摘要：自德州儀器（TI）推出16位MSP430微控制器以來，超低功耗（ULP）微控制器（MCU）已風(fēng)靡了至少20年。從那時(shí)起，超低功耗解決方案即在傳感器、計(jì)量和種類繁多的電池供電型設(shè)備（如*、溫度計(jì)、手表等）領(lǐng)域呈雨后春筍之勢(shì)蔓延，驗(yàn)證了ULP系統(tǒng)方法是前途無量的策略。本文介紹了*超低功耗MCU、zui高性能RF收發(fā)器（適合低于1GHz的通信）與電源系統(tǒng)解決方案的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手如何能助推新一代智能計(jì)量?jī)x表走紅歐洲內(nèi)外。此外，歐洲wM-Bus協(xié)議棧的日趨成熟和發(fā)展也為電池供電型燃?xì)獗怼⑺砗蜔岜淼拇笠?guī)模部署敞開了新機(jī)遇的大門。
　　
　　自德州儀器（TI）推出16位MSP430微控制器以來，超低功耗（ULP）微控制器（MCU）已風(fēng)靡了至少20年。從那時(shí)起，超低功耗解決方案即在傳感器、計(jì)量和種類繁多的電池供電型設(shè)備（如*、溫度計(jì)、手表等）領(lǐng)域呈雨后春筍之勢(shì)蔓延，驗(yàn)證了ULP系統(tǒng)方法是前途無量的策略。
　　
　　超低功耗技術(shù)已擴(kuò)展至RF收發(fā)器、傳感器、MCU以及適用于電池供電型應(yīng)用的所有類型芯片產(chǎn)品。同樣，只有顯著降低半導(dǎo)體產(chǎn)品的功耗，才有可能在平板電腦和智能手機(jī)等許多消費(fèi)類應(yīng)用中廣泛采用無線技術(shù)。
　　
　　人們普遍意識(shí)到，未來性增長(zhǎng)的良機(jī)將花落智能電網(wǎng)市場(chǎng)，其中包括燃?xì)獗怼岜怼⑺怼㈦姳怼崃糠峙浔淼扔?jì)量和輔助計(jì)量設(shè)備，以及可從計(jì)量裝置收集信息的智能電網(wǎng)家庭網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)集中器和數(shù)據(jù)收集器。智能電網(wǎng)和家域網(wǎng)（HAN）的聯(lián)袂攜手既有望使公用設(shè)施降低高峰電力需求（而這反過來又有助于減少興建新電廠的需求），也有望通過家庭自動(dòng)化為消費(fèi)者節(jié)省成本并增加舒適感。
　　
　　本文介紹了*超低功耗MCU、zui高性能RF收發(fā)器（適合低于1GHz的通信）與電源系統(tǒng)解決方案的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手如何能助推新一代智能計(jì)量?jī)x表走紅歐洲內(nèi)外。此外，歐洲wM-Bus協(xié)議棧的日趨成熟和發(fā)展也為電池供電型燃?xì)獗怼⑺砗蜔岜淼拇笠?guī)模部署敞開了新機(jī)遇的大門。
　　
　　本文還介紹了如何采用868MHz與169MHz頻段的流行版wM-BusRF通信為歐洲市場(chǎng)構(gòu)建智能儀表（燃?xì)獗?/a>、水表、熱表）模塊;并就如何實(shí)施與優(yōu)化燃?xì)獗怼⑺砗蜔岜淼膚M-Bus解決方案提供了實(shí)用性建議。
　　
　　1.RF通信的歐洲版標(biāo)準(zhǔn)
　　
　　歐洲對(duì)低于1GHz通信的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是ETSI300220-1V2.3.1（2010年2月）。面向計(jì)量應(yīng)用的既定868MHz和433MHz免*ISM頻段有所擴(kuò)展，在抄表應(yīng)用中可以是頻段為169.400MHz的一個(gè)75kHz窄帶。允許的zui大發(fā)射功率為+500mW（等于+27dBm），占空比<=10%。通道間隔為50kHz或以下;還可用LBT（載波偵聽）或AFA（自適應(yīng)頻率捷變）通道接入，但二者都不是強(qiáng)制性的。
　　
　　顯然，比起頻段為868MHz、發(fā)射功率為+25mW（等于+14dBm）的現(xiàn)有wM-Bus解決方案，頻段為169MHz、發(fā)射功率為+27dBm的低成本RF鏈接能提供更的覆蓋范圍（見圖1）。請(qǐng)注意，“舊型”T模式與“新型”C模式各采用兩種不同的頻率，一種用于儀表至數(shù)據(jù)收集器方向，另一種則用于從數(shù)據(jù)收集器至儀表方向的鏈接。

　　

