可以使用S0（单引脚）脉冲接口和/或串行接口从任何仪表读取数值。由于读取仪表信息的协议可能因仪表而异，因此嵌入式固件会针对每个不同的仪表和应用进行定制。定制应用中可使用的一些功能包括：

• 4 kB EEPROM用于存储仪表数据
• 32 kHz振荡器用于实时时钟时间戳
• AES - 128加密
• 睡眠定时器
• 消息确认和重传
• 用于防篡改检测、报警和安装的数字I/O引脚
• 用于模拟传感器的A/D转换器

一键安装（可选定制版本）

由于RC1180-MBUS模块具有双向收发能力，即使在S1和T1（单向）操作模式下，也可以使用简单而可靠的安装程序。在完整的M-Bus应用中，Radiocrafts独特的“一键”安装功能大大简化了安装过程，显著减少了安装时间。使用连接到模块专用引脚的外部按钮和LED，安装过程非常简单：

1. 按下集中器上的安装按钮。
2. 按下仪表上的安装按钮。
3. 等待5秒钟，让仪表和集中器之间进行双向通信。
4. 查看安装LED，亮起表示安装成功（闪烁表示安装过程中出现错误）。

电路设计

框图与电路描述

模块包含一个带有嵌入式无线M-Bus协议软件的通信控制器和一个高性能RF收发器。可选地，模块可以支持实时时钟振荡器和EEPROM存储器。通信控制器处理无线电数据包协议、UART接口并控制RF收发器。主机要发送的数据在RXD引脚接收并在通信控制器中缓冲。数据包在通过RF传输之前，会与前导码、帧起始分隔符（SOF）、制造商ID、唯一地址信息和CRC校验和进行组装。RF收发器对要在RF频率上传输的数据进行调制，并对接收到的数据进行解调。使用数字信号处理技术来提高灵敏度和选择性。通信控制器会检查接收到的数据的CRC是否正确。如果未检测到CRC错误，数据包将通过TXD线发送到主机。数据格式可配置，还可以选择在消息中添加RSSI值（接收到的数据包的信号强度）。异步UART接口由RXD和TXD组成。可选地，CTS或RTS可用于硬件握手流控制。当发送00h值作为第一个字节（替换长度字节），或者CONFIG引脚被置位时，模块进入配置模式，通信控制器将RXD引脚接收到的数据解释为配置命令。有命令可以更改无线电信道、输出功率等。也可以进行永久性的配置更改，并将其存储在内部非易失性存储器（Flash）中。电源电压连接到VCC引脚。模块包含一个用于RF收发器的内部电压调节器，因此可以在较宽的电源电压范围内工作。模块可以通过UART命令设置为睡眠模式，以将功耗降至最低。

引脚分配

引脚编号	引脚名称	描述
1	GND	系统接地
2	CTS	UART清除发送
3	RTS	UART请求发送
4	CONFIG	配置使能，低电平有效
5	TXD	UART发送数据
6	RXD	UART接收数据
7	GND	系统接地
8	GND	系统接地
9	RF	RF与天线的I/O连接
10	GND	系统接地
11	NC	未连接
12	RESET	主复位（低电平有效），通常应保持开路，内部有12 kΩ上拉电阻
13	VCC	电源电压输入，内部调节
14	GND	系统接地
15 - 22	RESERVED	测试引脚或保留供将来使用，请勿连接
23 - 28	RESERVED	测试引脚或保留供将来使用，请勿连接
29	LED1	使用LED_CONTROL的LED输出，若不使用则请勿连接
30	LED0	使用LED_CONTROL的LED输出，若不使用则请勿连接

应用电路

典型的应用电路中，MCU连接到Radiocrafts模块。通常情况下，UART（CTS/RTS可选）和RESET线连接到运行应用程序的主机MCU。CONFIG是可选的，因为UART命令可以替代MBUS模块上的CONFIG引脚。引脚29/30是LED驱动器，D1/D2可以安装（可选）用于调试（状态信息）。在设计时，需要根据连接到Radiocrafts模块的MCU输出驱动器特性添加一些额外的外部组件。如果RESET由推挽输出驱动，应如图所示插入一个额外的0欧姆串联电阻（R4），以便用于固件升级的外部编程器可以将Reset置为低电平。在固件升级期间，在这种情况下必须移除R4。在嘈杂的环境中，当RESET不是由推挽输出驱动时，建议使用5k6电阻（R3）在RESET上添加外部上拉。如果上拉更强，用于固件升级的外部编程器将无法将RESET置为低电平。同样，在嘈杂的环境中，当RXD不是由推挽输出驱动时，建议使用5k6电阻（R3）在RXD上添加外部上拉。

复位滤波

为了最小化复位线上的噪声影响，模块上的RESET引脚（引脚12）必须通过RC网络连接到外部电路。建议将RESET连接到微控制器的I/O引脚。复位滤波器应尽可能靠近模块的RESET引脚放置。

