電子儀表中的關鍵部件及無線技術

　　無線技術

　　ZigBee/EEE802.15.4

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

　　ZigBee技術具有如下特點：

　　功耗低：工作模式情況下，ZigBee技術傳輸速率低，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)點處于休眠模式。設備搜索時延長一般為30ms,休眠啟動延長為15ms,活動設備通道接入時延為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)點非常省電，ZigBee節(jié)點的電池工作時間可以長達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、容量和應用場合，ZigBee技術在協(xié)定上對電池使用也做了優(yōu)化，驗？性電池可以使用數(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)送的每個資料包都必須等待接收方得確認回復，若沒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(tǒng)資訊傳輸?shù)目煽啃?。同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，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用。

　　一個ZigBee網(wǎng)路最多包括有255個ZigBee網(wǎng)路節(jié)點，其中一個是主控（Master）設備，其余是從屬（slave）設備。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，再加上各個NetworkCoordinate可互相連接，整個ZigBee網(wǎng)路節(jié)點的數(shù)目將十分可觀。

　　相容性：ZigBee技術與現(xiàn)有的控制網(wǎng)路標準無縫集成。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。第一級實際是無安全方式，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準（AES）的對稱密碼。AES可以用來保護資料靜荷和防止攻擊者冒充合法器件。

　　實現(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)定機和兩塊帶有RF子板的PICDEMZ板。該演示板還帶有一個6引腳標準連接器，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

　　紅外技術雖然經(jīng)常會被忽略，但是因其低成本和技術成熟等突出優(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。它遵循幾個標準：ANSIC12.18是有關連接器安裝物理尺寸的標準；IEC62056規(guī)范是紅外線通信相關的協(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。讀表器一般是運行資料讀取軟體的手持PDA或類似設備。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）。此類設計所面臨的挑戰(zhàn)是協(xié)議機要由設計者創(chuàng)建。這樣將一個原本很簡單的應用程序分成了兩個應用程式：主應用程式和RF協(xié)定。幸運的是有些制造商已經(jīng)開發(fā)了簡單協(xié)定，從而縮短了工程進度。(5)GSM/GPRS/CDMA蜂窩式無線通信

　　另一個可行的技術是GSM/GPRS/CDMA數(shù)據(jù)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水表和一個電表。由于水泵的遠端特性，可能需要一個蜂窩式數(shù)據(jù)機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際的，因為路途很遠要花費很長的時間，所需費用遠超過數(shù)據(jù)機硬體的成本。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)機的服務費。

　　嵌入式蜂窩數(shù)據(jù)機大多使用簡單串列界面，并且使用標準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。

　　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有本地電源。

　　儀表應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行適當?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準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，還起到了至關重要的作用。因為當交流電源暫時切斷時，也許用戶正在使用燃氣，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(tǒng)使用變壓器或無變壓器電源。要降低應用成本和規(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，設計工程師通常會在設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的功耗變得至關重要。設計工程師常面臨的挑戰(zhàn)有

　　在上述情況條件下系統(tǒng)應保持多長的啟動時間？

　　整個系統(tǒng)的待機電流是多少？

　　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）快速適應當前的要求？

　　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)行不同任務時的工作負載也各不相同，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：

　　及時時鐘更新—很小的任務，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，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)行高強度的計算任務。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/記錄相關的功能。

　　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。納瓦技術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計中。事實上，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（使用一個輔助振蕩器）

　　當檢測到需要更高級的功能時，主振蕩器將啟動并執(zhí)行高強度的任務（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)行每個任務所花費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用的平均功耗?？紤]到大多數(shù)采用納瓦技術的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)的待機或工作電流對整個系統(tǒng)的功耗影響很大。采用納瓦技術（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器件在必要時可優(yōu)化性能和降低電流消耗。在大多數(shù)電池供電的應用中，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計，并可以延長電池壽命。事實上，在此類設計中可以省去穩(wěn)壓器，獲取寶貴的電池電壓幅度，進一步深度放電，來延長電池壽命。Microchip也提供各種獨立的模擬器件，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用都極為關鍵，在不穩(wěn)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(tǒng)的看門狗計時器外，還集成了3個關鍵電路，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限值以下時復位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(shù)保存到非易失憶性記憶體中，以備事后安全恢復時使用。

　　故障保護時鐘監(jiān)視器(Fail-SafeClockMonitor,FSCM):這是3者中最高級的功能。故障保護時鐘監(jiān)視器不同于看門狗計時器，它由額外的電路構成，用于驗證外部時鐘源是否正常工作。當故障保護時鐘監(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)壓電源應用的器件同樣也可用于不穩(wěn)定的直流電源應用中。