電子儀表中的關(guān)鍵部件及無(wú)線(xiàn)技術(shù)

　　無(wú)線(xiàn)技術(shù)

　　ZigBee/EEE802.15.4

　　ZigBee過(guò)去又稱(chēng)為Hoverflies、RF-EasyLink或FireFly無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，是一種應用于短距離范圍內，低傳輸資料速率下的各種電子設備之間的無(wú)線(xiàn)通信標準。ZigBee是專(zhuān)為低速（通常20-40kbps）和短距離（<100米）通信而設計的，很適合將電表，氣表和水表通過(guò)網(wǎng)路連在一起。

　　ZigBee技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

　　功耗低：工作模式情況下，ZigBee技術(shù)傳輸速率低，傳輸資料量很小，因此信號的收發(fā)時(shí)間很短，其次在非工作模式是，ZigBee節點(diǎn)處于休眠模式。設備搜索時(shí)延長(cháng)一般為30ms,休眠啟動(dòng)延長(cháng)為15ms,活動(dòng)設備通道接入時(shí)延為15ms，由于工作時(shí)間較短，收發(fā)資訊功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee節點(diǎn)非常省電，ZigBee節點(diǎn)的電池工作時(shí)間可以長(cháng)達6個(gè)月到2年左右，同時(shí)，由于電池時(shí)間取決于很多因素，例如電池種類(lèi)、容量和應用場(chǎng)合，ZigBee技術(shù)在協(xié)定上對電池使用也做了優(yōu)化，驗？性電池可以使用數年，對于某些工作時(shí)間和總時(shí)間（工作時(shí)間+休眠時(shí)間）之比小于1%的情況，電池的壽命甚至可以超過(guò)10年。

　　資料傳輸可靠：ZigBee的媒體接入控制層（MAC）采用talk-when-ready的碰撞避免機制。在這種完全確認的資料傳輸機制下，當有資料傳送需求式則立刻傳送，發(fā)送的每個(gè)資料包都必須等待接收方得確認回復，若沒(méi)有得到確認資訊的回復就表示發(fā)生了碰撞，將再傳送一次，采用這種方法可以提高系統資訊傳輸的可靠性。同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送資料時(shí)的競爭和沖突。同時(shí)ZigBee針對時(shí)延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和休眠狀態(tài)啟動(dòng)的時(shí)延都非常短。

　　網(wǎng)路容量大：ZigBee低速率、低功率和短距離傳輸的特點(diǎn)使它非常適宜支持簡(jiǎn)單器件。ZigBee定義了兩種器件：全功能器件（FFD）和簡(jiǎn)化功能器件（RFD）。對全功能器件，要求它支持所有的49個(gè)基本參數。而對簡(jiǎn)化功能器件，在最小配置時(shí)只要求它支援38個(gè)基本參數。一個(gè)全功能器件可以與簡(jiǎn)化功能器件和其他全功能器件，而簡(jiǎn)化功能器件只能與全功能器件通話(huà)，僅用于非常簡(jiǎn)單的應用。

　　一個(gè)ZigBee網(wǎng)路最多包括有255個(gè)ZigBee網(wǎng)路節點(diǎn)，其中一個(gè)是主控（Master）設備，其余是從屬（slave）設備。若是通過(guò)網(wǎng)路協(xié)調器（Networkcoordinator）,整個(gè)網(wǎng)路最多可以支援超過(guò)64000個(gè)ZigBee網(wǎng)路節點(diǎn)，再加上各個(gè)NetworkCoordinate可互相連接，整個(gè)ZigBee網(wǎng)路節點(diǎn)的數目將十分可觀(guān)。

　　相容性：ZigBee技術(shù)與現有的控制網(wǎng)路標準無(wú)縫集成。通過(guò)網(wǎng)路協(xié)調器（Coordinator）自動(dòng)建立網(wǎng)路，采用載波偵聽(tīng)/沖動(dòng)檢測（CSMA-CA）方式進(jìn)行通道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。

