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作者：Milen Stefanov，德州儀器 (TI) 自德州儀器 (TI) 首次推出 16 位 MSP430 微控制器以來，超低功耗 (ULP) 微控制器 (MCU) 已風(fēng)靡了至少 20 年。從那時起，超低功耗解決方案即在傳感器、計量和種類繁多的電池供電型設(shè)備（如血糖儀、溫度計、手表等）領(lǐng)域呈雨后春筍之勢蔓延，驗證了 ULP 系統(tǒng)方法是前途無量的絕佳策略。 超低功耗技術(shù)已擴展至 RF 收發(fā)器、傳感器、MCU 以及適用于電池供電型應(yīng)用的所有類型芯片產(chǎn)品。同樣，只有顯著降低半導(dǎo)體產(chǎn)品的功耗，才有可能在平板電腦和智能手機等許多消費類應(yīng)用中廣泛采用無線技術(shù)。 人們普遍意識到，未來全球性增長的良機將花落智能電網(wǎng)市場，其中包括燃?xì)獗怼岜怼⑺怼㈦姳怼崃糠峙浔淼扔嬃亢洼o助計量設(shè)備，以及可從計量裝置收集信息的智能電網(wǎng)家庭網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)集中器和數(shù)據(jù)收集器。智能電網(wǎng)和家域網(wǎng) (HAN) 的聯(lián)袂攜手既有望使公用設(shè)施降低高峰電力需求（而這反過來又有助于減少興建新電廠的需求），也有望通過家庭自動化為消費者節(jié)省成本并增加舒適感。 本文介紹了最佳超低功耗 MCU、最高性能 RF 收發(fā)器（適合低于 1GHz 的通信）與高級電源系統(tǒng)解決方案的強強聯(lián)手如何能助推新一代智能計量儀表走紅歐洲內(nèi)外。此外，歐洲 wM-Bus 協(xié)議棧的日趨成熟和最新發(fā)展也為電池供電型燃?xì)獗怼⑺砗蜔岜淼拇笠?guī)模部署敞開了新機遇的大門。 本文還介紹了如何采用 868MHz 與 169MHz 頻段的流行版 wM-Bus RF 通信為歐洲市場構(gòu)建智能儀表（燃?xì)獗怼⑺怼岜恚┠K；并就如何實施與優(yōu)化燃?xì)獗怼⑺砗蜔岜淼?wM -Bus解決方案提供了實用性建議。 1. RF 通信的歐洲版標(biāo)準(zhǔn) 歐洲對低于 1GHz 通信的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是 ETSI 300 220-1 V2.3.1（ 2010 年 2月）。面向計量應(yīng)用的既定 868 MHz 和 433 MHz 免授權(quán) ISM 頻段有所擴展，在抄表應(yīng)用中可以是頻段為 169.400MHz 的一個 75kHz 窄帶。允許的最大發(fā)射功率為 +500mW（等于 +27dBm），占空比 <=10%。通道間隔為 50kHz 或以下；還可用 LBT（載波偵聽）或 AFA（自適應(yīng)頻率捷變）通道接入，但二者都不是強制性的。 顯然，比起頻段為 868 MHz、發(fā)射功率為 +25mW（ 等于 +14dBm ）的現(xiàn)有 wM-Bus 解決方案，頻段為 169MHz、發(fā)射功率為 +27dBm 的低成本 RF 鏈接能提供更卓越的覆蓋范圍（見圖 1）。請注意，“舊型”T 模式與“新型”C 模式各采用兩種不同的頻率，一種用于儀表至數(shù)據(jù)收集器方向，另一種則用于從數(shù)據(jù)收集器至儀表方向的鏈接。 圖 1：WMBus 的 S、T 及 C 模式與 ETSI 300220v2.3.1 的關(guān)系 在 T 模式下，頻段為 868.3MHz 的數(shù)據(jù)收集器發(fā)射功率最大為 +14dBm；在 C 模式下，頻段為 869.525MHz 的數(shù)據(jù)收集器發(fā)射功率則高達(dá) +27dBm。 在歐洲人口密集地區(qū)部署智能儀表時，由于高樓大廈林立，多重混凝土與磚墻擋在不同的 RF 節(jié)點之間，導(dǎo)致 RF 環(huán)境極為不利，所以 RF 計量解決方案的覆蓋范圍是有待解決的最大難題。