電子儀表中的關(guān)鍵部件及無線技術(shù)

　　無線技術(shù)

　　ZigBee/EEE802.15.4

　　ZigBee過去又稱為Hoverflies、RF-EasyLink或FireFly無線電技術(shù)，是一種應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)，低傳輸資料速率下的各種電子設(shè)備之間的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee是專為低速（通常20-40kbps）和短距離（<100米）通信而設(shè)計的，很適合將電表，氣表和水表通過網(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)時間很短，其次在非工作模式是，ZigBee節(jié)點(diǎn)處于休眠模式。設(shè)備搜索時延長一般為30ms,休眠啟動延長為15ms,活動設(shè)備通道接入時延為15ms，由于工作時間較短，收發(fā)資訊功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee節(jié)點(diǎn)非常省電，ZigBee節(jié)點(diǎn)的電池工作時間可以長達(dá)6個月到2年左右，同時，由于電池時間取決于很多因素，例如電池種類、容量和應(yīng)用場合，ZigBee技術(shù)在協(xié)定上對電池使用也做了優(yōu)化，驗(yàn)？性電池可以使用數(shù)年，對于某些工作時間和總時間（工作時間+休眠時間）之比小于1%的情況，電池的壽命甚至可以超過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(jī)制。在這種完全確認(rèn)的資料傳輸機(jī)制下，當(dāng)有資料傳送需求式則立刻傳送，發(fā)送的每個資料包都必須等待接收方得確認(rèn)回復(fù)，若沒有得到確認(rèn)資訊的回復(fù)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(tǒng)資訊傳輸?shù)目煽啃浴Ｍ瑫r為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送資料時的競爭和沖突。同時ZigBee針對時延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時延和休眠狀態(tài)啟動的時延都非常短。

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

　　一個ZigBee網(wǎng)路最多包括有255個ZigBee網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)，其中一個是主控（Master）設(shè)備，其余是從屬（slave）設(shè)備。若是通過網(wǎng)路協(xié)調(diào)器（Networkcoordinator）,整個網(wǎng)路最多可以支援超過64000個ZigBee網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)，再加上各個NetworkCoordinate可互相連接，整個ZigBee網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)的數(shù)目將十分可觀。

　　相容性：ZigBee技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)無縫集成。通過網(wǎng)路協(xié)調(diào)器（Coordinator）自動建立網(wǎng)路，采用載波偵聽/沖動檢測（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(quán)識別功能，在資料傳輸中提供了三級安全性。第一級實(shí)際是無安全方式，對于某種應(yīng)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(hù)，器件可以選擇這種方式來轉(zhuǎn)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防止非法器件獲取加密措施。第三級安全級別在資料轉(zhuǎn)移中采用屬于高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）的對稱密碼。AES可以用來保護(hù)資料靜荷和防止攻擊者冒充合法器件。

　　實(shí)現(xiàn)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)定免專利費(fèi)用。目前低速低功率的UWB晶片組的價格至少為20美元，而ZigBee的價格目標(biāo)僅為幾美分。

　　ZigBee協(xié)定使用IEEE802.15.4無線收發(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個頻段，允許在全國世界范圍內(nèi)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(yùn)行ZigBee協(xié)定機(jī)的MCU。

　　目前，Microchip可以提供2.4GHz收發(fā)器和免費(fèi)ZigBee協(xié)議機(jī)。其中其PICDEMZ在演示工具包是一個易于使用ZigBee無線通信協(xié)定開發(fā)和演示平臺，包括ZigBee協(xié)定機(jī)和兩塊帶有RF子板的PICDEMZ板。該演示板還帶有一個6引腳標(biāo)準(zhǔn)連接器，用于直接與Microchip的MPLABICD2線上調(diào)試器（DV164005）界面。使用MPLABICD2，開發(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，開發(fā)和調(diào)試應(yīng)用程式碼。