　　安全性：ZigBee提供了資料完整性檢查和許可權識別功能，在資料傳輸中提供了三級安全性。第一級實(shí)際是無(wú)安全方式，對于某種應用，如果安全并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護，器件可以選擇這種方式來(lái)轉移資料。對于第二級安全級別，器件可以使用接入控制清單來(lái)防止非法器件獲取加密措施。第三級安全級別在資料轉移中采用屬于高級加密標準（AES）的對稱(chēng)密碼。AES可以用來(lái)保護資料靜荷和防止攻擊者冒充合法器件。

　　實(shí)現成本低：ZigBee模組的初始成本估計在6美元左右，很快就能降到1.5-2.5美元，且ZigBee協(xié)定免專(zhuān)利費用。目前低速低功率的UWB晶片組的價(jià)格至少為20美元，而ZigBee的價(jià)格目標僅為幾美分。

　　ZigBee協(xié)定使用IEEE802.15.4無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，目前Chinpcon、Atmel、Freescale、ZMD和Microchip等多家公司都可提供該產(chǎn)品。IEEE802.15.4有3個(gè)頻段，允許在全國世界范圍內工作：2.4GHz適用于全球，868MHz用于歐洲，而915MHz用于美洲。

　　使用ZigBee的儀表需要使用IEEE802.15.4收發(fā)器和運行ZigBee協(xié)定機的MCU。

　　目前，Microchip可以提供2.4GHz收發(fā)器和免費ZigBee協(xié)議機。其中其PICDEMZ在演示工具包是一個(gè)易于使用ZigBee無(wú)線(xiàn)通信協(xié)定開(kāi)發(fā)和演示平臺，包括ZigBee協(xié)定機和兩塊帶有RF子板的PICDEMZ板。該演示板還帶有一個(gè)6引腳標準連接器，用于直接與Microchip的MPLABICD2線(xiàn)上調試器（DV164005）界面。使用MPLABICD2，開(kāi)發(fā)者可以在同一平臺上重新編程或修改PIC18MCU快閃記憶體記憶，開(kāi)發(fā)和調試應用程式碼。

　　(2)Z-WAVE

　　Z-WAVE是Zensy開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用協(xié)定，資料傳輸速率為9.6kbps，工作頻率為868MHz或908MHz。Z-WAVE廣泛用于如照明、家用電器和HVAC控制等室內控制應用上。在功能上它與ZigBee類(lèi)似，適合連接水表、氣表和電表?，F在出了Zensy開(kāi)發(fā)的模組外，還有沒(méi)有其他嵌入式模組。Zensy也提供單晶片器件。

　　(3)紅外線(xiàn)

　　紅外技術(shù)雖然經(jīng)常會(huì )被忽略，但是因其低成本和技術(shù)成熟等突出優(yōu)勢目前已經(jīng)廣泛用于許多電表中，用于參數配置和資料傳輸。它遵循幾個(gè)標準：ANSIC12.18是有關(guān)連接器安裝物理尺寸的標準；IEC62056規范是紅外線(xiàn)通信相關(guān)的協(xié)定和目錄。

　　目前這種類(lèi)型的紅外埠常用于讀表系統。使讀表器靠近電表，將探頭放在連接器上，然后讀取電表內部存儲的資料。讀表器一般是運行資料讀取軟體的手持PDA或類(lèi)似設備。目前，資料讀取軟體有GE的MeterMate等。

　　(4)專(zhuān)用短距離無(wú)線(xiàn)通信

　　現在市場(chǎng)上充斥著(zhù)大量短距離無(wú)線(xiàn)通信設備。這些設備覆蓋314、433、868、和915MHz頻段，比特率最高可達100kaps。諸如Chinpcon、Micrel、Microchip公司提供獨立收發(fā)器和集成解決方案（收發(fā)器加MCU）。此類(lèi)設計所面臨的挑戰是協(xié)議機要由設計者創(chuàng )建。這樣將一個(gè)原本很簡(jiǎn)單的應用程序分成了兩個(gè)應用程式：主應用程式和RF協(xié)定。幸運的是有些制造商已經(jīng)開(kāi)發(fā)了簡(jiǎn)單協(xié)定，從而縮短了工程進(jìn)度。(5)GSM/GPRS/CDMA蜂窩式無(wú)線(xiàn)通信

