新一代智能計(jì)量?jī)x表詳解

圖 4：智能燃?xì)獗?頻段為 169MHz 或 868MHz，wM-Bus 作為一個(gè)低于 1GHz 的 RF 鏈接)

對(duì)于水表和熱表而言，目前最常用的傳感器均通過(guò)測(cè)定旋轉(zhuǎn)速度和方向來(lái)檢測(cè)流量。

熱表是一種有附加精確溫度測(cè)量值的水表，用于捕獲前向和后向流量的溫度。添加 RF 子系統(tǒng)(如低于 1GHz 或 2.4GHz 的通信模塊)的方式可使熱表和水表“智能化”。

重要的是謹(jǐn)記水表、熱表和燃?xì)獗砭峭ㄟ^(guò)電池供電的，這就意味著超低功耗是一個(gè)重要的考慮因素。由于這三種類(lèi)型的儀表用來(lái)安放電池的空間極為有限，所以用于優(yōu)化電池壽命的專(zhuān)用電源解決方案必不可少。

3. wM-Bus RF 子系統(tǒng)的硬件 (HW) 架構(gòu)

根據(jù)所使用的頻帶或發(fā)射功率，wM-Bus 子系統(tǒng)可用于家域網(wǎng) (HAN) 或鄰域網(wǎng) (NAN) 通信。HAN 實(shí)現(xiàn)的一個(gè)例子是帶 868MHz RF 鏈接的智能儀表，采用了 wM-Bus 協(xié)議的 S、T、或新型 C 模式。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)射輸出功率為 +10 至 +12dBm(在天線端口的測(cè)量值)且天線增益高達(dá) +2dBi 的 RF 芯片(用于雙向通信的收發(fā)器或用于單向通信的發(fā)射機(jī)專(zhuān)用器件)本身即可在+14 dBm EIRP 的 ETSI300220 限制范圍內(nèi)提供最佳的解決方案。

面向智能儀表的 NAN 解決方案通常工作在 169MHz 頻段，該情況下 +27dBm EIRP 限制可實(shí)現(xiàn)卓越的覆蓋范圍。此外，頻段為 869.525 MHz 的 C2 模式( 僅用于從數(shù)據(jù)收集器至儀表方向)可采用 +27dBm 限制子帶，適合 NAN 應(yīng)用。對(duì) NAN 系統(tǒng)解決方案而言，由于目前尚沒(méi)有可提供 +27dBm 發(fā)射輸出功率的集成式 RF 收發(fā)器芯片，所以需要添加外部功率放大器。

wM-Bus 子系統(tǒng)硬件的兩個(gè)變體型(基于 EIRP 功率限制)：

1. 沒(méi)有外部功率放大器(圖 5 中的藍(lán)色模塊被去除)

2. 有外部功率放大器和可選的 LNA(如 TI 的 CC1190 @ 868MHz 或?qū)Ｓ?RF 前端 @169MHz)

圖 5：基于 TI MCU 與 RF 器件的 wM-Bus RF 子系統(tǒng)方框圖

事實(shí)上，圖 5 的 RF 子系統(tǒng)代表一個(gè)完整的 RF 模塊，它一般通過(guò) UART 連接到主控 MCU。在這種情況下，專(zhuān)用 MCU(橙色模塊)將運(yùn)行 wM-Bus 堆棧以及一個(gè)串行協(xié)議應(yīng)用，以便連接到主應(yīng)用 MCU。

第二個(gè)選項(xiàng)是讓 wM-Bus 堆棧在應(yīng)用 MCU 上運(yùn)行并通過(guò) SPI 接口連接到 RF 器件，完全避免串行協(xié)議應(yīng)用(刪除圖 5 中的橙色模塊)。提前弄清智能儀表的軟硬件分區(qū)非常重要，因?yàn)閮煞N架構(gòu)都有優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)注意事項(xiàng)如下：

1. 計(jì)量部件和 wM-Bus 堆棧的認(rèn)證。

2. 實(shí)時(shí)性要求：計(jì)量和 RF 通信均屬時(shí)間關(guān)鍵型任務(wù)，有時(shí)甚至需要 MCU 同時(shí)運(yùn)行計(jì)量和通信任務(wù)。

3. 固件的現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)：適用于 RF 通信和/或整套儀表。

由于這些原因，制造商往往更喜歡分離計(jì)量和通信功能(雙 MCU 的方法)來(lái)保持他們的系統(tǒng)模塊化。通過(guò)獨(dú)立的價(jià)格和/或性能優(yōu)化，在選擇 MCU 和 RF 器件時(shí)可實(shí)現(xiàn)更高的靈活性。通常情況下，有多個(gè)引腳兼容的 MCU 或 RF 衍生工具，可提供更高的性能和更多的功能。

