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新一代智能计量仪表炫酷出炉

2012-10-23 18:48:02 来源:作者:Milen Stefanov,德州仪器 (TI)

 自德州仪器 (TI) 首次推出 16 位 MSP430 微控制器以来,超低功耗 (ULP) 微控制器 (MCU) 已风靡了至少 20 年。从那时起,超低功耗解决方案即在传感器、计量和种类繁多的电池供电型设备(如血糖仪、温度计、手表等)领域呈雨后春笋之势蔓延,验证了 ULP 系统方法是前途无量的绝佳策略。

 
超低功耗技术已扩展至 RF 收发器、传感器、MCU 以及适用于电池供电型应用的所有类型芯片产品。同样,只有显著降低半导体产品的功耗,才有可能在平板电脑和智能手机等许多消费类应用中广泛采用无线技术。
 
人们普遍意识到,未来全球性增长的良机将花落智能电网市场,其中包括燃气表、热表、水表、电表、热量分配表等计量和辅助计量设备,以及可从计量装置收集信息的智能电网家庭网关、数据集中器和数据收集器。智能电网和家域网 (HAN) 的联袂携手既有望使公用设施降低高峰电力需求(而这反过来又有助于减少兴建新电厂的需求),也有望通过家庭自动化为消费者节省成本并增加舒适感。
 
本文介绍了最佳超低功耗 MCU、最高性能 RF 收发器(适合低于 1GHz 的通信)与高级电源系统解决方案的强强联手如何能助推新一代智能计量仪表走红欧洲内外。此外,欧洲 wM-Bus 协议栈的日趋成熟和最新发展也为电池供电型燃气表、水表和热表的大规模部署敞开了新机遇的大门。
 
本文还介绍了如何采用 868MHz 与 169MHz 频段的流行版 wM-Bus RF 通信为欧洲市场构建智能仪表(燃气表、水表、热表)模块;并就如何实施与优化燃气表、水表和热表的 wM -Bus解决方案提供了实用性建议。
 
1. RF 通信的欧洲版标准
欧洲对低于 1GHz 通信的相关标准是 ETSI 300 220-1 V2.3.1( 2010 年 2月)。面向计量应用的既定 868 MHz 和 433 MHz 免授权 ISM 频段有所扩展,在抄表应用中可以是频段为 169.400MHz 的一个 75kHz 窄带。允许的最大发射功率为 +500mW(等于 +27dBm),占空比 <=10%。通道间隔为 50kHz 或以下;还可用 LBT(载波侦听)或 AFA(自适应频率捷变)通道接入,但二者都不是强制性的。
 
显然,比起频段为 868 MHz、发射功率为 +25mW( 等于 +14dBm )的现有 wM-Bus 解决方案,频段为 169MHz、发射功率为 +27dBm 的低成本 RF 链接能提供更卓越的覆盖范围(见图 1)。请注意,“旧型”T 模式与“新型”C 模式各采用两种不同的频率,一种用于仪表至数据收集器方向,另一种则用于从数据收集器至仪表方向的链接。
 
1WMBus ST C 模式与 ETSI 300220v2.3.1 的关系
 
在 T 模式下,频段为 868.3MHz 的数据收集器发射功率最大为 +14dBm;在 C 模式下,频段为 869.525MHz 的数据收集器发射功率则高达 +27dBm。
 
在欧洲人口密集地区部署智能仪表时,由于高楼大厦林立,多重混凝土与砖墙挡在不同的 RF 节点之间,导致 RF 环境极为不利,所以 RF 计量解决方案的覆盖范围是有待解决的最大难题。事实证明,现有的 ZigBee SE1.1 产品在英国城市地区未能提供足够的城市覆盖范围,这正是基于 Zigbee® 的 2.4GHz 解决方案的主要缺点。频段为 169MHz 的新一代 wM-Bus 启动型智能仪表目的就是要解决在意大利或法国等国家的覆盖范围问题。
 
扩大 169MHz RF 链接的覆盖范围可避免使用中继器并去除仪表的重复功能,从而简化系统架构,降低网络的总成本。功能较少意味着软件的复杂度有所降低,因此对计量节点的闪存和 RAM 容量要求就更低,也就缩短了产品的开发和认证流程。
 
1.1 适用于燃气表、水表或热表的新型 wM-Bus 模式
在 EN13757-4:2011 年(也称为 wM-Bus)文件的最新草案中介绍了符合 ETSI 300220v2.3.1 标准的新型“ N”模式物理层 (PHY)。75 kHz 的带宽被分成 6 个 12.5 kHz 的窄带通道。规定其中四个通道采用 GFSK 调制方式,速率为4.8kbps;另两个通道也采用 GFSK 调制方式,速率为 2.4kbps。
 