　　另一個(gè)可行的技術(shù)是GSM/GPRS/CDMA數據機。它們非常適合遠端計量應用。例如，用于灌溉莊稼的水泵可能需要一個(gè)水表和一個(gè)電表。由于水泵的遠端特性，可能需要一個(gè)蜂窩式數據機將水泵資訊傳送給檢測站。派專(zhuān)人去讀取儀表資料是不切實(shí)際的，因為路途很遠要花費很長(cháng)的時(shí)間，所需費用遠超過(guò)數據機硬體的成本。公用事業(yè)公司通常會(huì )有許多此類(lèi)儀表，通過(guò)協(xié)商還能降低每月數據機的服務(wù)費。

　　嵌入式蜂窩數據機大多使用簡(jiǎn)單串列界面，并且使用標準AT命令集配置和使用電話(huà)。諸如Motorola、Sierra、Wireless和Falcom等公司都制造基于GSM/GPRS和CDMA的嵌入式數據機。

　　設計考慮：低功率

　　低功耗是水表和熱表的主要考慮指標，因為這些儀表所處的位置通常沒(méi)有本地電源。

　　儀表應用中需要考慮的另一個(gè)重要方面就是：在丟失主電源情況下要進(jìn)行適當的低功耗管理和維持系統魯棒性（Robustness）。公用儀表一般具有兩種供電方式:交流和直流（如小電池）電源。電表中通常采用交流電源插座或直接交流供電被認為是不安全的，在水表中通常使用直流電源。

　　交流穩壓電源供電的儀表

　　交流供電儀表可通過(guò)標準電源插座獲得無(wú)限量的電能（一般最高限制為2W）。對于交流供電的公用儀表，當計量單元丟失主電源時(shí)，智慧電源管理部件除了管理系統的全面操作外，還起到了至關(guān)重要的作用。因為當交流電源暫時(shí)切斷時(shí)，也許用戶(hù)正在使用燃氣，或者計量單元正忙于向非易失憶體存儲重要資料或正在向公共事業(yè)公司傳送資料。

　　交流供電儀表系統使用變壓器或無(wú)變壓器電源。要降低應用成本和規模，有時(shí)可通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的電抗分離的無(wú)變壓器電路向儀表供電。這通常適用于儀表已連接到交流電源的情況（例如電表）。但這種設計使得典型電路供給的電流有限，從而限制了大功率元件的使用。合理的功耗管理有助于降低應用電路的平均功耗，由此降低電源元件的大小和重量。

　　為了補償交流電源的損失，設計工程師通常會(huì )在設計儀表時(shí)添加某類(lèi)備用電源系統，可以是大電容、超大電容或一個(gè)小型鋰電池。在啟用備用電源的情況下，整個(gè)系統的功耗特別是MCU的功耗變得至關(guān)重要。設計工程師常面臨的挑戰有

　　在上述情況條件下系統應保持多長(cháng)的啟動(dòng)時(shí)間？

　　整個(gè)系統的待機電流是多少？

　　系統的工作電流是多少

　　如何優(yōu)化功耗和使器件性能（時(shí)鐘速度）快速適應當前的要求？

　　如何在不穩定電池系統供電條件下可靠地工作？

　　如何通過(guò)集成欠壓復位、看門(mén)狗計時(shí)器和故障時(shí)鐘監視電路增加系統可靠性？

　　如由于執行不同任務(wù)時(shí)的工作負載也各不相同，如何更好地動(dòng)態(tài)優(yōu)化儀表中的MCU功耗顯得非常重要。給出的典型計量為例，該示例執行了以下任務(wù)：

　　及時(shí)時(shí)鐘更新—很小的任務(wù)，可以被編程為每秒執行一次。

　　計數器遞增—也是一個(gè)很小的任務(wù)，可以在收到來(lái)自計量裝置的派動(dòng)時(shí)（如電表中MCP3905的輸出，或氣/水表中位移測量裝置產(chǎn)生的派動(dòng)）產(chǎn)生中斷。

　　偶爾需要MCU執行高強度的計算任務(wù)。例如，通過(guò)IrDA或RS-485與儀表通信來(lái)自動(dòng)讀表，或簡(jiǎn)單地更新顯示或執行一些計費/記錄相關(guān)的功能。