电源供应

嘈杂的外部电路在某些情况下可能会影响RX1180MBUS上的传输信号，因此应采取预防措施以符合欧盟R&TTE标准。例如，DC/DC转换器和一些电平转换器（如RS232和RS485）等电路可能会在RC1180-MBUS传输频谱上产生噪声。为了增加频谱余量，重要的是在RC1180-MBUS模块的VCC引脚上添加一个EMI滤波磁珠（L1）。或者，RC1180-MBUS可以由单独的电压调节器供电（RC_VCC），这将确保从电源（RC_VCC）到RC1180-MBUS的潜在开关噪声被过滤掉。

编程接口

为了进行未来的固件更新和可能的定制变体，建议在模块编程引脚上包含一个2x5引脚的编程连接器。连接器应为1.27 mm间距的引脚排（两个方向间距相同），可以是SMD或通孔版本，连接方式如下所示。RXD/TXD线在固件升级时不使用，但包含在连接器的备用引脚上用于调试目的。

天线连接

天线应连接到RF引脚，RF引脚匹配到50欧姆。如果天线连接器放置在主板上远离模块的位置，RF引脚和连接器之间的走线应是50欧姆传输线。在由FR4制成的两层板上，假设介电常数为4.8，微带传输线的宽度应为板厚度的1.8倍。走线应在板的顶部运行，底部应为接地平面。例如，对于1.6 mm厚的FR4板，顶部走线的宽度应为1.8 x 1.6 mm = 2.88 mm。最简单的天线是四分之一波长鞭状天线。在接地平面上方的四分之一波长鞭状天线的阻抗为37欧姆，通常不需要50欧姆的匹配电路。PCB天线可以做成铜走线，背面的接地平面应移除。PCB板的其余部分应具有尽可能大的接地平面，最好与天线本身一样大，以使其作为天线的配重。如果走线短于四分之一波长，天线应匹配到50欧姆。不同工作频率下四分之一波长天线的长度如下表所示：	频率 [MHz]	长度 [cm]
868	8.2

PCB布局建议

建议使用具有两层或更多层且在其中一个内层或底层有实心接地平面的PCB。模块的所有GND引脚应通过过孔连接到这个接地平面，每个GND引脚一个过孔，走线应尽可能短。模块背面有几个测试焊盘，这些测试焊盘不应连接，模块下方的区域应覆盖阻焊层。如果需要在模块下方进行走线或过孔，走线和过孔必须覆盖阻焊层，以防止测试焊盘短路。建议过孔进行包封。保留引脚应焊接到焊盘，但焊盘必须悬空。需要注意的是，Radiocrafts技术支持团队可提供原理图和布局审查服务。

机械尺寸与相关规格

机械尺寸

模块尺寸为12.7 x 25.4 x 3.7 mm。

载带和卷轴规格

载带和卷轴符合EIA规范481。具体参数如下：	磁带宽度	元件间距	孔间距	卷轴直径	每卷轴单元数
44 mm	16 mm	4 mm	13”	最大1000

焊接曲线建议

建议使用JEDEC标准IPC/JEDEC J - STD - 020D.1（第7和8页）的无铅组装。该标准要求考虑PCB上“周围环境”的散热情况。应调整峰值温度，使其在标准规定的实际主板窗口范围内。焊膏模板的开口通常面积减少20 - 35%，请咨询生产厂家以获取最佳的开口减少经验。

绝对最大额定值与电气规格

绝对最大额定值

参数	最小值	最大值	单位
电源电压，VCC	-0.3	3.9	V
任何引脚的电压	-0.3	VCC + 0.3V（最大3.9V）	V
输入RF电平		10	dBm
存储温度	-50	150	°C
工作温度	-40	85	°C

需要注意的是，该设备对静电敏感，处理时应采取预防措施，以防止永久性损坏。在任何情况下，都不应违反上述绝对最大额定值。超过一个或多个限制值的应力可能会对设备造成永久性损坏。新鲜的3.6V锂电池通常开路电压高于标称的3.6V，但只要不超过绝对最大额定值（3.9V），仍可用于为模块供电。当模块在IDLE/RX/TX模式下运行时，电池负载电压通常会降至3.6V以下，这在工作电压范围（2.0V - 3.6V）内。

电气规格

在T = 25°C，VCC = 3.0 V（除非另有说明）的条件下，各项参数如下：	参数	最小值	典型值	最大值	单位	条件 / 注释
工作频率	868.0		870.0	MHz
信道数量		12
输入/输出阻抗		50		欧姆
芯片速率（S模式、T模式、R2模式）		32.768、100、4.8		kchip/s
数据速率（S模式、T模式、R2模式）		16.384、66.67、2.4		kbit/s	S和R2模式使用曼彻斯特编码。T模式使用6选3编码。T2使用两者的组合。
频率稳定性（S和T模式、R2模式）			+/-40、+/-20	ppm	包括10年老化。R2