还规定了二次通信链接,采用 4 GFSK 调制方式,速率能达到 19.2kbps,目的是在可选的多跳链接(图 2)中优化数据吞吐量。
 
2wM-Bus N 模式(根据 EN13757-42011 年草案文件)
 
在法国对 169MHz 系统的现场测试已经证明,可达覆盖范围的拓宽能显著简化网络架构。随着 169MHz 数据收集器的合理部署,在欧洲实现无中继器的智能电网已不再是天方夜谭。
 
3wM-Bus N 模式与 ETSI 300220v2.3.1 的关系(来源:EN13757-42011 年草案)
 
图 3 展示了新型 wM-Bus 的 N 模式,这个 169MHz 的窄带解决方案将是未来几个欧洲国家燃气表和水表安装的理想选择。
 
2. 采用 wM-Bus 的智能燃气表架构
在完全基于电子组件的智能仪表内,主要构建模块包括:
在现今的燃气表中,传感部分(图 4)可报告流量吞吐量(常通过一个舌簧开关)以及确切的燃气压力和温度测量值。MCU 主模块则处理传感器数据,并将燃气流量调节成标准化的数量以供客户计费之需。
 
通常情况下,还有一个可远程(如通过 wM-Bus 链接)控制的电动阀。此外,在一些国家也要求有预付费选项。
 
4:智能燃气表(频段为 169MHz 868MHzwM-Bus 作为一个低于 1GHz RF 链接)
 
对于水表和热表而言,目前最常用的传感器均通过测定旋转速度和方向来检测流量。
 
热表是一种有附加精确温度测量值的水表,用于捕获前向和后向流量的温度。添加 RF 子系统(如低于 1GHz 或 2.4GHz 的通信模块)的方式可使热表和水表“智能化”。
 
重要的是谨记水表、热表和燃气表均是通过电池供电的,这就意味着超低功耗是一个重要的考虑因素。由于这三种类型的仪表用来安放电池的空间极为有限,所以用于优化电池寿命的专用电源解决方案必不可少。
 
3. wM-Bus RF 子系统的硬件 (HW) 架构
根据所使用的频带或发射功率,wM-Bus 子系统可用于家域网 (HAN) 或邻域网 (NAN) 通信。HAN 实现的一个例子是带 868MHz RF 链接的智能仪表,采用了 wM-Bus 协议的 S、T、或新型 C 模式。在实际应用中,发射输出功率为 +10 至 +12dBm(在天线端口的测量值)且天线增益高达 +2dBi 的 RF 芯片(用于双向通信的收发器或用于单向通信的发射机专用器件)本身即可在+14 dBm EIRP 的 ETSI300220 限制范围内提供最佳的解决方案。
 
面向智能仪表的 NAN 解决方案通常工作在 169MHz 频段,该情况下 +27dBm EIRP 限制可实现卓越的覆盖范围。此外,频段为 869.525 MHz 的 C2 模式( 仅用于从数据收集器至仪表方向)可采用 +27dBm 限制子带,适合 NAN 应用。对 NAN 系统解决方案而言,由于目前尚没有可提供 +27dBm 发射输出功率的集成式 RF 收发器芯片,所以需要添加外部功率放大器。
 
wM-Bus 子系统硬件的两个变体型(基于 EIRP 功率限制):
1. 没有外部功率放大器(图 5 中的蓝色模块被去除)
2. 有外部功率放大器和可选的 LNA(如 TI 的 CC1190 @ 868MHz 或专用 RF 前端 @169MHz)
 
5:基于 TI MCU RF 器件的 wM-Bus RF 子系统方框图
 
事实上,图 5 的 RF 子系统代表一个完整的 RF 模块,它一般通过 UART 连接到主控 MCU。在这种情况下,专用 MCU(橙色模块)将运行 wM-Bus 堆栈以及一个串行协议应用,以便连接到主应用 MCU。
 
第二个选项是让 wM-Bus 堆栈在应用 MCU 上运行并通过 SPI 接口连接到 RF 器件,完全避免串行协议应用(删除图 5 中的橙色模块)。提前弄清智能仪表的软硬件分区非常重要,因为两种架构都有优缺点,重点注意事项如下:
  1. 计量部件和 wM-Bus 堆栈的认证。
  2. 实时性要求:计量和 RF 通信均属时间关键型任务,有时甚至需要 MCU 同时运行计量和通信任务。
  3. 固件的现场升级:适用于 RF 通信和/或整套仪表。
由于这些原因,制造商往往更喜欢分离计量和通信功能(双 MCU 的方法)来保持他们的系统模块化。通过独立的价格和/或性能优化,在选择 MCU 和 RF 器件时可实现更高的灵活性。通常情况下,有多个引脚兼容的 MCU 或 RF 衍生工具,可提供更高的性能和更多的功能。
 
