摘 要： 為了克服電力載波通信抄表速度慢、抗干擾能力差、抄表成功率不高和不能跨臺區(qū)抄表等缺點，主要進(jìn)行了基于TI 公司CC1110 射頻芯片的微功率無線采集器的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。無線采集器采用半無線組網(wǎng)方式能夠滿足實時抄表的要求，而且組網(wǎng)快、無需人工干預(yù)的網(wǎng)絡(luò)管理，為自動抄表系統(tǒng)提供了新的組網(wǎng)技術(shù)方法。本微功率無線采集器在試點項目的測試中，達(dá)到了實際應(yīng)用要求，具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　1 引言

　　自動抄表系統(tǒng)（Automatic Meter Reading，簡稱AMR）是指采用通訊和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)自動讀取和處理表計數(shù)據(jù)，不需要人員到達(dá)現(xiàn)場就能完成抄讀用戶消耗電能的一種智能化管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電表級、采集器級、集中器級、主站級。電力線載波技術(shù)（PLC）是利用現(xiàn)有的電力線，通過載波方式將模擬或者數(shù)字信號進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)，但是這種技術(shù)存在電力線對載波信號造成高消減、電力線本身存在脈沖干擾及配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用等缺點，使得電力線載波技術(shù)很難在自動抄表系統(tǒng)中得到大規(guī)模的應(yīng)用。

　　針對上述的組網(wǎng)方式，本文提出了采用微功率無線采集器來實現(xiàn)上行無線的組網(wǎng)方式，而采集器下行抄表采用傳統(tǒng)的有線485 方式，來完成電能表數(shù)據(jù)的采集和存儲，這種組網(wǎng)方式具有抄表成功率高、組網(wǎng)速度快和無需人工干預(yù)等特點。

　　2 無線采集器的硬件設(shè)計

　　采集器硬件采用模塊化設(shè)計，共分為三個模塊，分別為電源模塊、控制模塊和通信模塊，其中通信模塊支持微功率無線模塊和載波模塊，這樣可以根據(jù)客戶的需求選用不同的通信模塊。其原理圖如圖1 所示。

　　圖1 采集器原理圖

　　2.1 控制模塊

　　控制模塊采用意法半導(dǎo)體（ST）的STR71x 系列控制器，該系列控制器基于16/32 位高性能ARM7-TDMI RISC CPU，擁有豐富的內(nèi)核和增強(qiáng)的I/O 功能，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。STR71 系列微控制器共有4個UART 異步串口，其集成的UART 控制器支持全雙工的異步通信模式。在設(shè)計中，配置UART0 為下行抄表端口，只能是485 模式，通過軟件設(shè)置通信波特率，在默認(rèn)情況下，采集器和表之間的通信波特率為1200bps; UART1 連接上行通信模塊，當(dāng)采集器的通信模式被配置成無線或者載波模式時，該端口被使能，通過上行通信模塊接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，其中無線和載波的波特率為9600bps; UART2 為紅外端口，和紅外電路一起共同構(gòu)成采集器的紅外抄表口，掌機(jī)通過該端口設(shè)置采集器的參數(shù)，讀取相關(guān)的數(shù)據(jù)，波特率為1200bps; UART3 為備用通信接口，在設(shè)計中作為維護(hù)485 端口，通過該端口實現(xiàn)采集器的日常維護(hù)。

　　4 個UART 異步串口數(shù)據(jù)幀的長度都是8 位，偶校驗和一個停止位，其中UART0 的優(yōu)先級最高，UART3的優(yōu)先級最低?？刂颇K主要是通過4 個異步串口和集中器及電能表進(jìn)行通信，來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包，并對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，然后做出相應(yīng)的處理，如設(shè)置參數(shù)、轉(zhuǎn)發(fā)給電能表或者讀取EEPROM 中的日凍結(jié)、月凍結(jié)數(shù)據(jù)或者整點數(shù)據(jù)，最后重新封裝，返回給相應(yīng)的集中器或者電能表。

