基于PICl6F628A芯片的無線遠傳水表設(shè)計方案

隨著社會和經(jīng)濟的進步，住宅商品化發(fā)展迅速，住宅水、電、氣、熱表的抄表和收費問題日益突出。如何有效解決入戶抄表收費的技術(shù)問題，提供一個合理、完整、系統(tǒng)的實施管理方案，需要企業(yè)、科研和公用事業(yè)管理部門共同努力。目前，住宅水、電、氣、熱表遠程抄表系統(tǒng)形式多樣，但市場比較混亂，技術(shù)上尚不成熟，沒有一個被市場認(rèn)可的完整系統(tǒng)實施管理方案。傳統(tǒng)的有線抄表系統(tǒng)布線復(fù)雜、可靠性差、維護困難，難以實現(xiàn)管理升級，不能滿足舊樓系統(tǒng)改造的市場要求；而新興GPRS、短信GSM網(wǎng)絡(luò)抄表方式使用成本昂貴，不適宜大面積推廣。

無線智能遠傳水表系統(tǒng)以其安裝便利、維護快捷、不受安裝環(huán)境和布線限制等優(yōu)點，成為了水表行業(yè)智能管理的主導(dǎo)系統(tǒng)。該系統(tǒng)一般由四部分組成，即自來水公司微機數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)下載器（手抄機）、數(shù)據(jù)集中器、無線遠傳智能水表。其中無線智能遠傳水表是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，是信息的產(chǎn)生單元。它一般是在原基表的基礎(chǔ)上，加裝新型傳感器和控制電路板構(gòu)成。

1 無線智能遠傳水表實現(xiàn)的功能

無線通信在用戶的使用環(huán)境中容易受到外界環(huán)境的影響，比如說小區(qū)樓棟之間的環(huán)境，小區(qū)樓層的高矮，樓棟之間的距離，城市無線通信環(huán)境的干擾源，小區(qū)房型結(jié)構(gòu)等都有很大程度上的影響。因此，表具的安裝，樓棟集中器的安裝，小區(qū)集中器的安裝，特別是樓棟集中器的無線通信天線，小區(qū)集中器無線通信天線。如果采用手抄器抄取樓棟集中器，樓棟集中器可安裝在樓道內(nèi)，天線可引道戶外。如果采用小區(qū)集中器采取樓棟集中器，樓棟集中器建議安裝在樓頂。安裝在樓頂?shù)募衅骺刹捎锰柲芑?20V市電供電。

通過分析確定無線智能遠傳水表應(yīng)實現(xiàn)以下功能：自動定時或定量上報水量功能；根據(jù)集中器命令控制水表閥門開關(guān)功能；自動報告遠傳水表被破壞或受干擾、用水量異常（過大或過小）、電池電能不足的功能；按管理部門的需要進行參量設(shè)制功能。

2 硬件電路的設(shè)計

無線智能遠傳水表的無線通信頻率選擇公用頻段（ISM頻段）。該表采用電池供電，保證市電停電時，不影響表具對信息的采集和存儲。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，電池的使用壽命大于6年，因此整個產(chǎn)品的設(shè)計要充分考慮耗電量問題。電池選擇高能鋰電池，通過選擇低功耗器件、設(shè)定精密的微功耗工作方式來確保電池的使用壽命。通過采用雙傳感器、軟件糾錯、抗干擾技術(shù)、加密技術(shù)來保障數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸?shù)臏?zhǔn)確度。

2.1 無線智能遠傳水表的組成單元及功能

無線智能遠傳水表主要包括以下單元：單片機、輸入采集、無線數(shù)傳、電源、閥門控制、電壓檢測單元。

2.2 各單元電路的硬件設(shè)計

2.2.1 輸入信號采集單元

傳感器選擇接觸阻抗低、無待機功耗、可靠性好的小型干簧管。作為磁傳感器，在磁鐵進入干簧管吸合臨界區(qū)的時候，干簧管會產(chǎn)生多次吸合，導(dǎo)致重復(fù)計量。為了提高計量的準(zhǔn)確性和抗干擾性，在產(chǎn)品中采用雙傳感器設(shè)計。無論單個傳感器吸合多少次都按照吸合一次計算，只有兩個傳感器各吸合一次才算是一次有效計量。本設(shè)計計量單位為0.1t.當(dāng)兩個傳感器同時吸合時，認(rèn)為是外界強磁干擾，水表執(zhí)行關(guān)閉閥門動作。設(shè)置單片機RB0、RB4引腳作為檢測端。