单一的 MCU 解决方案可节省一些成本,但需要保护计量固件代码以防止被篡改或避免其它来源的操作或故障,所以常会使计量部件的认证更复杂。
 
4. 具有 FRAM 的超低功耗 MSP430 MCU 可使功耗降低 50%
TI 新型“金刚狼”MSP430 微控制器产品系列在超低功耗方面真正有所突破,也为基于闪存的传统型 MCU 器件带来了多重优势。MSP430 FRAM MCU 比闪存写入速度提升 160 多倍,每比特能量消耗降低至少 250 倍,具有几乎无限的擦写次数(>1014次),在所有电源模式下均可确保数据保存能力,并借助统一的内存架构提供无与伦比的自由度。后者还允许开发人员为软件中的程序或数据存储改变内存分区,无需完全独立的 EEPROM 和电池供电型 SRAM。
 
采用这种基于 FRAM 的 MSP430 MCU 来运行 wM-Bus 堆栈是一种必然的选择,也是当今可用的最低功耗解决方案。根据功能而配置的wM-Bus 堆栈相对简单,能在 12 至 30KByte 代码间变化,可轻松安装于最新的 TI 金刚狼器件之内。FRAM 的逐位写入能力允许在现场的差分软件升级,可降低传输的数据量,从而能运行在比特率极低的 wM-Bus N 模式下,数据传输速率仅为 2.4 或 4.8kbps。
 
极低的功耗与快速写入能力相得益彰,可为 wM-Bus 堆栈和智能仪表的其它软件部件均提供固件升级功能。对当前正部署的任何类型智能仪表而言,远程固件升级通常都被认为是“必须拥有”的功能。
 
5. 结论
高效电源管理器件、超低功耗 FRAM MCU 等最新技术完美结合计量加速器和低于 1GHz 的高性能 RF 器件,可推动新一代智能计量仪表耀世登场。
 
德州仪器 (TI) 可为智能仪表和智能电网基础设施提供广泛系列的器件。
 
TI 高性能 CC1120 RF 收发器产品系列可满足 wM-Bus 标准 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)实现 Hr(最高级别)接收机的性能。
 
TI 高性能 CC1120 是首款 RF 收发器,可完全支持接收只有 16 位简短前导码的 N 模式报文,还可完全实现所需的 T 模式接收性能,数据速率变化为 +-12 % (88-112kbps),没有任何数据包损失。
 
凭借极短的 AGC 趋稳时间和只有 4 位的前导码检测等独一无二的特性,CC1120 平台对于当前频段为 868MHz、433MHz 或 169MHz 的所有 wM-Bus 解决方案而言均是最好的 RF 选择。CC1120 的 WaveMatch 特性可在仪表的所有 wM-Bus 模式下同时支持 A 和 B 两个框架。
 
基于 FRAM 的新型 MSP430 MCU 开创了超低功耗标准的里程碑,代表着技术上的又一次重大飞跃。现在,客户能借助所有这些可用组件来着手设计具有 169MHz、433MHz 或 868MHz wM-Bus 子系统的新一代智能仪表。
 
参考文献:
  1. “仪表通信系统和仪表远程读数 — 第 3 部分:专用应用层”,英文版本 prEN13757­3:2011 年
  2.  “仪表通信系统和仪表远程读数 — 第 4 部分:无线仪表读数”,英文版本 prEN 13757-4:2011 年
  3. TI 产品说明书:CC1120 与 CC1125
  4. OMS 产品规格:http://www.zvei.org/index.php?id=4731
  5. TI FRAM 金刚狼平台:http://www.ti.com/wolverine
  6. TI 完整的 wM -Bus 解决方案:http://www.ti.com/lit/ml/slyt433/slyt433.pdf
作者简介:
Milen Stefanov 是德州仪器 (TI) 公司智能电网解决方案部的系统应用工程师。
 
Milen Stefanov 负责领导 TI 在 wMBus 领域的各项活动,同时还是智能电网低于 1GHz RF 解决方案的专家。
 
Milen 在 TI 半导体集团有超过 9 年的丰富经验,在此期间,他曾先后在现场和系统应用部门任职。目前,他与燃气表、水表和电子式电表(或分项计量装置)以及面向仪表读数的固定通信网络等所有计量应用领域的客户打交道。
 
Milen 还拥有德国开姆尼茨工业大学 (TU Chemnitz) 的电气工程硕士学位(数据通信)。

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