無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及可靠性策略

長期以來，三表數(shù)據(jù)抄送問題都是相關(guān)供應(yīng)部門非常想解決但又得不到切實(shí)解決的問題。在行業(yè)信息化過程之中，戶表數(shù)據(jù)的自動化抄送具有非常重大的意義，因?yàn)閼舯頂?shù)據(jù)是相關(guān)行業(yè)銷售過程中最原始的數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和及時性直接影響了行業(yè)內(nèi)部其它信息化水平。

傳統(tǒng)的手工抄表費(fèi)時、費(fèi)力，準(zhǔn)確性和及時性得不到可靠的保障，這導(dǎo)致了相關(guān)營銷和企業(yè)管理類軟件不能獲得足夠詳細(xì)和準(zhǔn)確的原始數(shù)據(jù)。一般手工抄表都按月抄表，對于用戶計(jì)量來說是可行的，但對于相關(guān)供應(yīng)部門進(jìn)行更深層次的分析和管理決策卻不夠。

圖1：無線抄表的一個節(jié)點(diǎn)原理框圖。

無線抄表系統(tǒng)對無線通訊數(shù)據(jù)的傳輸和保存有著很高的要求，即數(shù)據(jù)可靠性要求很高。由于用電池供電，因此對功耗要求也很苛刻。無線抄表系統(tǒng)可以擺脫人工抄表的辦法，利用數(shù)據(jù)通訊協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)?；谝陨显颍惸芸萍奸_發(fā)出了BN-CB-100自動無線遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有計(jì)量準(zhǔn)確、通信可靠、抄表方便、功耗低等遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，以及節(jié)省人力、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)的功能。

無線數(shù)字抄表系統(tǒng)由中央處理器、電源模塊、通訊模塊以及顯示模塊等部分組成，如圖1所示。下面將對組成系統(tǒng)的主要模塊進(jìn)行說明。

單片機(jī)：數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元的單片機(jī)主要側(cè)重于多項(xiàng)功能的開發(fā)，選擇時主要從功能、抗干擾、功耗、速度等幾個方面考慮。本系統(tǒng)采用Microchip單片機(jī)PIC18LF6490作為數(shù)據(jù)處理單元，該單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：具有集成的LCD控制器驅(qū)動模塊、高性能RISC CPU、優(yōu)化的C編譯器結(jié)構(gòu)/指令系統(tǒng)、高達(dá)10MIPS的工作速度、中斷優(yōu)先級、單周期硬件乘法器、高吸入/拉出電流、3個外部中斷引腳、4個定時器、CCP模塊、主同步串行端口模塊、10位A/D轉(zhuǎn)換器和低功耗等性能特點(diǎn)，因而軟硬件設(shè)計(jì)十分方便。

液晶顯示

顯示采用LCD液晶顯示器，PIC18LF6490具有集成的LCD控制器驅(qū)動模塊，從而節(jié)省了外掛的液晶驅(qū)動芯片，減少了外部引線，節(jié)省了空間和成本，提高了可靠性，在睡眠狀態(tài)下可繼續(xù)顯示，明顯地降低了功耗。液晶顯示器用于顯示系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)、內(nèi)部參數(shù)及當(dāng)前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。

RF模塊

1. RF模塊的特點(diǎn)

本方案采用納川容科技研制的RF模塊產(chǎn)品，該模塊采用高性能CPU和高性能無線數(shù)傳模組內(nèi)核整合而成，其主要特點(diǎn)包括：

標(biāo)準(zhǔn)異步串行接口(UART：1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個以上停止位、0或1個校驗(yàn)位)，方便與各種控制器的硬件串口連接，使用起來非常方便；

數(shù)據(jù)直接傳輸，自動靜噪，過濾掉空中假數(shù)據(jù)，所收即所發(fā)；

半雙工通信，收發(fā)自動切換，使用上非常方便；

模塊內(nèi)置高性能MCU實(shí)現(xiàn)前向糾錯處理，通信可靠性大大提高，誤碼率非常低；

可以硬件跳線選擇多個獨(dú)立互不干擾信道，有多檔波特率及串口模式設(shè)置；

可以串口軟件設(shè)置無線頻道，實(shí)現(xiàn)軟件跳頻；

3.3V/5V兼容TTL、RS232、RS485多種接口電平選擇，使用更加靈活；

DC3.0－8.0V寬工作電壓，電源可以I/O控制關(guān)斷，降低功耗。

由于采用軟件糾錯編碼增益，相同輻射功率條件和同一誤碼率指標(biāo)下，帶前向糾錯處理的RF模塊通信距離要遠(yuǎn)高于一般的無線數(shù)傳模組或不帶前向糾錯處理的RF模塊。