事實證明，現(xiàn)有的 ZigBee SE1.1 產(chǎn)品在英國城市地區(qū)未能提供足夠的城市覆蓋范圍，這正是基于 Zigbee® 的 2.4GHz 解決方案的主要缺點。頻段為 169MHz 的新一代 wM-Bus 啟動型智能儀表目的就是要解決在意大利或法國等國家的覆蓋范圍問題。 擴大 169MHz RF 鏈接的覆蓋范圍可避免使用中繼器并去除儀表的重復(fù)功能，從而簡化系統(tǒng)架構(gòu)，降低網(wǎng)絡(luò)的總成本。功能較少意味著軟件的復(fù)雜度有所降低，因此對計量節(jié)點的閃存和 RAM 容量要求就更低，也就縮短了產(chǎn)品的開發(fā)和認(rèn)證流程。 1.1 適用于燃?xì)獗怼⑺砘驘岜淼男滦?wM-Bus 模式 在 EN13757-4：2011 年（也稱為 wM-Bus）文件的最新草案中介紹了符合 ETSI 300220v2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)的新型“ N”模式物理層 (PHY)。75 kHz 的帶寬被分成 6 個 12.5 kHz 的窄帶通道。規(guī)定其中四個通道采用 GFSK 調(diào)制方式，速率為4.8kbps；另兩個通道也采用 GFSK 調(diào)制方式，速率為 2.4kbps。 還規(guī)定了二次通信鏈接，采用 4 GFSK 調(diào)制方式，速率能達(dá)到 19.2kbps，目的是在可選的多跳鏈接（圖 2）中優(yōu)化數(shù)據(jù)吞吐量。 圖 2：wM-Bus 的 N 模式（根據(jù) EN13757-4：2011 年草案文件） 在法國對 169MHz 系統(tǒng)的現(xiàn)場測試已經(jīng)證明，可達(dá)覆蓋范圍的拓寬能顯著簡化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。隨著 169MHz 數(shù)據(jù)收集器的合理部署，在歐洲實現(xiàn)無中繼器的智能電網(wǎng)已不再是天方夜譚。 圖 3：wM-Bus 的 N 模式與 ETSI 300220v2.3.1 的關(guān)系（來源：EN13757-4：2011 年草案） 圖 3 展示了新型 wM-Bus 的 N 模式，這個 169MHz 的窄帶解決方案將是未來幾個歐洲國家燃?xì)獗砗退戆惭b的理想選擇。 2. 采用 wM-Bus 的智能燃?xì)獗砑軜?gòu) 在完全基于電子組件的智能儀表內(nèi)，主要構(gòu)建模塊包括： • 計量部件的傳感器 • 可處理傳感器數(shù)據(jù)并計算出消耗的超低功耗 MCU • 通信系統(tǒng) • 電源系統(tǒng) 在現(xiàn)今的燃?xì)獗碇校瑐鞲胁糠郑▓D 4）可報告流量吞吐量（常通過一個舌簧開關(guān)）以及確切的燃?xì)鈮毫蜏囟葴y量值。MCU 主模塊則處理傳感器數(shù)據(jù)，并將燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)成標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)量以供客戶計費之需。 通常情況下，還有一個可遠(yuǎn)程（如通過 wM-Bus 鏈接）控制的電動閥。此外，在一些國家也要求有預(yù)付費選項。 
圖 4：智能燃?xì)獗恚l段為 169MHz 或 868MHz，wM-Bus 作為一個低于 1GHz 的 RF 鏈接） 對于水表和熱表而言，目前最常用的傳感器均通過測定旋轉(zhuǎn)速度和方向來檢測流量。 熱表是一種有附加精確溫度測量值的水表，用于捕獲前向和后向流量的溫度。添加 RF 子系統(tǒng)（如低于 1GHz 或 2.4GHz 的通信模塊）的方式可使熱表和水表“智能化”。 重要的是謹(jǐn)記水表、熱表和燃?xì)獗砭峭ㄟ^電池供電的，這就意味著超低功耗是一個重要的考慮因素。由于這三種類型的儀表用來安放電池的空間極為有限，所以用于優(yōu)化電池壽命的專用電源解決方案必不可少。 3. wM-Bus RF 子系統(tǒng)的硬件 (HW) 架構(gòu) 根據(jù)所使用的頻帶或發(fā)射功率，wM-Bus 子系統(tǒng)可用于家域網(wǎng) (HAN) 或鄰域網(wǎng) (NAN) 通信。