　　圖1：WMBus的S、T及C模式與ETSI300220v2.3.1的關(guān)系

　　
　　在T模式下，頻段為868.3MHz的數(shù)據(jù)收集器發(fā)射功率zui大為+14dBm;在C模式下，頻段為869.525MHz的數(shù)據(jù)收集器發(fā)射功率則高達(dá)+27dBm。
　　
　　在歐洲人口密集地區(qū)部署智能儀表時(shí)，由于高樓大廈林立，多重混凝土與磚墻擋在不同的RF節(jié)點(diǎn)之間，導(dǎo)致RF環(huán)境極為不利，所以RF計(jì)量解決方案的覆蓋范圍是有待解決的zui大難題。事實(shí)證明，現(xiàn)有的ZigBeeSE1.1產(chǎn)品在英國(guó)城市地區(qū)未能提供足夠的城市覆蓋范圍，這正是基于Zigbee®的2.4GHz解決方案的主要缺點(diǎn)。頻段為169MHz的新一代wM-Bus啟動(dòng)型智能儀表目的就是要解決在意大利或法國(guó)等國(guó)家的覆蓋范圍問題。
　　
　　擴(kuò)大169MHzRF鏈接的覆蓋范圍可避免使用中繼器并去除儀表的重復(fù)功能，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)，降低網(wǎng)絡(luò)的總成本。功能較少意味著軟件的復(fù)雜度有所降低，因此對(duì)計(jì)量節(jié)點(diǎn)的閃存和RAM容量要求就更低，也就縮短了產(chǎn)品的開發(fā)和認(rèn)證流程。
　　
　　1.1適用于燃?xì)獗怼⑺砘驘岜淼男滦蛍M-Bus模式
　　
　　在EN13757-4：2011年（也稱為wM-Bus）文件的草案中介紹了符合ETSI300220v2.3.1標(biāo)準(zhǔn)的新型“N”模式物理層（PHY）。75kHz的帶寬被分成6個(gè)12.5kHz的窄帶通道。規(guī)定其中四個(gè)通道采用GFSK調(diào)制方式，速率為4.8kbps;另兩個(gè)通道也采用GFSK調(diào)制方式，速率為2.4kbps。
　　
　　還規(guī)定了二次通信鏈接，采用4GFSK調(diào)制方式，速率能達(dá)到19.2kbps，目的是在可選的多跳鏈接（圖2）中優(yōu)化數(shù)據(jù)吞吐量。

　　

　　圖2：wM-Bus的N模式（根據(jù)EN13757-4：2011年草案文件）

　　
　　在法國(guó)對(duì)169MHz系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試已經(jīng)證明，可達(dá)覆蓋范圍的拓寬能顯著簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。隨著169MHz數(shù)據(jù)收集器的合理部署，在歐洲實(shí)現(xiàn)無中繼器的智能電網(wǎng)已不再是天方夜譚。

　　

　　圖3：wM-Bus的N模式與ETSI300220v2.3.1的關(guān)系（來源：EN13757-4：2011年草案）

　　
　　圖3展示了新型wM-Bus的N模式，這個(gè)169MHz的窄帶解決方案將是未來幾個(gè)歐洲國(guó)家燃?xì)獗砗退戆惭b的理想選擇。
　　
　　2.采用wM-Bus的智能燃?xì)獗砑軜?gòu)
　　
　　在*基于電子組件的智能儀表內(nèi)，主要構(gòu)建模塊包括：
　　
　　•計(jì)量部件的傳感器
　　
　　•可處理傳感器數(shù)據(jù)并計(jì)算出消耗的超低功耗MCU
　　
　　•通信系統(tǒng)
　　
　　•電源系統(tǒng)
　　
　　在現(xiàn)今的燃?xì)獗碇校瑐鞲胁糠郑▓D4）可報(bào)告流量吞吐量（常通過一個(gè)舌簧開關(guān)）以及確切的燃?xì)鈮毫蜏囟葴y(cè)量值。MCU主模塊則處理傳感器數(shù)據(jù)，并將燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)成標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)量以供客戶計(jì)費(fèi)之需。
　　
　　通常情況下，還有一個(gè)可遠(yuǎn)程（如通過wM-Bus鏈接）控制的電動(dòng)閥。此外，在一些國(guó)家也要求有預(yù)付費(fèi)選項(xiàng)。

　　