2． RF模塊的通信處理流程

RF模塊的通信處理流程如圖2所示，其中：

發(fā)送緩沖與接收緩沖是為了匹配用戶接口和無線接口速率而設(shè)計(jì)，采用FIFO方式，支持大批量連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，安全可靠；

糾錯編解碼采用成熟的卷積碼糾錯技術(shù)，可以將誤碼率由10^-3減小到10^-6，并且有3dB左右軟件編碼增益，進(jìn)一步提高了傳輸?shù)目煽啃裕?

交織的目的是為了將連續(xù)的錯誤離散成不連續(xù)的單比特錯誤，提高抗連續(xù)干擾的能力，但帶來了傳輸延時。RF模塊采用256比特，即16×16交織，可以抵抗一般人員走動、汽車通過等環(huán)境下對無線傳輸造成的誤碼干擾，由此引起的傳輸延遲在用戶接口速率為9,600bps時約20ms，使用時應(yīng)予以注意；

信號編解碼的目的是將信號輻射功率譜集中，并有利于接收機(jī)信號解碼；

卷積碼前向糾錯處理的方式比ARQ差錯控制方式效率要高，尤其是在隨機(jī)干擾比較大的情況下，由于其良好的糾錯性能，效率要遠(yuǎn)高于ARQ模式。例如，ARQ方式下，傳輸一個256比特的數(shù)據(jù)包，如果其中一個比特錯誤就需要重傳，而采用卷積碼前向糾錯處理的方式，16×16交織的RF模塊，即使其中連續(xù)16比特傳輸錯誤，接收方也可以通過軟件糾正過來，用戶不會收到誤碼，這樣效率更高。

3．RF模塊的天線

使用焊盤引線來連接天線的模組，一般建議使用微型的PCB天線或直導(dǎo)線來做天線，直接將天線引出線焊接在模組的天線焊盤上，天線引出線的長度越短越好。天線地根據(jù)天線的要求可接可不接，但PCB天線一般要求接地。

使用直導(dǎo)線做天線時，請使用5N(99.999%)以上優(yōu)質(zhì)硬直銅導(dǎo)線，線徑越粗越好，一般使用普通的單根百兆以太網(wǎng)網(wǎng)線做天線即可取得比較好的效果。

使用直導(dǎo)線做天線時，天線長度=7,150/工作頻率，單位為厘米。所計(jì)算出的天線長度是天線直立的長度，如果天線放在殼體里或盤繞起來，天線所需長度將變化，推薦的做法是用計(jì)算長度1.5倍長度導(dǎo)線做天線，然后剪斷5mm(這是個經(jīng)驗(yàn)值，可以根據(jù)實(shí)際測試通信距離來確定這個值)，縮短天線長度，實(shí)際測試通信距離來確定最佳天線長度。

如果天線需要在設(shè)備殼體上穿孔引出時，請使用50Ω低損同軸電纜或標(biāo)準(zhǔn)SMA接頭延長線將天線延長引出，同軸電纜芯線與模組天線焊盤焊接，屏蔽層與天線地(沒有天線地時用電源地)焊接，選擇彎曲半徑小的電纜將有利于電纜的彎曲布置，使焊盤不易撕裂。

圖2：RF模塊的通信處理流程

亦可用直角頭SMA接頭將RF模塊的SMA引出頭折彎，直接安裝在殼體上或穿出，但直角頭SMA將額外引入1-2dB的插入損耗。

使用拉桿天線時，直接將拉桿天線焊接在天線焊盤上或用低損同軸電纜來連接，電纜的芯線連接模組的天線焊盤和拉桿天線，屏蔽層一端焊接在天線地上，靠近拉桿天線一端浮空。

4．RF模塊的注意事項(xiàng)

不要帶電熱拔插RF模塊，否則很容易損壞RF模塊；

組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)中，務(wù)必保證在一個頻點(diǎn)上，且同一時刻只能有一個RF模塊處在發(fā)射狀態(tài)，建議設(shè)計(jì)時通信協(xié)議設(shè)計(jì)采用ARQ主從查詢應(yīng)答方式；