HAN 實現(xiàn)的一個例子是帶 868MHz RF 鏈接的智能儀表，采用了 wM-Bus 協(xié)議的 S、T、或新型 C 模式。在實際應(yīng)用中，發(fā)射輸出功率為 +10 至 +12dBm（在天線端口的測量值）且天線增益高達(dá) +2dBi 的 RF 芯片（用于雙向通信的收發(fā)器或用于單向通信的發(fā)射機專用器件）本身即可在+14 dBm EIRP 的 ETSI300220 限制范圍內(nèi)提供最佳的解決方案。 面向智能儀表的 NAN 解決方案通常工作在 169MHz 頻段，該情況下 +27dBm EIRP 限制可實現(xiàn)卓越的覆蓋范圍。此外，頻段為 869.525 MHz 的 C2 模式（ 僅用于從數(shù)據(jù)收集器至儀表方向）可采用 +27dBm 限制子帶，適合 NAN 應(yīng)用。對 NAN 系統(tǒng)解決方案而言，由于目前尚沒有可提供 +27dBm 發(fā)射輸出功率的集成式 RF 收發(fā)器芯片，所以需要添加外部功率放大器。 wM-Bus 子系統(tǒng)硬件的兩個變體型（基于 EIRP 功率限制）： 1. 沒有外部功率放大器（圖 5 中的藍(lán)色模塊被去除） 2. 有外部功率放大器和可選的 LNA（如 TI 的 CC1190 @ 868MHz 或?qū)Ｓ?RF 前端 @169MHz） 圖 5：基于 TI MCU 與 RF 器件的 wM-Bus RF 子系統(tǒng)方框圖 事實上，圖 5 的 RF 子系統(tǒng)代表一個完整的 RF 模塊，它一般通過 UART 連接到主控 MCU。在這種情況下，專用 MCU（橙色模塊）將運行 wM-Bus 堆棧以及一個串行協(xié)議應(yīng)用，以便連接到主應(yīng)用 MCU。 第二個選項是讓 wM-Bus 堆棧在應(yīng)用 MCU 上運行并通過 SPI 接口連接到 RF 器件，完全避免串行協(xié)議應(yīng)用（刪除圖 5 中的橙色模塊）。提前弄清智能儀表的軟硬件分區(qū)非常重要，因為兩種架構(gòu)都有優(yōu)缺點，重點注意事項如下： 1. 計量部件和 wM-Bus 堆棧的認(rèn)證。 2. 實時性要求：計量和 RF 通信均屬時間關(guān)鍵型任務(wù)，有時甚至需要 MCU 同時運行計量和通信任務(wù)。 3. 固件的現(xiàn)場升級：適用于 RF 通信和/或整套儀表。 由于這些原因，制造商往往更喜歡分離計量和通信功能（雙 MCU 的方法）來保持他們的系統(tǒng)模塊化。通過獨立的價格和/或性能優(yōu)化，在選擇 MCU 和 RF 器件時可實現(xiàn)更高的靈活性。通常情況下，有多個引腳兼容的 MCU 或 RF 衍生工具，可提供更高的性能和更多的功能。 單一的 MCU 解決方案可節(jié)省一些成本，但需要保護計量固件代碼以防止被篡改或避免其它來源的操作或故障，所以常會使計量部件的認(rèn)證更復(fù)雜。 具有 FRAM 的超低功耗 MSP430 MCU — 可使功耗降低 50% TI 新型“金剛狼”MSP430 微控制器產(chǎn)品系列在超低功耗方面真正有所突破，也為基于閃存的傳統(tǒng)型 MCU 器件帶來了多重優(yōu)勢。MSP430 FRAM MCU 比閃存寫入速度提升 160 多倍，每比特能量消耗降低至少 250 倍，具有幾乎無限的擦寫次數(shù)（>1014次），在所有電源模式下均可確保數(shù)據(jù)保存能力，并借助統(tǒng)一的內(nèi)存架構(gòu)提供無與倫比的自由度。后者還允許開發(fā)人員為軟件中的程序或數(shù)據(jù)存儲改變內(nèi)存分區(qū)，無需完全獨立的 EEPROM 和電池供電型 SRAM。 采用這種基于 FRAM 的 MSP430 MCU 來運行 wM-Bus 堆棧是一種必然的選擇，也是當(dāng)今可用的最低功耗解決方案。根據(jù)功能而配置的wM-Bus 堆棧相對簡單，能在 12 至 30KByte 代碼間變化，可輕松安裝于最新的 TI 金剛狼器件之內(nèi)。