有線M-Bus是專為家用儀表數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計的總線制系統(tǒng)，它是一個層次化的系統(tǒng)，由主設(shè)備、若干從設(shè)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(yuǎn)程抄表的需要，同時可以滿足遠(yuǎn)程供電需求，在智能小區(qū)的自動抄表系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用?？墒怯芯€M-Bus系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用給它在競爭中帶來優(yōu)勢，易于安裝和維護(hù)，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(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)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(jìn)行了分析。
1無線M-Bus
無線M-Bus標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(dāng)儀表能夠和集中器直接進(jìn)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(yīng)用中，從節(jié)點儀表有時不能直接與主節(jié)點集中器進(jìn)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(shè)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(jìn)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(kuò)展接口讀取外部儀表的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)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(jìn)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(shè)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(jìn)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(yuǎn)程傳輸。圖中可編程負(fù)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(fù)責(zé)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(dǎo)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(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)包并檢驗CRC字節(jié)。
