si4432在無線抄表設(shè)備上的應(yīng)用

1、 Si4432 在無線抄表設(shè)備上的應(yīng)用文章整理：王進(jìn)朝，益登科技資深應(yīng)用工程師無線抄表來源于 90 年代成立的有線抄表工作組，最初工作組專注于在儀表系統(tǒng)中有線抄表 的研究，后來有線抄表成為了歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN1434 的一部分。 隨著無線抄表的引入，標(biāo)準(zhǔn)化工作被轉(zhuǎn)移到了技術(shù)委員會(huì)(TC)294，TC294 創(chuàng)建了新的歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN13757-Communication system for meters and remote reading of meters。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前由以下部分組成： EN13757-1:2002 EN13757-2:2004 EN13757-3:2004EN13757-4:

2、2005數(shù)據(jù)交換 物理層和數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層 無線讀表器 prEN13757-5:2007 中繼 prEN13757-6:2007 數(shù)據(jù)交換其中第 4 部分 EN13757-4 為無線讀表器，專注儀表和無線讀表器之間的通信。 無線抄表基礎(chǔ) 一般的無線抄表系統(tǒng)主要包括兩大類設(shè)備，如圖 1 所示，一類是儀表（如水表、氣表和等），另一類是其他（如讀表器或集中器等）。 圖 1：無線抄表系統(tǒng)儀表（氣表、水表等）通常不能直接連接到主供電系統(tǒng)，一般采用電池供電，因此它們獲得的能量是有限的。為了盡量降低功耗，大多數(shù)時(shí)間里儀表處于休眠模式，僅在很短的時(shí)隙中醒來發(fā)射數(shù)據(jù)；而讀表器也從來不主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)給處于休眠狀態(tài)的

3、儀表。雙向通信是可行的， 一般儀表在發(fā)送時(shí)隙完成后，進(jìn)入接收時(shí)隙，這時(shí)讀表器可以傳送信息給儀表。更換儀表的 成本相當(dāng)高，因此為儀表供電的電池一般需要提供幾年的能量，不同的國(guó)家可能有不同的要 求。 無線抄表的尋址模式來源于有線抄表，僅儀表設(shè)備有地址，并且收發(fā)數(shù)據(jù)采用相同的地址。因此，讀表器必須有一個(gè)儀表設(shè)備地址表，記錄需要處理的所有儀表地址，這個(gè)過程一般在系統(tǒng)安裝階段進(jìn)行。 通常無線抄表系統(tǒng)(圖 2d)可以完全替代有線抄表系統(tǒng)(圖 2a)，但是兩種系統(tǒng)也能組合在一起，形成一個(gè)新系統(tǒng)（圖 2b，圖 2c）。 圖 2：不同的抄表與/或無線抄表系統(tǒng)另一種常見的有線與無線抄表結(jié)合的模式，如圖 3 所示。

4、 圖 3：有線與無線抄表組合模式圖無線抄表標(biāo)準(zhǔn)（EN13757-4:2005）專注儀表和遠(yuǎn)程無線讀表器之間的通信，利用 ISM 頻段868-870MHz 進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。 Si4432 無線收發(fā)器 Si4432 無線收發(fā)器是 Silicon Labs 公司 EZRadioPro 產(chǎn)品線中的一款非常有代表性的芯片， 支持頻率范圍 240-930MHz，輸出功率最大為+20dBm，靈敏度達(dá)-117dBm。EZRadioPro 產(chǎn)品線成員，如表 1 所示。 表 1：EZRadioPro 無線收發(fā)器產(chǎn)品系列Si4432 控制接口 Si4432 與主機(jī) MCU 之間的通信是通過 SPI 總線實(shí)現(xiàn)的，主