　　圖4：智能燃?xì)獗恚l段為169MHz或868MHz，wM-Bus作為一個(gè)低于1GHz的RF鏈接）

　　
　　對(duì)于水表和熱表而言，目前zui常用的傳感器均通過測(cè)定旋轉(zhuǎn)速度和方向來檢測(cè)流量。
　　
　　熱表是一種有附加溫度測(cè)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(jǐn)記水表、熱表和燃?xì)獗砭峭ㄟ^電池供電的，這就意味著超低功耗是一個(gè)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)化電池壽命的電源解決方案*。
　　
　　3.wM-BusRF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(shí)現(xiàn)的一個(gè)例子是帶868MHzRF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(shí)際應(yīng)用中，發(fā)射輸出功率為+10至+12dBm（在天線端口的測(cè)量值）且天線增益高達(dá)+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(jī)器件）本身即可在+14dBmEIRP的ETSI300220限制范圍內(nèi)提供*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+27dBmEIRP限制可實(shí)現(xiàn)的覆蓋范圍。此外，頻段為869.525MHz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(yīng)用。對(duì)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(gè)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(lán)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RF前端@169MHz）

　　

　　圖5：基于TIMCU與RF器件的wM-BusRF子系統(tǒng)方框圖

　　
　　事實(shí)上，圖5的RF子系統(tǒng)代表一個(gè)完整的RF模塊，它一般通過UART連接到主控MCU。在這種情況下，MCU（橙色模塊）將運(yùn)行wM-Bus堆棧以及一個(gè)串行協(xié)議應(yīng)用，以便連接到主應(yīng)用MCU。
　　
　　第二個(gè)選項(xiàng)是讓wM-Bus堆棧在應(yīng)用MCU上運(yùn)行并通過SPI接口連接到RF器件，*避免串行協(xié)議應(yīng)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?yàn)閮煞N架構(gòu)都有優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)注意事項(xiàng)如下：
　　
　　1.計(jì)量部件和wM-Bus堆棧的認(rèn)證。
　　
　　2.實(shí)時(shí)性要求：計(jì)量和RF通信均屬時(shí)間關(guān)鍵型任務(wù)，有時(shí)甚至需要MCU同時(shí)運(yùn)行計(jì)量和通信任務(wù)。
　　
　　3.固件的現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)：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(jì)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(dú)立的價(jià)格和/或性能優(yōu)化，在選擇MCU和RF器件時(shí)可實(shí)現(xiàn)更高的靈活性。通常情況下，有多個(gè)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(hù)計(jì)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(huì)使計(jì)量部件的認(rèn)證更復(fù)雜。
　　
　　4.具有FRAM的超低功耗MSP430MCU—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(shì)。MSP430FRAMMCU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(chǔ)改變內(nèi)存分區(qū)，無需*獨(dú)立的EEPROM和電池供電型SRAM。
　　
　　采用這種基于FRAM的MSP430MCU來運(yùn)行wM-Bus堆棧是一種必然的選擇，也是當(dāng)今可用的zui低功耗解決方案。根據(jù)功能而配置的wM-Bus堆棧相對(duì)簡(jiǎn)單，能在12至30KByte代碼間變化，可輕松安裝于的TI金剛狼器件之內(nèi)。FRAM的逐位寫入能力允許在現(xiàn)場(chǎng)的差分軟件升級(jí)，可降低傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而能運(yùn)行在比特率極低的wM-BusN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(jí)功能。對(duì)當(dāng)前正部署的任何類型智能儀表而言，遠(yuǎn)程固件升級(jí)通常都被認(rèn)為是“必須擁有”的功能。
　　
　　5.結(jié)論
　　
　　電源管理器件、超低功耗FRAMMCU等技術(shù)結(jié)合計(jì)量加速器和低于1GHz的高性能RF器件，可推動(dòng)新一代智能計(jì)量?jī)x表耀世登場(chǎng)。
　　
　　德州儀器（TI）可為智能儀表和智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施提供廣泛系列的器件。
　　
　　TI高性能CC1120RF收發(fā)器產(chǎn)品系列可滿足wM-Bus標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)Hr（zui別）接收機(jī)的性能。
　　
　　TI高性能CC1120是RF收發(fā)器，可*支持接收只有16位簡(jiǎn)短前導(dǎo)碼的N模式報(bào)文，還可*實(shí)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(shí)間和只有4位的前導(dǎo)碼檢測(cè)等*的特性，CC1120平臺(tái)對(duì)于當(dāng)前頻段為868MHz、433MHz或169MHz的所有wM-Bus解決方案而言均是的RF選擇。CC1120的WaveMatch特性可在儀表的所有wM-Bus模式下同時(shí)支持A和B兩個(gè)框架。
　　
　　基于FRAM的新型MSP430MCU開創(chuàng)了超低功耗標(biāo)準(zhǔn)的里程碑，代表著技術(shù)上的又一次重大飛躍。現(xiàn)在，客戶能借助所有這些可用組件來著手設(shè)計(jì)具有169MHz、433MHz或868MHzwM-Bus子系統(tǒng)的新一代智能儀表。