如何将无线链路添加到智能电表设计中

智能电表是创建智能家居的核心。能够测量家庭的总体电力使用量并将数据反馈给公用事业公司是管理公用电网负荷并最终减少消费者账单的关键因素。

为电表添加无线连接是使用最新的RF模块相对简单。它们提供经认证可用于特定地理区域的所有RF连接。但是，这些模块需要连接到仪表以直接获取数据，或者连接到正在消耗电流的传感器。这可以通过低成本的8位微控制器相对容易地完成。

使用未经调节的1 GHz以下频段对于智能电表设计具有许多优势。较低的频率可以在较长的距离内提供较低的数据速率，从而为系智能电表每天只需要发送少量数据，因此数据速率很低。这允许使用更长的范围，并且与诸如ZigBee的协议非常不同，ZigBee可以在2.4GHz下承载更多数据。使用低于1 GHz的频段还可以避免来自2.4 GHz信号源（如Wi-Fi，蓝牙和微波炉）的潜在干扰，这进一步降低了建立可靠无线链路所需的功率。

德州仪器的最新射频芯片已被证明在这些较低频率下，在最远10 km的距离内携带低数据速率（几kbyte/s）。这有两个优点：可以将更多设备连接到单个集线器或集中器，或者可以显着降低RF收发器的功耗。这允许系统架构师优化功耗和范围的平衡。例如，几条房屋的街道可以通过低于1 GHz的链路连接到街道中的集中器，从而避免在每个家庭中使用宽带集线器。

模块支持不同的无线网络拓扑，例如点对点，点对多点，对等和网状网络，具体取决于系统架构。网状网络允许相邻单元链接在一起并携带数据，从而大大扩展了覆盖范围。这会影响数据速率，但对于智能电表网络来说，节省成本比数据速率更重要，并且有足够的空间来支持网状网络。

RF模块

Anaren的A1101R04C是可用于智能电表设计的1 GHz以下RF模块的一个很好的例子，它将晶体，内部稳压器，匹配电路和滤波器集成到可以轻松安装在电路板上的表面贴装设计中。9 x 12 x 2.5 mm模块通过U.FL连接器使用外部天线，用于433.05至434.79 MHz的欧洲频段，非常适合实现低功耗无线连接，无需处理广泛的RF设计和法规遵从性，并且提供快速上市时间。

图1：A1101R04C 1 GHz以下RF模块。

模块经过100％测试，可提供一致的性能，模块化认证允许OEM将带有认可天线的模块放置在成品中不得不对故意散热器进行昂贵的监管测试。

天线设计

对于智能电表等应用，如家庭中安装了该设备，全向天线模式使设备可以在任何方向上同样良好地工作。类似地，对于对等或点对多点应用，期望全向模式，因此所有节点都具有公平的通信机会。 A1101R04C具有经批准的近全向单极天线，但重要的是要注意，末端辐射方向图不仅取决于天线，还取决于地平面，外壳和安装环境。

天线匹配提供正确的负载发射放大器实现最高输出功率，以及正确的负载，为接收低噪声放大器（LNA）实现最佳灵敏度和所需范围。模块中的电源管理可确保内部功能的稳定供电，并为低功耗睡眠模式提供方法（在这种情况下，大多数收发器都已断电）。

Interface

物理层提供数据，符号和RF信号之间的转换，而MAC层是逻辑链路层的一部分，并提供帧处理，寻址和媒体访问服务。物理层和MAC层的寄存器和命令通过SPI串行接口暴露给微控制器，这可以由8位微控制器（如Microchip PIC12）处理。下面详细讨论如何使用PIC12以及如何实现SPI接口。

物理层和MAC层功能通过SPI总线通过可寻址寄存器和执行命令进行访问。接收或发送的数据也可通过SPI总线访问，并实现为FIFO寄存器（Tx和Rx各64字节）。

要发送，数据帧放在FIFO中;这可能包括目的地地址。给出发送命令，该命令将根据寄存器的初始设置发送数据。为了接收数据，给出接收命令，该命令使单元“监听”传输，并且当发生一个时，将接收的帧放入FIFO中。当既不需要发送也不接收时，设备可以进入空闲模式，从中可以快速重新进入接收或发送模式，或者进入低功耗睡眠模式，在发送或接收操作之前也需要晶体启动。

使用模块

该模块基于德州仪器（TI）的CC1101收发器IC。收发器的所有控制线都在模块级提供，以完全控制其操作。

图2：A1101R04C子1 GHz RF模块中的CC1101收发器。

After初始设置寄存器，模块可以以几种不同的方式运行。对于不频繁数据传输的应用，收发器将处于“睡眠”模式以节省功率（200nA）。从那里它将被唤醒，然后进入“空闲”模式。作为唤醒过程的一部分，晶体振荡器启动（约240μs），微控制器接口通电。在发送或接收之前，需要启动频率合成器（“FS_Wakeup”），并且在关闭电源（或暂停一段时间）后，需要校准VCO/PLL的控制环路。