5、要涉及 SCLK、SDI、SDO 和 nSEL 四個(gè)引腳。通常一個(gè) SPI 總線讀寫操作由以下幾部分組成：讀寫標(biāo)志（1bit），地址（7bit） 和數(shù)據(jù)（8bit）。讀寫標(biāo)志位指示當(dāng)前操作是讀還是寫；7 位地址指示操作對(duì)象，可尋址 128 個(gè) 8 位控制寄存器中的任意一個(gè)；數(shù)據(jù)域包含寫入或讀出的 si4432 內(nèi)部寄存器的內(nèi)容。在 收發(fā)器芯片 Si4430 頻率范圍=900-960MHz；輸出功率=+13dBm；靈敏度 =-117dBm Si4431 頻率范圍=240-930MHz；輸出功率=+13dBm；靈敏度 =-117dBm Si4432 頻率范圍=240-930MHz；輸出功率=+20

6、dBm；靈敏度 =-117dBm 芯片 Si4330 頻率范圍=240-960MHz；靈敏度=-117dBm 發(fā)射器芯片 Si4230 頻率范圍=900-960MHz；輸出功率=+13dBm; Si4231 頻率范圍=240-930MHz；輸出功率=+13dBm; 每 8 個(gè)時(shí)鐘信號(hào)后，Si4432 鎖存地址或數(shù)據(jù)域中的內(nèi)容。Si4432 中 SCLK 串行時(shí)鐘信號(hào)的速 率可靈活設(shè)定，最大可達(dá) 10MHz。 SPI 總線時(shí)序圖，如圖 4 所示。圖 4：SPI 時(shí)序SPI 串行接口的時(shí)序參數(shù)，如表 2 所示。 表 2：SPI 串行接口時(shí)序參數(shù)表對(duì)于讀操作，主機(jī) MCU 發(fā)送 16 位讀操作內(nèi)容（

7、讀寫標(biāo)志位應(yīng)設(shè)定為 0，7 位地址設(shè)定為要讀取的寄存器地址，這時(shí) 8 位數(shù)據(jù)被忽略）后。在接下來的 8 個(gè)時(shí)鐘信號(hào)周期中，每個(gè)周期的 低電平階段，被選擇的寄存器內(nèi)容中的各位被依次鎖存到 SDO 總線上（高位在前，低位在后）。 SPI 讀模式下的時(shí)序，如圖 5 所示。 圖 5：SPI讀模式時(shí)序圖Si4432 中 SPI 接口也支持一種連續(xù)讀/寫模式，這種模式下不需要重新發(fā)送寄存器地址。當(dāng)nSEL 為低電平時(shí)，不斷的發(fā)送 SCLK 時(shí)鐘信號(hào)，SPI 接口將自動(dòng)增加寄存器地址，寄存器中 的內(nèi)容被連續(xù)讀出或?qū)懭耄钡?nSEL 變?yōu)楦唠娖綖橹埂?連續(xù)寫模式時(shí)序，如圖 6 所示。圖 6：SPI 接口連續(xù)

8、寫模式連續(xù)讀模式時(shí)序，如圖 7 所示。圖 7：SPI 接口連續(xù)讀模式Si4432 狀態(tài)與操作模式 Si4432 主要存在于四中狀態(tài)之一，這四種狀態(tài)為：SHUTDOWN、IDLE、TX 和RX（如圖 8 所示）。在 SHUTDOWN 狀態(tài)下功耗最低。有 5 中不同的 IDLE 模式，用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用靈活選擇。這些狀態(tài)或模式可以通過操作模式和功能控制寄存器 07H 設(shè)定。通過在寄存器 07H 中設(shè)定txon/rxon 控制位可以從 IDLE 狀態(tài)中的任一模式自動(dòng)轉(zhuǎn)移到 TX/RX 狀態(tài)。不同模式/狀態(tài)下轉(zhuǎn)換需要的時(shí)間和功耗，見圖 9 所示。 圖8：狀態(tài)機(jī)圖圖 9：模式/狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)序及功耗頻率