　　所有新的PICmicroMCU(PIC16和PIC18兩個(gè)系列)都提供了Microchip得納瓦功耗管理技術(shù)。納瓦技術(shù)具有一系列非常有用地特性是針對功耗管理和魯棒性問(wèn)題的，所以非常適于用在公用儀表的設計中。事實(shí)上，納瓦器件不僅最多可提供7種工作模式，允許系統在任意時(shí)刻快速切換到最佳時(shí)鐘源。在上面的示例中，最佳功耗管理策略可以使用下列方案：

　　保持MCU處于休眠模式，以降低無(wú)任務(wù)時(shí)段的功耗

　　保持RTC功能使用的計時(shí)器處于活動(dòng)狀態(tài)（使用32kHz的輔助振蕩器）

　　定期喚醒器件低速執行小型任務(wù)（使用一個(gè)輔助振蕩器）

　　當檢測到需要更高級的功能時(shí)，主振蕩器將啟動(dòng)并執行高強度的任務(wù)（以較高功耗的短派動(dòng)快速執行）。

　　現在，給定功率資料（見(jiàn)圖六）的情況下，通過(guò)比較MCU執行每個(gè)任務(wù)所花費的時(shí)間百分百和選定工作模式的功耗大致可以算出整個(gè)應用的平均功耗?？紤]到大多數采用納瓦技術(shù)的PICmicro器件具有9種可選振蕩器模式（包括4種晶振模式、2種外部時(shí)鐘模式、2種外部RC振蕩器模式和1種在軟體控制下可提供多種時(shí)鐘頻率的內部振蕩器電路），納瓦技術(shù)的靈活性幾乎可以不受限制。

　　不穩定直流電源供電的儀表

　　直流供電的儀表（如水表和氣表）一般使用小型電池（無(wú)穩壓）供電。在這類(lèi)系統中，系統的待機或工作電流對整個(gè)系統的功耗影響很大。采用納瓦技術(shù)（如低待機電流、快速振蕩器起振模式和不同的軟體控制振蕩器模式）PICmicro器件在必要時(shí)可優(yōu)化性能和降低電流消耗。在大多數電池供電的應用中，整個(gè)系統的魯棒性依賴(lài)于MCU處理低壓、不穩定電池和由雜訊引發(fā)的事件的方式。

　　采用納瓦技術(shù)的PICmicro器件的寬工作電壓范圍（一般為2.0V到5.5V）特性大大簡(jiǎn)化了儀表設計，并可以延長(cháng)電池壽命。事實(shí)上，在此類(lèi)設計中可以省去穩壓器，獲取寶貴的電池電壓幅度，進(jìn)一步深度放電，來(lái)延長(cháng)電池壽命。Microchip也提供各種獨立的模擬器件，可用于系統監管或智慧電池管理。

　　提高可靠性對所有的儀表應用都極為關(guān)鍵，在不穩定電源供電的計量應用尤為突出。

　　所有的Microchip納瓦器件中除了傳統的看門(mén)狗計時(shí)器外，還集成了3個(gè)關(guān)鍵電路，以便提供更高的可靠性：

　　欠壓復位（Brown-outReset,BOR）:該選項是可編程的，用于在電源電壓下降帶門(mén)限值以下時(shí)復位MCU，防止器件在規定的工作電壓范圍外工作。

　　低壓檢測（Low-VoltageDetect,LVD）:該選項同樣是可編程的，用于在電源電壓下降到預定值（一般設置為略高于BOR的值）以下時(shí)產(chǎn)生中斷報警。該選項可在欠壓重定電路介入前將重要工作參數保存到非易失憶性記憶體中，以備事后安全恢復時(shí)使用。

　　故障保護時(shí)鐘監視器(Fail-SafeClockMonitor,FSCM):這是3者中最高級的功能。故障保護時(shí)鐘監視器不同于看門(mén)狗計時(shí)器，它由額外的電路構成，用于驗證外部時(shí)鐘源是否正常工作。當故障保護時(shí)鐘監視器檢測到時(shí)鐘因某種原因出現故障時(shí)，MCU時(shí)鐘會(huì )迅速切換到內部振蕩器，從而維持MCU繼續工作，使系統置于“安全”故障模式（例如，將重要資料保存到非易失憶性記憶體），并通知用戶(hù)。

　　最后，要牢記這一規則：幾乎所有可用于交流穩壓電源應用的器件同樣也可用于不穩定的直流電源應用中。