数据帧被加载到发送FIFO中并进入TX模式。收发器将在完成后传输数据并进入“空闲”模式。发送完成后，进入RX模式等待应答帧。一旦接收到帧，收发器将再次进入“空闲”模式。如果在给定超时内没有接收到确认帧，则将重新发送数据帧。如果确认帧指示接收到数据，则将发送下一个数据帧。在成功传输最后一个数据帧后，收发器将再次进入“睡眠”模式。

为了符合欧洲的输出功率限制，最大输出功率为10 mW（10 dBm），如果模块以10％的占空比运行。如果需要100％占空比，全时操作，则对于小于250 kHz带宽的信号，输出功率应限制为1 mW（0 dBm），对于大于250的信号，输出功率应限制在-13 dBm/10 kHz kHz。

重要的是要注意模块的输出功率随环境温度而变化。为了获得尽可能好的范围并同时保持认证合规性，可以根据温度调整输出功率，以在整个温度范围内保持近似恒定的输出功率。如果未实施温度相关控制，则用户必须使用所有温度的最低功率值，以便将功率保持在认证限制范围内。

与智能仪表的接口

模块与系统其余部分之间的链接是SPI串行，这可以通过相对简单的微控制器（如Microchip PIC12）来处理。如果仪表已经是数字，则可以从仪表获取数据，或者使用集成的模数转换器转换霍尔效应电流传感器（如Melexis MLX91205或Allegro Microsystems ACS711）的信号。这些可直接从现有仪表系统测量功率。

PIC12单片机

PIC12使用增强型中档8位CPU内核，具有49条指令，中断功能，自动上下文保存和具有溢出和下溢复位功能的16级硬件堆栈。为了提高编码的灵活性，可以使用直接，间接和相对寻址模式，两个文件选择寄存器（FSR）提供读取程序和数据存储器的能力。

图3：PIC12单片机显示用于连接RF模块的SPI接口，以及用于连接外部器件（如霍尔效应电流传感器）的模数转换接口模块。

SPI接口

SPI接口是将RF模块连接到系统其余部分的关键。该同步协议允许主设备发起与从设备的通信以交换数据。它由PICmicro MCU通过称为同步串行端口或主同步串行端口的硬件模块实现。该模块允许两个或更多设备之间的高速串行通信，并且相当容易实现。

图4：PIC12单片机的内核显示SSP和MSSP模块。时钟信号由主机提供，用于提供同步和控制数据何时可以更改以及何时有效读取。由于SPI是同步的，它具有时钟脉冲和数据，使其与RS-232和其他不使用时钟脉冲的异步协议不同，因此需要精确的时序。这意味着时钟可以在不中断数据的情况下变化，因为数据速率将随时钟频率的变化而变化。这使得SPI成为微控制器时钟不精确时的理想选择，例如通过低成本的RC振荡器。

当传输数据时，必须先读取输入数据，然后再尝试传输。如果未读取输入数据，则数据将丢失，因此SPI模块可能会被禁用。传输完成后总是读取数据，即使数据在应用程序中没有用。每个设备有两条数据线，一条用于输入，一条用于输出，但数据总是在SPI设备之间交换 - 没有设备可以只是一个“发射器”或只是一个“接收器”。这些数据交换由时钟线SCK控制，SCK由主设备控制。数据通常在SCK的上升沿或下降沿期间发生变化。通常，从选择信号将控制何时访问器件。当系统中存在多个从站时，必须使用此信号，但当电路中只有一个从站时，该信号可以是可选的。该从选择（SS）信号向从机指示主机希望在该从机设备与其自身之间启动SPI数据交换。信号通常为低电平有效，因此该线路上的低电平表示SPI处于活动状态，而高电平表示信号不活动。它通常用于提高系统的抗噪性。其功能是复位SPI从器件，以便接收下一个字节。

SSP或MSSP控制器模块允许实现SPI或I²C。 MSSP中的“M”代表“主”，它与如何处理I²C数据有关，因此它不会影响其SPI性能，因此可以将MSSP或SSP模块用于SPI。

SSPSR是移位寄存器对于SPI模块，将数据移入和移出器件。数据以环路传输到下一个移位寄存器，从PIC12的SDO引脚移出并进入RF模块的SDI引脚。一旦在两个器件之间交换了一个字节的数据，就会将其复制到SSPBUF寄存器。然后用户软件读取SSPBUF。

用户代码将仪表的使用日期写入SSPBUF，然后自动传送到SSPSR。

以PIC为主，这个过程将启动数据传输。从器件选择信号通过低电平启动SPI传输来激活，一旦进行一个字节传输就返回高电平状态。

结论

1 GHz以下的免许可频段为低电平提供了机会智能电表的成本，低功耗链路。避免2.4 GHz频段的干扰以及更大的穿透，允许更长的范围和更低的功耗，这两者都有助于降低系统成本。通过预先批准的RF模块，可以轻松地将这些无线链路添加到电表设计中。然后，可以使用低成本，简单的微控制器来处理模块与仪表其余部分以及其他传感器之间的SPI接口。所有这些相结合，为智能电网提供坚固，可靠的系统设计。