9、控制 為了設(shè)定所需的調(diào)諧頻率，需要設(shè)定不同的內(nèi)部寄存器，這可以通過手工計(jì)算每一個(gè)寄存器的設(shè)定值，也可以通過 Silicon Labs 提供的 WDS 工具或 Excel 計(jì)算器輔助計(jì)算。下面以Silicon Labs 專為 Si4432 提供的 Excel 計(jì)算器為例，說明如何進(jìn)行調(diào)制模式、載波頻率、調(diào)諧頻率等參數(shù)設(shè)置。Si4432 Excel 計(jì)算器如圖 10 所示（該 Excel 表可從Silabs 網(wǎng)站上下載）。 圖 10： 頻率控制設(shè)定輔助工具 Excel 計(jì)算表主要進(jìn)行 5 個(gè)步驟的設(shè)定： 第 1 步：選擇或設(shè)定調(diào)制類型，曼徹斯特編碼，晶體精度，數(shù)據(jù)率，頻率離差。第 2 步：設(shè)定載波

10、頻率，對(duì)于跳頻應(yīng)用，需要設(shè)定信道寬度和信號(hào)編號(hào)。 第 3 步：調(diào)制設(shè)定，對(duì)于 GFSK/FSK，需要選擇禁止或使能 AFC，接收最大錯(cuò)誤率；對(duì)于 OOK， 需要設(shè)定 RX 帶寬。 第 4 步：根據(jù)需要選擇 FIFO 模式設(shè)定或 PH+FIFO 模式設(shè)定。 第 5 步：在寄存器匯總頁(yè)中，得到寄存器設(shè)定值。 Si4432 支持 3 中不同的調(diào)制類型：GFSK、FSK 和OOK，也可以設(shè)定為不調(diào)制，從而獲得一個(gè)不調(diào)制的載波。如圖 11 所示。 高斯移頻鍵控調(diào)制 GFSK（推薦）：Gaussian Frequency Shift Keying 移頻鍵控調(diào)制 FSK：Frequency Shift Ke

11、ying 開關(guān)調(diào)制 OOK：On-Off Keying 不調(diào)制 圖11：調(diào)制模式設(shè)定Si4432 可以配置要調(diào)制的數(shù)據(jù)的來源有三種：FIFO 模式，Direct 模式和 PN9 模式。在 Direct 模式，TX 調(diào)制數(shù)據(jù)可以來自 GPIO 引腳或 SDI 引腳。如圖 12 所示。 圖 12：調(diào)制數(shù)據(jù)的來源根據(jù)上面的介紹，si4432 完全可以滿足無線抄表標(biāo)準(zhǔn)對(duì)頻率（868-870MHz）、速率（4.8kb/s、 32.768kb/s 和 100kb/s）等參數(shù)的要求，可以用來實(shí)現(xiàn)無線抄表設(shè)備產(chǎn)品。 無線抄表設(shè)備的實(shí)現(xiàn) 源于 90 年代的無線抄表工作組，對(duì)戶表數(shù)據(jù)的自動(dòng)化抄送具有非常重大的意義

12、。傳統(tǒng)的手工抄表費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，準(zhǔn)確性和及時(shí)性得不到可靠的保障，這導(dǎo)致了相關(guān)營(yíng)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)。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)。為了靈活配置不同的控制平臺(tái)，一般無線抄表設(shè)備可分成兩部分設(shè)計(jì)， 一部分是無線收發(fā)模塊（Si4432），另一部分是控制模式（單片機(jī) C8051F930）。 圖 13：共用天線設(shè)計(jì)方案圖 14：雙天線設(shè)計(jì)方案無線抄表系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)可靠性要求很高，而且由于用電池供電，因此對(duì)功耗要求也很苛刻。數(shù)據(jù)處理單元的微控制器主要側(cè)重于多項(xiàng)功能的開發(fā)，選擇時(shí)主要從功能、抗干擾、功耗、速度等幾個(gè)方面考慮。C8051F930 是 Sil