2.2.2 單片機的設(shè)計

單片機選擇的是是Microchip公司生產(chǎn)的功耗低、抗干擾能力強、編程調(diào)試方便、價格低的PICl6F628A芯片。該單片機為精簡指令集型處理器（RISC），共有35條匯編指令，使用起來簡捷有效。PICl6F628A共有18個引腳，標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為5 V,外接晶振最大可以達到20 MHz.其內(nèi)部資源非常豐富，含有2 KB的Flash程序存儲器、224B的數(shù)據(jù)存儲器、2個模擬比較器、1個PWM控制器、1個16位的定時器/計數(shù)器，1個8位定時器/計數(shù)器，1個8位定時器，以及上電啟動電路、掉電復(fù)位電路和看門狗電路等。PICl6F628A還能夠響應(yīng)定時器、比較器、RB端口等多種硬件中斷合理地使用這些資源可以有效簡化外圍電路，降低產(chǎn)品的成本。為了降低整機的功耗，定時器1的時鐘脈沖選擇片外晶體振蕩電路，晶體頻率是32.768k,配諧電容為22p,內(nèi)部采用8分頻，這樣當(dāng)脈沖個數(shù)為24225個時（5FH,0FFH），定時時間達到10s.

2.2.3 無線數(shù)傳單元的設(shè)計

無線數(shù)傳芯片選擇的是高集成度、多通道的RF收發(fā)芯片CC1100,該芯片控制方便、功能強大、體積小、價格低、功耗低、抗干擾性強。CC1100的引腳SPI_SCK連接單片機引腳RAl（輸出）；SPI_SI連接單片機RA2引腳（輸出）；SPI_SO連接單片機RA3引腳（輸入）；SPI_CS連接單片機RA6引腳（輸出）；GDO0連接單片機RA7引腳（輸入）。

CC1100的軟件設(shè)計主要是利用TI公司提供的對該芯片的內(nèi)部寄存器設(shè)置軟件Smart Studio對CC1100控制寄存器進行設(shè)置，在軟件參數(shù)配置時要注意選擇輸出功率為10dBm,中心頻率為433.92MHz,數(shù)據(jù)傳輸速率為10kbps,將這些主要參數(shù)輸入后，專用配置軟件將CCll00所有的控制寄存器的參數(shù)值自動換算到該芯片的最優(yōu)化設(shè)置，將這些參數(shù)通過單片機，按照約定的地址寫入到CC1100特定寄存器，就可保證CCll00穩(wěn)定可靠地工作。在程序設(shè)計中要定期刷新CC1100控制寄存器的設(shè)置，防止寄存器中的內(nèi)容在強烈外界干擾環(huán)境中改變，使芯片不能正常工作。CC1100的軟件設(shè)計要注意，在無線數(shù)據(jù)傳輸過程中要關(guān)閉其它附屬設(shè)備的工作狀態(tài)，保持傳輸數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.2.4 閥門控制單元的設(shè)計

驅(qū)動電磁閥開關(guān)的芯片選擇的是L9110芯片。該芯片有兩個TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個輸出端能直接驅(qū)動電機的正反向運動，它具有較大的電流驅(qū)動能力，每通道能通過800mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達1.5A;同時它具有較低的輸出飽和壓降；內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負載的反向沖擊電流，驅(qū)動性能安全可靠。單片機RB5引腳設(shè)置為關(guān)閥控制；RB3引腳設(shè)置為開閥控制；RB2引腳設(shè)置閥門開到位判斷；RBl引腳設(shè)置閥門關(guān)到位判斷。