　　(2)Z-WAVE

　　Z-WAVE是Zensy開發(fā)的專用協(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(nèi)控制應(yīng)用上。在功能上它與ZigBee類似，適合連接水表、氣表和電表?，F(xiàn)在出了Zensy開發(fā)的模組外，還有沒有其他嵌入式模組。Zensy也提供單晶片器件。

　　(3)紅外線

　　紅外技術(shù)雖然經(jīng)常會被忽略，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(shù)配置和資料傳輸。它遵循幾個標(biāo)準(zhǔn)：ANSIC12.18是有關(guān)連接器安裝物理尺寸的標(biāo)準(zhǔn)；IEC62056規(guī)范是紅外線通信相關(guān)的協(xié)定和目錄。

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

　　(4)專用短距離無線通信

　　現(xiàn)在市場上充斥著大量短距離無線通信設(shè)備。這些設(shè)備覆蓋314、433、868、和915MHz頻段，比特率最高可達(dá)100kaps。諸如Chinpcon、Micrel、Microchip公司提供獨(dú)立收發(fā)器和集成解決方案（收發(fā)器加MCU）。此類設(shè)計所面臨的挑戰(zhàn)是協(xié)議機(jī)要由設(shè)計者創(chuàng)建。這樣將一個原本很簡單的應(yīng)用程序分成了兩個應(yīng)用程式：主應(yīng)用程式和RF協(xié)定。幸運(yùn)的是有些制造商已經(jīng)開發(fā)了簡單協(xié)定，從而縮短了工程進(jìn)度。(5)GSM/GPRS/CDMA蜂窩式無線通信

　　另一個可行的技術(shù)是GSM/GPRS/CDMA數(shù)據(jù)機(jī)。它們非常適合遠(yuǎn)端計量應(yīng)用。例如，用于灌溉莊稼的水泵可能需要一個水表和一個電表。由于水泵的遠(yuǎn)端特性，可能需要一個蜂窩式數(shù)據(jù)機(jī)將水泵資訊傳送給檢測站。派專人去讀取儀表資料是不切實(shí)際的，因?yàn)槁吠竞苓h(yuǎn)要花費(fèi)很長的時間，所需費(fèi)用遠(yuǎn)超過數(shù)據(jù)機(jī)硬體的成本。公用事業(yè)公司通常會有許多此類儀表，通過協(xié)商還能降低每月數(shù)據(jù)機(jī)的服務(wù)費(fèi)。

　　嵌入式蜂窩數(shù)據(jù)機(jī)大多使用簡單串列界面，并且使用標(biāo)準(zhǔn)AT命令集配置和使用電話。諸如Motorola、Sierra、Wireless和Falcom等公司都制造基于GSM/GPRS和CDMA的嵌入式數(shù)據(jù)機(jī)。

　　設(shè)計考慮：低功率

　　低功耗是水表和熱表的主要考慮指標(biāo)，因?yàn)檫@些儀表所處的位置通常沒有本地電源。

　　儀表應(yīng)用中需要考慮的另一個重要方面就是：在丟失主電源情況下要進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡凸墓芾砗途S持系統(tǒng)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(rèn)為是不安全的，在水表中通常使用直流電源。

　　交流穩(wěn)壓電源供電的儀表

　　交流供電儀表可通過標(biāo)準(zhǔn)電源插座獲得無限量的電能（一般最高限制為2W）。對于交流供電的公用儀表，當(dāng)計量單元丟失主電源時，智慧電源管理部件除了管理系統(tǒng)的全面操作外，還起到了至關(guān)重要的作用。因?yàn)楫?dāng)交流電源暫時切斷時，也許用戶正在使用燃?xì)?，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(tǒng)使用變壓器或無變壓器電源。要降低應(yīng)用成本和規(guī)模，有時可通過一個簡單的電抗分離的無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(shè)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(yīng)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(bǔ)償交流電源的損失，設(shè)計工程師通常會在設(shè)計儀表時添加某類備用電源系統(tǒng)，可以是大電容、超大電容或一個小型鋰電池。在啟用備用電源的情況下，整個系統(tǒng)的功耗特別是MCU的功耗變得至關(guān)重要。設(shè)計工程師常面臨的挑戰(zhàn)有