13、icon Labs 公司推出的高性能、低功耗 9 系列單片機(jī)中的一款。該系列單片機(jī)具有集成度高、速度快、混合模擬信號(hào)處理、低壓低功耗及兼容 8051 指令集等特點(diǎn)，因此軟硬件設(shè)計(jì)十分方便，是儀表、手持設(shè)備中主控制器的理想選擇。 圖 15：C8051F930 結(jié)構(gòu)圖C8051F930 兼容 8051 指令系統(tǒng)，70%為單時(shí)鐘周期指令，最大速率可達(dá) 25MIPS。片內(nèi)集成高效 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，成為業(yè)界首款可在 0.9V 電壓下正常工作的單片機(jī)。支持單/雙電池供電模式，單電池模式支持 0.9-1.8V 供電；雙電池支持 1.8-3.6V 供電。 圖 16：?jiǎn)坞姵毓╇娤?，不同?fù)載電路和電池電壓下的

14、 DC-DC 轉(zhuǎn)換器效率圖通過極低的電流睡眠模式、快速喚醒、快速模數(shù)轉(zhuǎn)換、低活動(dòng)電流模式等技術(shù)，使得C8051F930 有效降低功耗，最大化電池壽命。 圖 17：有效降低功耗，最大化電池壽命Silicon Labs 公司為 C8051F930 開發(fā)提供了完整的方案，多款開發(fā)板和軟件工具，快速幫 助用戶快速上手，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。 由于無線抄表系統(tǒng)需要長(zhǎng)期在線連續(xù)運(yùn)行，對(duì)可靠性及長(zhǎng)期穩(wěn)定性要求很高，在設(shè)計(jì)時(shí)需尤其注意。在進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)時(shí)要注意布線的走向及整體的緊湊性，在電路和工藝設(shè)計(jì)上采用一些實(shí)際的抗干擾措施，例如合理布局、正確選擇接地點(diǎn)、弱信號(hào)傳輸線屏蔽層單端接地等， 以降低干擾水平。 無線抄

15、表設(shè)備軟件設(shè)計(jì) 采用 Silicon Labs 公司提供的集成開發(fā)環(huán)境 IDE，即可完成該系統(tǒng)所有軟件開發(fā)。軟件開發(fā)部分主要包括主控程序、數(shù)據(jù)通訊程序、時(shí)鐘程序、自檢程序等。為保證抄表系統(tǒng)的低功耗要求，軟件設(shè)計(jì)過程應(yīng)始終貫穿考慮如何降低功耗。我們可以使主程序大部分時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，每隔一段時(shí)間來處理一下任務(wù)，并關(guān)掉未使用的模塊等措施來降低系統(tǒng)功耗。 總結(jié) 由于采用了 Silicon Labs 公司高性能的 Si4432 及功能強(qiáng)大且性價(jià)比極高的微控制器C8051F930，可以完全實(shí)現(xiàn)滿足無線抄表要求的儀表或讀表器等設(shè)備，并對(duì)產(chǎn)品的可靠性、抗干擾、低功耗等方面進(jìn)行了考慮，在開發(fā)板和相關(guān)文檔資源及

16、多種輔助設(shè)計(jì)工具的支持下， 可快速開發(fā)出符合要求的無線抄表設(shè)備。 參考文獻(xiàn) 1 Si4432 Datasheet.pdf 2AN414_EZRadioPRO_Layout_Guide.pdf 3AN415-EZRadiPRO Programming Guide.pdf 4 AN427-EZRADIOPRO Si433X & Si443X RX LNA MATCHING.pdf 5 AN3610_Wireless MBUS Implementation using EZRadioPRO devices.pdf 6Si4432_ANTDIV_TB_50ohm_NEC_WIDE_sch.pdf 7Silicon Labs wireless presentation CN.ppt 8EZRadio_EZRadioPRO_Solutions.pdf 9Si4432 Register Settings_RevV-v21.xls 10SDBC-DK3_UG.pdf 11WDS_Chip_Config_UG.pdf 12C8051F93x-92xDatasheet.pdf 13I.S.EN13757-4-