基于Si1000的無線M-Bus通信系統(tǒng)設計

有線M-Bus是專為家用儀表數(shù)據(jù)傳輸而設計的總線制系統(tǒng)，它是一個層次化的系統(tǒng)，由主設備、若干從設備和一對連接線組成。有線M-Bus的提出滿足了公用事業(yè)儀表組網(wǎng)和遠程抄表的需要，同時可以滿足遠程供電需求，在智能小區(qū)的自動抄表系統(tǒng)中有廣泛應用。可是有線M-Bus系統(tǒng)在網(wǎng)絡布線施工過程中往往需要破墻掘地，破壞周圍的環(huán)境。因此無線應用給它在競爭中帶來優(yōu)勢，易于安裝和維護，不會對周圍環(huán)境造成影響。無線M-Bus是專門用于水表、氣表、熱能表、電表和數(shù)據(jù)集中器之間的數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)囊粋€通信標準，它正廣泛被歐洲市場所接受。

現(xiàn)在大多數(shù)儀表都是用電池進行供電的，因此對于低功耗的要求比較高。為了延長電池的使用壽命，本文選用低功耗芯片Si1000組建一個無線M-Bus通信系統(tǒng)，并對Si1000的低功耗性能問題及在軟硬件上的實現(xiàn)進行了分析。1無線M-Bus無線M-Bus標準規(guī)定了儀表和集中器之間的通信。圖1給出了一個簡單的無線M-Bus通信系統(tǒng)，其中集中器作為主節(jié)點，儀表作為從節(jié)點。主節(jié)點和從節(jié)點之間的通信，定義了3種不同的通信模式：①S-mode靜止模式。S1-mode是從儀表到其他系統(tǒng)單元的單向通信；S1m-mode如同S1，但是數(shù)據(jù)采集裝置不能進入低功耗模式；S2-mode是儀表和其他系統(tǒng)單元之間的雙向通信。②T-mode頻繁傳送模式。T1-mode是從儀表到其他系統(tǒng)單元的單向通信；T2-mode是儀表和其他系統(tǒng)單元之間的雙向通信。③R-mode是頻繁接收模式。R2-mode是儀表和其他系統(tǒng)單元之間的雙向通信。當儀表能夠和集中器直接進行通信時，其他系統(tǒng)單元就是圖1中的集中器?？墒窃趯嶋H應用中，從節(jié)點儀表有時不能直接與主節(jié)點集中器進行通信，那么就需要路由節(jié)點來轉(zhuǎn)接它們之間的數(shù)據(jù)，此時的系統(tǒng)單元就是高性能網(wǎng)關(guān)。
2無線M-Bus收發(fā)系統(tǒng)設計2.1無線M-Bus收發(fā)系統(tǒng)原理儀表抄讀無線收發(fā)系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。無線數(shù)據(jù)的收發(fā)由無線微控制器Si1000實現(xiàn)。主節(jié)點Si1000內(nèi)部的發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)進行編碼處理，以特定的格式經(jīng)天線發(fā)送給接收模塊。從節(jié)點Si1000內(nèi)部的接收模塊接收到有效數(shù)據(jù)后，Si1000內(nèi)部的微處理器通過擴展接口讀取外部儀表的數(shù)據(jù)，并進行相應的調(diào)整、轉(zhuǎn)換處理后通過射頻發(fā)送給主節(jié)點。主節(jié)點通過GPRS與集抄中心進行通信。由于采用的是無線微控制器，主/從節(jié)點發(fā)送/接收模塊不需要使用傳統(tǒng)的MCU+RF模塊的設計方式，只需要一片Si1000就可以完成射頻通信。2.2射頻部分Si1000作為Si10xx系列的成員之一，在極精簡的5 mm×7 mm封裝中結(jié)合了8051內(nèi)核、工作頻段為240～960 MHz高穿透力的EZRadioPRO RF收發(fā)器、64 KB的Flash和10位ADC.Si1000系列提供優(yōu)越的RF性能，具有最高輸出功率、接收靈敏度以及最低功耗的喚醒轉(zhuǎn)換等特性。該無線微控制器在工作模式下有最低的電流消耗（160μ/MHz），在休眠模式下，以內(nèi)部低頻振蕩器（LFO）作為頻率源的RTC工作時，消耗電流低至315nA.在深度休眠模式下，僅需25 nA工作電流，且不會丟失RAM數(shù)據(jù)。圖3給出了射頻部分硬件原理圖。從節(jié)點中，儀表與芯片Si1000的UART串口引腳P0.4/TX和P0.5/RX相連。主節(jié)點芯片Si1000的UART串口引腳P0.4/TX和P0.5/RX與集中器進行連接，集中器內(nèi)部MCU串口通過RS232與GPRS模塊相連，借助移動網(wǎng)和Internet實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。圖中可編程負載電容是可集成的，L1～L6和C1～C5的值是由頻率帶寬、天線阻抗和供給電壓決定的。無線收發(fā)模塊的通信是以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送的，無線發(fā)送程序負責寫入數(shù)據(jù)，參考無線M-Bus通信協(xié)議，為數(shù)據(jù)加上前導碼、同步字、數(shù)據(jù)載荷長度及CRC校驗字節(jié)，形成數(shù)據(jù)包將其發(fā)送出去。