　　在上述情況條件下系統(tǒng)應(yīng)保持多長的啟動時間？

　　整個系統(tǒng)的待機(jī)電流是多少？

　　系統(tǒng)的工作電流是多少

　　如何優(yōu)化功耗和使器件性能（時鐘速度）快速適應(yīng)當(dāng)前的要求？

　　如何在不穩(wěn)定電池系統(tǒng)供電條件下可靠地工作？

　　如何通過集成欠壓復(fù)位、看門狗計時器和故障時鐘監(jiān)視電路增加系統(tǒng)可靠性？

　　如由于執(zhí)行不同任務(wù)時的工作負(fù)載也各不相同，如何更好地動態(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(zhí)行了以下任務(wù)：

　　及時時鐘更新—很小的任務(wù)，可以被編程為每秒執(zhí)行一次。

　　計數(shù)器遞增—也是一個很小的任務(wù)，可以在收到來自計量裝置的派動時（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）產(chǎn)生中斷。

　　偶爾需要MCU執(zhí)行高強(qiáng)度的計算任務(wù)。例如，通過IrDA或RS-485與儀表通信來自動讀表，或簡單地更新顯示或執(zhí)行一些計費(fèi)/記錄相關(guān)的功能。

　　所有新的PICmicroMCU(PIC16和PIC18兩個系列)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題的，所以非常適于用在公用儀表的設(shè)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(tǒng)在任意時刻快速切換到最佳時鐘源。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，以降低無任務(wù)時段的功耗

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

　　定期喚醒器件低速執(zhí)行小型任務(wù)（使用一個輔助振蕩器）

　　當(dāng)檢測到需要更高級的功能時，主振蕩器將啟動并執(zhí)行高強(qiáng)度的任務(wù)（以較高功耗的短派動快速執(zhí)行）。

　　現(xiàn)在，給定功率資料（見圖六）的情況下，通過比較MCU執(zhí)行每個任務(wù)所花費(fèi)的時間百分百和選定工作模式的功耗大致可以算出整個應(yīng)用的平均功耗?？紤]到大多數(shù)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鐘頻率的內(nèi)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(wěn)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（無穩(wěn)壓）供電。在這類系統(tǒng)中，系統(tǒng)的待機(jī)或工作電流對整個系統(tǒng)的功耗影響很大。采用納瓦技術(shù)（如低待機(jī)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器件在必要時可優(yōu)化性能和降低電流消耗。在大多數(shù)電池供電的應(yīng)用中，整個系統(tǒng)的魯棒性依賴于MCU處理低壓、不穩(wěn)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）特性大大簡化了儀表設(shè)計，并可以延長電池壽命。事實(shí)上，在此類設(shè)計中可以省去穩(wěn)壓器，獲取寶貴的電池電壓幅度，進(jìn)一步深度放電，來延長電池壽命。Microchip也提供各種獨(dú)立的模擬器件，可用于系統(tǒng)監(jiān)管或智慧電池管理。

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

　　所有的Microchip納瓦器件中除了傳統(tǒng)的看門狗計時器外，還集成了3個關(guān)鍵電路，以便提供更高的可靠性：

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

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

　　故障保護(hù)時鐘監(jiān)視器(Fail-SafeClockMonitor,FSCM):這是3者中最高級的功能。故障保護(hù)時鐘監(jiān)視器不同于看門狗計時器，它由額外的電路構(gòu)成，用于驗(yàn)證外部時鐘源是否正常工作。當(dāng)故障保護(hù)時鐘監(jiān)視器檢測到時鐘因某種原因出現(xiàn)故障時，MCU時鐘會迅速切換到內(nèi)部振蕩器，從而維持MCU繼續(xù)工作，使系統(tǒng)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。

　　最后，要牢記這一規(guī)則：幾乎所有可用于交流穩(wěn)壓電源應(yīng)用的器件同樣也可用于不穩(wěn)定的直流電源應(yīng)用中。