使用低紋波的線性穩(wěn)壓電源或電池供電，盡量不要使用開關(guān)電源，如果一定要用，請用高Q值的LC回路濾波，將紋波降到最低；

關(guān)于距離指標(biāo)，不同的測試環(huán)境會產(chǎn)生不同的結(jié)果，主要影響因素包括：發(fā)射功率、接收靈敏度、傳輸速率、干擾強(qiáng)度、背景噪聲、天線增益、天線離地高度、是否移動、空間衰減、障礙物尺寸及位置等；

10mW帶卷積碼前向糾錯處理方式的RF模塊，在9,600bps速率、天線高度2米、增益2.0dBi、可視城區(qū)開闊地、傳輸文件、誤碼率為10^-3情況下，可靠通信距離可以達(dá)到300-400米左右。

可靠性策略

本系統(tǒng)需要長期在線連續(xù)運(yùn)行，故對其可靠性和長期穩(wěn)定性有較高的要求，在設(shè)計(jì)時予重點(diǎn)考慮。本系統(tǒng)采用集成芯片作為電路的核心部分大大減少了外擴(kuò)電路的接線和使用的元器件的數(shù)目，使整機(jī)趨于微型化，也提高了整機(jī)的可靠性。

設(shè)計(jì)電路板時注意線的走向以及整機(jī)的緊湊性，在電路和工藝設(shè)計(jì)上采用各種成熟的實(shí)用抗干擾措施，例如合理布局、正確選擇接地點(diǎn)、弱信號傳輸線屏蔽層單端接地、單元電路的封閉式屏蔽環(huán)等，以降低干擾水平。

重要數(shù)據(jù)進(jìn)行多次備份，實(shí)時刷新處理，使用存儲容量大的EEPROM來備份RAM數(shù)據(jù)。避免由于干擾造成的數(shù)據(jù)出錯，EEPROM的數(shù)據(jù)可以保持10年以上，數(shù)據(jù)保持不需后備電源。軟件寫入EEPROM采取必要的校驗(yàn)方式，保證數(shù)據(jù)的安全性。

PIC18LF6490具有極強(qiáng)的抗電磁干擾能力，使數(shù)據(jù)的安全性得到進(jìn)一步的提高。

由于本系統(tǒng)用電池供電，對功耗要求較高，在整個系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)時應(yīng)引起足夠的重視，例如元器件的選型，元器件的供電方式是用I/O供電還是直接用電源供電，單片機(jī)的選型等都是功耗能否降低的重要因素，當(dāng)然軟件設(shè)計(jì)也是決定功耗能否降低的重要因素，此部分在軟件設(shè)計(jì)部分論述。

軟件設(shè)計(jì)

軟件部分設(shè)計(jì)包括了主控程序、數(shù)據(jù)通訊程序、時鐘程序、自檢程序等，由于本系統(tǒng)對功耗要求較高，軟件設(shè)計(jì)過程應(yīng)始終貫穿考慮功耗因素，功耗能否降低，軟件設(shè)計(jì)是重要因素之一。具體做法可以是主程序主要處在睡眠狀態(tài)，隔一段時間醒過來處理一下任務(wù)，一直如此循環(huán)，沒使用的模塊關(guān)掉，沒使用的I/O口設(shè)置成高阻態(tài)等。這樣一來，軟硬結(jié)合便可讓整個系統(tǒng)功耗降下來。

重要的寄存器和I/O口都必須放在主程序里去刷新，使用看門狗(PIC18LF6490有內(nèi)置看門狗電路)，軟件編寫應(yīng)有一定的容錯措施，自檢程序應(yīng)能及時檢出錯誤并糾錯等，這樣可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，避免寄存器數(shù)據(jù)亂了、程序跑飛等事先無法預(yù)計(jì)的現(xiàn)象。

本文小結(jié)

本文對一種無線抄表的設(shè)計(jì)方法和可靠性策略進(jìn)行了論述，系統(tǒng)中采用了功能強(qiáng)大且性價比極高的單片機(jī)、高性能RF模塊、數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，具有長時間存儲數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)方無線傳輸數(shù)據(jù)等功能?？紤]產(chǎn)品化的要求，進(jìn)行了可靠性、抗干擾、低功耗等方面的設(shè)計(jì)。