為保證接收到數(shù)據(jù)的正確性，無線接收程序負責接收數(shù)據(jù)包并檢驗CRC字節(jié)。2.3無線M-Bus協(xié)議棧實現(xiàn)協(xié)議棧如圖4所示。物理層定義了位是如何編碼和傳輸?shù)摹F調(diào)制解調(diào)器的特性（碼率、前導碼和同步字）和RF參數(shù)（調(diào)制、中心頻率和頻率偏移）。物理層是通過硬件和嵌入式軟件結(jié)合來實現(xiàn)的，EZRadioPRO實現(xiàn)了所有RF和調(diào)制解調(diào)器的功能。MbusPhy.c模塊提供SPI接口、編碼/解碼、塊的讀/寫和數(shù)據(jù)包處理，并且管理收發(fā)器的狀態(tài)。無線M-Bus數(shù)據(jù)鏈路層是在MbusLink.c模塊上實現(xiàn)的。M-Bus應用程序編程接口由公共函數(shù)組成，這些公共函數(shù)可以從主線程的應用層調(diào)用，MbusLink模塊也實現(xiàn)了數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了數(shù)據(jù)的格式，為數(shù)據(jù)加上頭文件和循環(huán)冗余校驗，并且將數(shù)據(jù)從應用程序TX緩沖區(qū)復制到MbusPhy TX緩沖區(qū)。Si1000的射頻芯片為發(fā)送和接收提供了一個64字節(jié)FIFO.在數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收，數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收流程圖如圖5所示。在發(fā)送時，計算編碼字節(jié)的總數(shù)。如果編碼字節(jié)總數(shù)（包括前導碼）小于64字節(jié)，那么將整個數(shù)據(jù)包寫到FIFO，并且只有包發(fā)送中斷有效。大多數(shù)短包將在一個FIF0轉(zhuǎn)移中被發(fā)送。如果編碼字節(jié)的數(shù)量大于64字節(jié)，那么需要多次FIFO轉(zhuǎn)移發(fā)送數(shù)據(jù)包。將前64個字節(jié)寫到FI FO，包發(fā)送中斷和TX FIFO幾乎空中斷有效，把TXFIFO幾乎空閾值設置為10字節(jié)。在每一個nIRQ之前，讀取狀態(tài)2寄存器。首先檢查包發(fā)送位，如果數(shù)據(jù)包沒有被完全發(fā)送，那么將編碼數(shù)據(jù)接下來的32字節(jié)寫到FIFO，重復上述過程直到所有編碼字節(jié)都被寫到FIFO，并且包發(fā)送中斷發(fā)生。在接收時，最初只有同步字中斷是有效的。接收同步字后，同步字中斷無效且FIFO幾乎滿中斷有效。FIFO幾乎滿閾值設置到2字節(jié)，首個FIFO幾乎滿中斷用于確認這兩個長度字節(jié)何時已收到。一旦接收到這個長度，那么解碼這個長度且計算出編碼字節(jié)的數(shù)目，然后將RXFIFO幾乎滿閾值設置到54字節(jié)，RX FIFO幾乎滿中斷和有效數(shù)據(jù)包中斷有效。在接收到一個有效數(shù)據(jù)包中斷后，MCU等待接收FIFO幾乎滿中斷，然后從接收FIFO讀取32字節(jié)。重復上述過程直到全部字節(jié)有效載荷被接收。在CRC錯誤的情況下，MCU將復位接收FIFO并丟棄數(shù)據(jù)包。3無線M-Bus系統(tǒng)低功耗的實現(xiàn)為了延長電池的使用壽命，Si1000在工作過程中并不是一直運行的。當沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，Si1000處于休眠狀態(tài)，其內(nèi)部的MCU和射頻都是關(guān)閉的，只有定時器在工作。經(jīng)過一定時間后，內(nèi)部MCU喚醒偵聽載波，判斷是否有數(shù)據(jù)需要它來發(fā)送，當有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，Si1000發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)完成后，關(guān)閉MCU和射頻。這樣重復進行，只有數(shù)據(jù)發(fā)送時它才進行工作，否則一直處于休眠狀態(tài)，這樣就大大延長了電池的使用壽命。結(jié)語無線M-Bus是一種專門用于各種消費類型儀表的遠程讀數(shù)或讀取相關(guān)信息的通信標準。將無線M-Bus與Si1000應用到各種消費儀表上，可將數(shù)據(jù)收集并傳到中心集中器，然后通過GPRS傳送到集抄中心進行相應的處理。這樣就可以實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)實時采集、巡檢和監(jiān)控等功能。無線M-Bus在我國的應用還處于起步階段，但考慮到它在計量應用領(lǐng)域的優(yōu)勢，應用前景十分廣闊。