2.2.5 電源電壓檢測元件的選擇與設(shè)計

電壓檢測芯片選擇的是小功率的MCPlll芯片。當(dāng)電源電壓高于檢測電壓時，MCPlll輸出保持高電平；若低于檢測電壓時輸出將變?yōu)榈碗娖?，提醒電源電量的不足。設(shè)置單片機引腳RA5為電源電壓檢測輸入引腳，低電平有效。該產(chǎn)品設(shè)定MCPlll的檢測電壓為3V;在檢測到電池電壓低提出報警后，仍能保證控制電路板正常工作三個月以上，為更換電池提供時間余量。

3 軟件設(shè)計

智能無線遠傳水表的軟件采取模塊化設(shè)計，程序主要有以下主子程序組成：主程序模塊、定時中斷處理程序模塊、水量采樣處理程序模塊、接收無線數(shù)據(jù)處理程序模塊、數(shù)據(jù)發(fā)射程序模塊。

3.1 主程序設(shè)計

智能無線遠傳水表上電后，系統(tǒng)軟件逐個檢測各個功能模塊的工作狀態(tài)。主要包括傳感器模塊檢測、定時器模塊檢測、閥門執(zhí)行機構(gòu)檢測、特別是對CCll00的工作參數(shù)設(shè)置以及設(shè)置完成的結(jié)果檢測，這些模塊檢測正常后系統(tǒng)檢測燈熄滅，系統(tǒng)進入低功耗工作狀態(tài)。進入低功耗工作的系統(tǒng)只有靠中斷才能開啟。開啟系統(tǒng)由低功耗進入工作狀態(tài)的方式有兩種：一種是當(dāng)有傳感器信號進入時，傳感器信號開啟中斷系統(tǒng)；另一種是定時器時間到后開啟中斷系統(tǒng)。開啟后的系統(tǒng)執(zhí)行完中斷的操作后回到低功耗模式。

3.2 定時中斷處理程序設(shè)計

定時啟動時間是10s一次，啟動以后主要功能是：開啟接收機接收查看是否有無線電信號進來。如果沒有，進入低功耗狀態(tài)，如果有，則判斷是不是協(xié)議規(guī)定的命令。如果是規(guī)定的命令執(zhí)行相應(yīng)的操作，否則關(guān)閉接收機，進入低功耗。定時24小時自動發(fā)射數(shù)據(jù)一次，定時一個月洗閥一次。

3.3 水量采樣處理程序設(shè)計

當(dāng)水表的傳感器有信號來的時候，經(jīng)軟件濾波后判斷是否為有效信號。若是無效信號則直接退出中斷，若為有效信號時就進行計數(shù)和水量運算，運算后將數(shù)據(jù)存儲在單片機內(nèi)部的存儲器內(nèi)。分析是否達到發(fā)射水量，達到發(fā)射水量則發(fā)射數(shù)據(jù)，否則退出中斷。

3.4 接收無線數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計

設(shè)置CC1100為接收狀態(tài)，若有接收信號，則等待接收數(shù)據(jù)，讀CC1100寄存器中的接收數(shù)據(jù)。讀完規(guī)定字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)解碼，判斷數(shù)據(jù)的正確性。數(shù)據(jù)正確，依據(jù)規(guī)定的命令進行相應(yīng)的操作；否則退出接收狀態(tài)。

4 結(jié)論

通過對無線遠傳智能水表進行的供電參數(shù)、無線電性能、信號輸出測試、控制功能測試、水表性能測試，其主要參數(shù)全部達標(biāo)，實現(xiàn)了設(shè)計時要求的技術(shù)指標(biāo)和性能。本系統(tǒng)方案采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，可方便實現(xiàn)戶內(nèi)儀表的數(shù)據(jù)出戶、集中及統(tǒng)一管理，系統(tǒng)成本低、可靠性高、易于擴展、方便實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理，有效地解決了住宅水、電、氣、熱表的抄表和收費問題，具有很高的經(jīng)濟和社會效益。