新一代智能計量儀表詳解

圖 4：智能燃氣表(頻段為 169MHz 或 868MHz，wM-Bus 作為一個低于 1GHz 的 RF 鏈接)

對于水表和熱表而言，目前最常用的傳感器均通過測定旋轉(zhuǎn)速度和方向來檢測流量。

熱表是一種有附加精確溫度測量值的水表，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”。

重要的是謹記水表、熱表和燃氣表均是通過電池供電的，這就意味著超低功耗是一個重要的考慮因素。由于這三種類型的儀表用來安放電池的空間極為有限，所以用于優(yōu)化電池壽命的專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 實現(xiàn)的一個例子是帶 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。在實際應用中，發(fā)射輸出功率為 +10 至 +12dBm(在天線端口的測量值)且天線增益高達 +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)射機專用器件)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 應用。對 NAN 系統(tǒng)解決方案而言，由于目前尚沒有可提供 +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)硬件的兩個變體型(基于 EIRP 功率限制)：

1. 沒有外部功率放大器(圖 5 中的藍色模塊被去除)

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

事實上，圖 5 的 RF 子系統(tǒng)代表一個完整的 RF 模塊，它一般通過 UART 連接到主控 MCU。在這種情況下，專用 MCU(橙色模塊)將運行 wM-Bus 堆棧以及一個串行協(xié)議應用，以便連接到主應用 MCU。

第二個選項是讓 wM-Bus 堆棧在應用 MCU 上運行并通過 SPI 接口連接到 RF 器件，完全避免串行協(xié)議應用(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，因為兩種架構(gòu)都有優(yōu)缺點，重點注意事項如下：

1. 計量部件和 wM-Bus 堆棧的認證。

2. 實時性要求：計量和 RF 通信均屬時間關鍵型任務，有時甚至需要 MCU 同時運行計量和通信任務。

3. 固件的現(xiàn)場升級：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量和通信功能(雙 MCU 的方法)來保持他們的系統(tǒng)模塊化。通過獨立的價格和/或性能優(yōu)化，在選擇 MCU 和 RF 器件時可實現(xiàn)更高的靈活性。通常情況下，有多個引腳兼容的 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，但需要保護計量固件代碼以防止被篡改或避免其它來源的操作或故障，所以常會使計量部件的認證更復雜。

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 器件帶來了多重優(yōu)勢。MSP430 FRAM MCU 比閃存寫入速度提升 160 多倍，每比特能量消耗降低至少 250 倍，具有幾乎無限的擦寫次數(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)提供無與倫比的自由度。后者還允許開發(fā)人員為軟件中的程序或數(shù)據(jù)存儲改變內(nèi)存分區(qū)，無需完全獨立的 EEPROM 和電池供電型 SRAM。

采用這種基于 FRAM 的 MSP430 MCU 來運行 wM-Bus 堆棧是一種必然的選擇，也是當今可用的最低功耗解決方案。根據(jù)功能而配置的wM-Bus 堆棧相對簡單，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 的逐位寫入能力允許在現(xiàn)場的差分軟件升級，可降低傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而能運行在比特率極低的 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功能。對當前正部署的任何類型智能儀表而言，遠程固件升級通常都被認為是“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 等最新技術完美結(jié)合計量加速器和低于 1GHz 的高性能 RF 器件，可推動新一代智能計量儀表耀世登場。

德州儀器 (TI) 可為智能儀表和智能電網(wǎng)基礎設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 標準 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)實現(xiàn) Hr(最高級別)接收機的性能。

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

憑借極短的 AGC 趨穩(wěn)時間和只有 4 位的前導碼檢測等獨一無二的特性，CC1120 平臺對于當前頻段為 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 模式下同時支持 A 和 B 兩個框架。

基于 FRAM 的新型 MSP430 MCU 開創(chuàng)了超低功耗標準的里程碑，代表著技術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著手設計具有 169MHz、433MHz 或 868MHz wM-Bus 子系統(tǒng)的新一代智能儀表。