FRAM 的逐位寫入能力允許在現(xiàn)場的差分軟件升級，可降低傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而能運行在比特率極低的 wM-Bus N 模式下，數(shù)據(jù)傳輸速率僅為 2.4 或 4.8kbps。 極低的功耗與快速寫入能力相得益彰，可為 wM-Bus 堆棧和智能儀表的其它軟件部件均提供固件升級功能。對當(dāng)前正部署的任何類型智能儀表而言，遠(yuǎn)程固件升級通常都被認(rèn)為是“必須擁有”的功能。 結(jié)論 高效電源管理器件、超低功耗 FRAM MCU 等最新技術(shù)完美結(jié)合計量加速器和低于 1GHz 的高性能 RF 器件，可推動新一代智能計量儀表耀世登場。 德州儀器 (TI) 可為智能儀表和智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施提供廣泛系列的器件。 TI 高性能 CC1120 RF 收發(fā)器產(chǎn)品系列可滿足 wM-Bus 標(biāo)準(zhǔn) EN13757-4 的所有要求，并能在所有可用的模式下（S、T、C、N、R 和 F 模式）實現(xiàn) Hr（最高級別）接收機的性能。 TI 高性能 CC1120 是首款 RF 收發(fā)器，可完全支持接收只有 16 位簡短前導(dǎo)碼的 N 模式報文，還可完全實現(xiàn)所需的 T 模式接收性能，數(shù)據(jù)速率變化為 +-12 ％ (88-112kbps)，沒有任何數(shù)據(jù)包損失。 憑借極短的 AGC 趨穩(wěn)時間和只有 4 位的前導(dǎo)碼檢測等獨一無二的特性，CC1120 平臺對于當(dāng)前頻段為 868MHz、433MHz 或 169MHz 的所有 wM-Bus 解決方案而言均是最好的 RF 選擇。CC1120 的 WaveMatch 特性可在儀表的所有 wM-Bus 模式下同時支持 A 和 B 兩個框架。 基于 FRAM 的新型 MSP430 MCU 開創(chuàng)了超低功耗標(biāo)準(zhǔn)的里程碑，代表著技術(shù)上的又一次重大飛躍。現(xiàn)在，客戶能借助所有這些可用組件來著手設(shè)計具有 169MHz、433MHz 或 868MHz wM-Bus 子系統(tǒng)的新一代智能儀表。 參考文獻(xiàn)： 1. “儀表通信系統(tǒng)和儀表遠(yuǎn)程讀數(shù) — 第 3 部分：專用應(yīng)用層”，英文版本 prEN13757 3：2011 年 2. “儀表通信系統(tǒng)和儀表遠(yuǎn)程讀數(shù) — 第 4 部分：無線儀表讀數(shù)”，英文版本 prEN 13757-4：2011 年 3. TI 產(chǎn)品說明書：CC1120 與 CC1125 4. OMS 產(chǎn)品規(guī)格：http://www.zvei.org/index.php?id=4731 5. TI FRAM 金剛狼平臺：http://www.ti.com/wolverine 6. TI 完整的 wM -Bus 解決方案：http://www.ti.com/lit/ml/slyt433/slyt433.pdf 作者簡介： Milen Stefanov 是德州儀器 (TI) 公司智能電網(wǎng)解決方案部的系統(tǒng)應(yīng)用工程師。 Milen Stefanov 負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo) TI 在 wMBus 領(lǐng)域的各項活動，同時還是智能電網(wǎng)低于 1GHz RF 解決方案的專家。 Milen 在 TI 半導(dǎo)體集團有超過 9 年的豐富經(jīng)驗，在此期間，他曾先后在現(xiàn)場和系統(tǒng)應(yīng)用部門任職。目前，他與燃?xì)獗怼⑺砗碗娮邮诫姳恚ɑ蚍猪椨嬃垦b置）以及面向儀表讀數(shù)的固定通信網(wǎng)絡(luò)等所有計量應(yīng)用領(lǐng)域的客戶打交道。 Milen 還擁有德國開姆尼茨工業(yè)大學(xué) (TU Chemnitz) 的電氣工程碩士學(xué)位（數(shù)據(jù)通信）。 |