單一的 MCU 解決方案可節(jié)省一些成本，但需要保護(hù)計(jì)量固件代碼以防止被篡改或避免其它來(lái)源的操作或故障，所以常會(huì)使計(jì)量部件的認(rèn)證更復(fù)雜。

4. 具有 FRAM 的超低功耗 MSP430 MCU — 可使功耗降低 50%

TI 新型“金剛狼”MSP430 微控制器產(chǎn)品系列在超低功耗方面真正有所突破，也為基于閃存的傳統(tǒng)型 MCU 器件帶來(lái)了多重優(yōu)勢(shì)。MSP430 FRAM MCU 比閃存寫(xiě)入速度提升 160 多倍，每比特能量消耗降低至少 250 倍，具有幾乎無(wú)限的擦寫(xiě)次數(shù)(>1014次)，在所有電源模式下均可確保數(shù)據(jù)保存能力，并借助統(tǒng)一的內(nèi)存架構(gòu)提供無(wú)與倫比的自由度。后者還允許開(kāi)發(fā)人員為軟件中的程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)改變內(nèi)存分區(qū)，無(wú)需完全獨(dú)立的 EEPROM 和電池供電型 SRAM。

采用這種基于 FRAM 的 MSP430 MCU 來(lái)運(yùn)行 wM-Bus 堆棧是一種必然的選擇，也是當(dāng)今可用的最低功耗解決方案。根據(jù)功能而配置的wM-Bus 堆棧相對(duì)簡(jiǎn)單，能在 12 至 30KByte 代碼間變化，可輕松安裝于最新的 TI 金剛狼器件之內(nèi)。FRAM 的逐位寫(xiě)入能力允許在現(xiàn)場(chǎng)的差分軟件升級(jí)，可降低傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而能運(yùn)行在比特率極低的 wM-Bus N 模式下，數(shù)據(jù)傳輸速率僅為 2.4 或 4.8kbps。

極低的功耗與快速寫(xiě)入能力相得益彰，可為 wM-Bus 堆棧和智能儀表的其它軟件部件均提供固件升級(jí)功能。對(duì)當(dāng)前正部署的任何類(lèi)型智能儀表而言，遠(yuǎn)程固件升級(jí)通常都被認(rèn)為是“必須擁有”的功能。

5. 結(jié)論

高效電源管理器件、超低功耗 FRAM MCU 等最新技術(shù)完美結(jié)合計(jì)量加速器和低于 1GHz 的高性能 RF 器件，可推動(dòng)新一代智能計(jì)量?jī)x表耀世登場(chǎng)。

德州儀器 (TI) 可為智能儀表和智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施提供廣泛系列的器件。

TI 高性能 CC1120 RF 收發(fā)器產(chǎn)品系列可滿足 wM-Bus 標(biāo)準(zhǔn) EN13757-4 的所有要求，并能在所有可用的模式下(S、T、C、N、R 和 F 模式)實(shí)現(xiàn) Hr(最高級(jí)別)接收機(jī)的性能。

TI 高性能 CC1120 是首款 RF 收發(fā)器，可完全支持接收只有 16 位簡(jiǎn)短前導(dǎo)碼的 N 模式報(bào)文，還可完全實(shí)現(xiàn)所需的 T 模式接收性能，數(shù)據(jù)速率變化為 +-12 % (88-112kbps)，沒(méi)有任何數(shù)據(jù)包損失。

憑借極短的 AGC 趨穩(wěn)時(shí)間和只有 4 位的前導(dǎo)碼檢測(cè)等獨(dú)一無(wú)二的特性，CC1120 平臺(tái)對(duì)于當(dāng)前頻段為 868MHz、433MHz 或 169MHz 的所有 wM-Bus 解決方案而言均是最好的 RF 選擇。CC1120 的 WaveMatch 特性可在儀表的所有 wM-Bus 模式下同時(shí)支持 A 和 B 兩個(gè)框架。

基于 FRAM 的新型 MSP430 MCU 開(kāi)創(chuàng)了超低功耗標(biāo)準(zhǔn)的里程碑，代表著技術(shù)上的又一次重大飛躍?，F(xiàn)在，客戶能借助所有這些可用組件來(lái)著手設(shè)計(jì)具有 169MHz、433MHz 或 868MHz wM-Bus 子系統(tǒng)的新一代智能儀表。