　　2.2 微功率無線通信模塊

　　只要通信收發(fā)雙方通過無線電波傳輸信息，并且發(fā)送功率限制在很小的范圍內(nèi)（通常是100mW以下），就可以稱為微功率無線通信，本無線模塊正是基于微功率的設(shè)計。

　　2.2.1 無線通信模塊框圖

　　圖2 無線模塊框圖。

　　圖2 為無線模塊框圖，模塊芯片采用TI 公司的CC1110 無線射頻芯片，CC1110 包含了業(yè)界領(lǐng)先的CC1100RF 收發(fā)機(jī)和一個基于8051 核心，并具有集成32KB 閃存和外設(shè)的高性能低功耗控制器，同時還包括了4KB SRAM，數(shù)據(jù)保密（AES 安全處理器），帶最多8 路輸出的8-14 位ADC 和強(qiáng)大的DMA 等功能。本文設(shè)計無線模塊的工作頻率為471MHz，通信波特率為9600bps，發(fā)射功率可通過軟件調(diào)整大小。

　　連接無線模塊收發(fā)的兩個引腳電路采用典型的LC 巴倫電路，來實現(xiàn)天線與兩個差分引腳的連接；無線模塊接收到集中器發(fā)送的信號，首先經(jīng)過LC 巴倫電路發(fā)送到CC1110 的RF_N 和RF_P 兩個差分引腳上，然后射頻芯片經(jīng)過濾波、增益調(diào)節(jié)、模數(shù)轉(zhuǎn)換解調(diào)、解碼輸出數(shù)字信號傳給和采集器相連的Rx 引腳；采集器控制模塊收到數(shù)據(jù)后，通過解析數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的處理，把有效的數(shù)據(jù)傳給無線模塊的Tx 引腳，無線模塊通過編碼、調(diào)制、數(shù)模轉(zhuǎn)換、信號調(diào)制，然后經(jīng)過LC巴倫電路把信號平衡到單端輸出的天線上發(fā)送。

　　2.2.2 改進(jìn)型巴倫（Balun）電路

　　巴倫（Balun：平衡-不平衡變換器）可以實現(xiàn)單端與差分結(jié)構(gòu)間的變換［7］。圖3 是連接CC1110 射頻芯片和天線的改進(jìn)型LC 巴倫電路，該巴倫電路僅有兩個同樣的電感（L1 和L2）和電容（C10 和C13）構(gòu)成，作為射頻芯片CC1110 的分路器或合路器的核心電路，實現(xiàn)芯片兩個差分引腳RF_P和RF_N與天線之間信號的平衡-不平衡的變換。圖3 為改進(jìn)型LC 巴倫電路的等效電路，當(dāng)CC1110 為接收模式下時，改進(jìn)型LC巴倫電路將作為一個分路器，設(shè)分路器的單端端口阻抗為，兩個平衡端口的阻抗為Zout，并且設(shè)：

　　其中，Zin -單端端口阻抗；

　　Rin -輸入端口阻抗的實部；

　　Xin -輸入端口阻抗的虛部；

　　Zout -平衡端口的阻抗；

　　Rout -輸出端口阻抗的實部；

　　Xout -輸出端口阻抗的虛部；

　　圖3 LC 巴倫電路的等效電路

　　圖3 中，從單端或輸入端口向右側(cè)或者左側(cè)看進(jìn)去的阻抗為：

　　如果要使功率高效地從單端端口傳輸?shù)狡胶舛丝诨驈钠胶舛丝趥鬏數(shù)絾味硕丝?，就必須使?2LC = 1，此時巴倫的核心電路達(dá)到諧振狀態(tài)。

　　可以得到兩個非常重要的表達(dá)式：

　　這樣可以很容易根據(jù)給定的阻抗Zout和Zin算出L和C ，在本設(shè)計中Zout和Zin的阻抗為50 歐姆，使電路達(dá)到諧振的L和C 的值分別為27nH、3.9pF.當(dāng)芯片處于接收模式時，LC 巴倫電路作為一個合路器，把接收到的信號送到芯片的RF_P 和RF_N 兩個引腳。

