新一代智能計(jì)量儀表詳解

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(shí)起，超低功耗解決方案即在傳感器、計(jì)量和種類繁多的電池供電型設(shè)備(如血糖儀、溫度計(jì)、手表等)領(lǐng)域呈雨后春筍之勢蔓延，驗(yàn)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(kuò)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(jī)等許多消費(fèi)類應(yīng)用中廣泛采用無線技術(shù)。

人們普遍意識(shí)到，未來全球性增長的良機(jī)將花落智能電網(wǎng)市場，其中包括燃?xì)獗怼岜?、水表、電表、熱量分配表等?jì)量和輔助計(jì)量設(shè)備，以及可從計(jì)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(dòng)化為消費(fèi)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(jí)電源系統(tǒng)解決方案的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手如何能助推新一代智能計(jì)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?、水表和熱表的大?guī)模部署敞開了新機(jī)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?、熱?模塊;并就如何實(shí)施與優(yōu)化燃?xì)獗怼⑺砗蜔岜淼?wM -Bus解決方案提供了實(shí)用性建議。

1. RF 通信的歐洲版標(biāo)準(zhǔn)

歐洲對(duì)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(jì)量應(yīng)用的既定 868 MHz 和 433 MHz 免授權(quán) ISM 頻段有所擴(kuò)展，在抄表應(yīng)用中可以是頻段為 169.400MHz 的一個(gè) 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(qiáng)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(shí)，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(diǎn)之間，導(dǎo)致 RF 環(huán)境極為不利，所以 RF 計(jì)量解決方案的覆蓋范圍是有待解決的最大難題。事實(shí)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(diǎn)。頻段為 169MHz 的新一代 wM-Bus 啟動(dòng)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(kuò)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(duì)計(jì)量節(jié)點(diǎn)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?、水表或熱表的新?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(gè) 12.5 kHz 的窄帶通道。規(guī)定其中四個(gè)通道采用 GFSK 調(diào)制方式，速率為4.8kbps;另兩個(gè)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(duì) 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(shí)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(gè) 169MHz 的窄帶解決方案將是未來幾個(gè)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(jì)量部件的傳感器

• 可處理傳感器數(shù)據(jù)并計(jì)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?，傳感部?圖 4)可報(bào)告流量吞吐量(常通過一個(gè)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(jì)費(fèi)之需。

通常情況下，還有一個(gè)可遠(yuǎn)程(如通過 wM-Bus 鏈接)控制的電動(dòng)閥。此外，在一些國家也要求有預(yù)付費(fèi)選項(xiàng)。

圖 4：智能燃?xì)獗?頻段為 169MHz 或 868MHz，wM-Bus 作為一個(gè)低于 1GHz 的 RF 鏈接)

對(duì)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(gè)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(shí)現(xiàn)的一個(gè)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(shí)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(jī)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(shí)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(duì) 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(gè)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(shí)上，圖 5 的 RF 子系統(tǒng)代表一個(gè)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(yùn)行 wM-Bus 堆棧以及一個(gè)串行協(xié)議應(yīng)用，以便連接到主應(yīng)用 MCU。

第二個(gè)選項(xiàng)是讓 wM-Bus 堆棧在應(yīng)用 MCU 上運(yùn)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?yàn)閮煞N架構(gòu)都有優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)注意事項(xiàng)如下：

1. 計(jì)量部件和 wM-Bus 堆棧的認(rèn)證。

2. 實(shí)時(shí)性要求：計(jì)量和 RF 通信均屬時(shí)間關(guān)鍵型任務(wù)，有時(shí)甚至需要 MCU 同時(shí)運(yùn)行計(jì)量和通信任務(wù)。

3. 固件的現(xiàn)場升級(jí)：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(jì)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(dú)立的價(jià)格和/或性能優(yōu)化，在選擇 MCU 和 RF 器件時(shí)可實(shí)現(xiàn)更高的靈活性。通常情況下，有多個(gè)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(hù)計(jì)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(huì)使計(jì)量部件的認(rèn)證更復(fù)雜。

4. 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(chǔ)改變內(nèi)存分區(qū)，無需完全獨(dú)立的 EEPROM 和電池供電型 SRAM。

采用這種基于 FRAM 的 MSP430 MCU 來運(yùn)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(duì)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(jí)，可降低傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而能運(yùn)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(jí)功能。對(duì)當(dāng)前正部署的任何類型智能儀表而言，遠(yuǎn)程固件升級(jí)通常都被認(rèn)為是“必須擁有”的功能。

5. 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(jì)量加速器和低于 1GHz 的高性能 RF 器件，可推動(dòng)新一代智能計(jì)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(shí)現(xiàn) Hr(最高級(jí)別)接收機(jī)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(bào)文，還可完全實(shí)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(shí)間和只有 4 位的前導(dǎo)碼檢測等獨(dú)一無二的特性，CC1120 平臺(tái)對(duì)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(shí)支持 A 和 B 兩個(gè)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(jì)具有 169MHz、433MHz 或 868MHz wM-Bus 子系統(tǒng)的新一代智能儀表。