　　3 采集器軟件設(shè)計

　　采集器軟件設(shè)計按照模塊化設(shè)計，總體可分為主程序模塊、規(guī)約解析模塊、存儲模塊、端口設(shè)備模塊和時鐘模塊等。軟件處理事件可以分為兩個部分：一是采集器響應(yīng)集中器命令做出相應(yīng)的處理；二是采集器空閑時刻凍結(jié)數(shù)據(jù)部分，包括月凍結(jié)、日凍結(jié)和整點凍結(jié)。

　　3.1 采集器響應(yīng)集中器命令流程

　　圖5 采集器響應(yīng)集中器命令流程圖。

　　采集器響應(yīng)集中器命令流程圖如圖所示：采集器在上電以后，初始化相應(yīng)設(shè)備、端口，然后進(jìn)入主程序模塊等待中斷的到來。當(dāng)采集器的無線模塊有數(shù)據(jù)到達(dá)時，采集器的上行通道端口響應(yīng)中斷并從端口的寄存器中獲取數(shù)據(jù)，然后檢驗數(shù)據(jù)幀的合法性并通過規(guī)約模塊分析數(shù)據(jù)幀，如果請求讀凍結(jié)數(shù)據(jù)，則從EEPROM 中讀取相應(yīng)的凍結(jié)數(shù)據(jù)，然后封裝幀發(fā)送給無線模塊，進(jìn)而發(fā)送給集中器；如果不是請求凍結(jié)讀數(shù)據(jù)，則采集器檢查完幀的合法性后轉(zhuǎn)發(fā)給電表，同時采集器回到主程序模塊等待下行抄表端口的中斷響應(yīng)，如果等待超時，則發(fā)給集中器一個錯誤幀；如果電表回復(fù)，則轉(zhuǎn)發(fā)給集中器，同時把電表回復(fù)的數(shù)據(jù)幀保留在自己的RAM 中，保存的時間可以根據(jù)需要設(shè)定，最后程序進(jìn)入主程序模塊等待下一次的中斷響應(yīng)。

　　3.2 采集器凍結(jié)及補(bǔ)抄數(shù)據(jù)流程

　　圖6 采集器補(bǔ)抄及凍結(jié)數(shù)據(jù)流程圖。

　　采集器能夠接32 塊485 電能表，每塊表抄表的時間是3s，具備日凍結(jié)、月凍結(jié)、整點凍結(jié)、上電補(bǔ)抄，半點補(bǔ)抄功能。其流程圖如圖6 所示：采集器上電、初始化外圍設(shè)備以后，上電補(bǔ)抄標(biāo)志有效，采集器判斷當(dāng)前的日凍結(jié)、月凍結(jié)和整點凍結(jié)數(shù)據(jù)是否存在，如果不存在，則啟動上電補(bǔ)抄程序去抄讀電表數(shù)據(jù)，把抄到的當(dāng)前電量作為上1 日的日凍結(jié)數(shù)據(jù)和上1 月的月凍結(jié)及當(dāng)前整點的小時凍結(jié)數(shù)據(jù)存儲到EEPROM;如果上行通信沒有數(shù)據(jù)到達(dá)，且當(dāng)整點標(biāo)志、日凍結(jié)標(biāo)志和月凍結(jié)標(biāo)志為1 時，采集器會自動抄讀所連接的485 電能表，把抄到的電表電量作為相應(yīng)的凍結(jié)數(shù)據(jù)存入EEPROM。

　　4 小結(jié)

　　本文介紹了基于STR71x微控制器和CC1110射頻芯片的采集器的設(shè)計方法。該無線采集器已經(jīng)在山東和廣西進(jìn)行了組網(wǎng)測試，每個無線采集器作為一個獨立的節(jié)點能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)自組自管，通過拓?fù)錂C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議形成轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的多跳網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。當(dāng)某節(jié)點因環(huán)境因素等情況不能和集中器建立通信時，無線模塊能夠通過相鄰節(jié)點同該節(jié)點建立通信，個別節(jié)點的失效不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的通信，從實際的應(yīng)用情況看，組網(wǎng)快、無需人工干預(yù)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)管理、運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠、可以跨臺區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，相對于電力載波有很多優(yōu)勢，因此在自動抄表系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。