Si4432在无线抄表设备上的应用

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无线抄表来源于90年代成立的有线抄表工作组，最初工作组专注于在仪表系统中有线抄表的研究，后来有线抄表成为了欧洲标准EN1434的一部分。
随着无线抄表的引入，标准化工作被转移到了技术委员会(TC)294，TC294创建了新的欧洲标准EN13757-Communication system for meters and remote reading of meters。这个标准当前由以下部分组成：
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EN13757-1:2002 数据交换
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EN13757-2:2004 物理层和数据链路层
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EN13757-3:2004 应用层
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EN13757-4:2005 无线读表器
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prEN13757-5:2007 中继
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prEN13757-6:2007 数据交换
其中第4部分EN13757-4为无线读表器，专注仪表和无线读表器之间的通信。
无线抄表基础
一般的无线抄表系统主要包括两大类设备，如图1所示，一类是仪表（如水表、气表和电表等），另一类是其他（如读表器或集中器等）。
图1：无线抄表系统
仪表（气表、水表等）通常不能直接连接到主供电系统，一般采用电池供电，因此它们获得的能量是有限的。为了尽量降低功耗，大多数时间里仪表处于休眠模式，仅在很短的时隙中醒来发射数据；而读表器也从来不主动发送数据给处于休眠状态的仪表。双向通信是可行的，一般仪表在发送时隙完成后，进入接收时隙，这时读表器可以传送信息给仪表。更换仪表的
成本相当高，因此为仪表供电的电池一般需要提供几年的能量，不同的国家可能有不同的要求。
无线抄表的寻址模式来源于有线抄表，仅仪表设备有地址，并且收发数据采用相同的地址。因此，读表器必须有一个仪表设备地址表，记录需要处理的所有仪表地址，这个过程一般在系统安装阶段进行。
通常无线抄表系统(图2d)可以完全替代有线抄表系统(图2a)，但是两种系统也能组合在一起，形成一个新系统（图2b，图2c）。
图2：不同的抄表与/或无线抄表系统
另一种常见的有线与无线抄表结合的模式，如图3所示。
图3：有线与无线抄表组合模式图
无线抄表标准（EN13757-4:2005）专注仪表和远程无线读表器之间的通信，利用ISM频段868-870MHz进行无线数据传输。
Si4432无线收发器
Si4432无线收发器是Silicon Labs公司EZRadioPro产品线中的一款非常有代表性的芯片，支持频率范围240-930MHz，输出功率最大为+20dBm，灵敏度达-117dBm。EZRadioPro产品线成员，如表1所示。
Si4430
频率范围=900-960MHz；输出功率=+13dBm；灵敏度=-117dBm
Si4431
频率范围=240-930MHz；输出功率=+13dBm；灵敏度=-117dBm
收发器芯片
Si4432
频率范围=240-930MHz；输出功率=+20dBm；灵敏度=-117dBm
接收器芯片
Si4330
频率范围=240-960MHz；灵敏度=-117dBm
Si4230
频率范围=900-960MHz；输出功率=+13dBm;
发射器芯片
Si4231
频率范围=240-930MHz；输出功率=+13dBm;
表1：EZRadioPro无线收发器产品系列
Si4432控制接口
Si4432与主机MCU之间的通信是通过SPI总线实现的，主要涉及SCLK、SDI、SDO和nSEL四个引脚。通常一个SPI总线读写操作由以下几部分组成：读写标志（1bit），地址（7bit）和数据（8bit）。读写标志位指示当前操作是读还是写；7位地址指示操作对象，可寻址128个8位控制寄存器中的任意一个；数据域包含写入或读出的si4432内部寄存器的内容。在
每8个时钟信号后，Si4432锁存地址或数据域中的内容。Si4432中SCLK串行时钟信号的速率可灵活设定，最大可达10MHz。
SPI总线时序图，如图4所示。
图4：SPI时序
SPI串行接口的时序参数，如表2所示。
表2：SPI串行接口时序参数表
对于读操作，主机MCU发送16位读操作内容（读写标志位应设定为0，7位地址设定为要读取的寄存器地址，这时8位数据被忽略）后。在接下来的8个时钟信号周期中，每个周期的低电平阶段，被选择的寄存器内容中的各位被依次锁存到SDO总线上（高位在前，低位在后）。
SPI读模式下的时序，如图5所示。
图5：SPI读模式时序图
Si4432中SPI接口也支持一种连续读/写模式，这种模式下不需要重新发送寄存器地址。当nSEL为低电平时，不断的发送SCLK时钟信号，SPI接口将自动增加寄存器地址，寄存器中的内容被连续读出或写入，直到nSEL变为高电平为止。
连续写模式时序，如图6所示。
图6：SPI接口连续写模式
连续读模式时序，如图7所示。
图7：SPI接口连续读模式
Si4432状态与操作模式
Si4432主要存在于四中状态之一，这四种状态为：SHUTDOWN、IDLE、TX和RX（如图8所示）。在SHUTDOWN状态下功耗最低。有5中不同的IDLE模式，用户可以根据不同的应用灵活选择。这些状态或模式可以通过操作模式和功能控制寄存器07H设定。通过在寄存器07H中设定txon/rxon控制位可以从IDLE状态中的任一模式自动转移到TX/RX状态。不同模式/状态下转换需要的时间和功耗，见图9所示。
图8：状态机图
图9：模式/状态转换时序及功耗
频率控制
为了设定所需的调谐频率，需要设定不同的内部寄存器，这可以通过手工计算每一个寄存器的设定值，也可以通过Silicon Labs提供的WDS工具或Excel计算器辅助计算。下面以Silicon Labs专为Si4432提供的Excel计算器为例，说明如何进行调制模式、载波频率、调谐频率等参数设置。Si4432 Excel计算器如图10所示（该Excel表可从Silabs网站上下载）。
图10： 频率控制设定辅助工具Excel计算表
主要进行5个步骤的设定：
第1步：选择或设定调制类型，曼彻斯特编码，晶体精度，数据率，频率离差。
第2步：设定载波频率，对于跳频应用，需要设定信道宽度和信号编号。
第3步：调制设定，对于GFSK/FSK，需要选择禁止或使能AFC，接收最大错误率；对于OOK，需要设定RX带宽。
第4步：根据需要选择FIFO模式设定或PH+FIFO模式设定。
第5步：在寄存器汇总页中，得到寄存器设定值。
Si4432支持3中不同的调制类型：GFSK、FSK和OOK，也可以设定为不调制，从而获得一个不调制的载波。如图11所示。
高斯移频键控调制GFSK（推荐）：Gaussian Frequency Shift Keying
移频键控调制FSK：Frequency Shift Keying
开关调制OOK：On-Off Keying
不调制
图11：调制模式设定
Si4432可以配置要调制的数据的来源有三种：FIFO模式，Direct模式和PN9模式。在Direct模式，TX调制数据可以来自GPIO引脚或SDI引脚。如图12所示。
图12：调制数据的来源
根据上面的介绍，si4432完全可以满足无线抄表标准对频率（868-870MHz）、速率（4.8kb/s、32.768kb/s和100kb/s）等参数的要求，可以用来实现无线抄表设备产品。
无线抄表设备的实现
源于90年代的无线抄表工作组，对户表数据的自动化抄送具有非常重大的意义。传统的手工抄表费时、费力，准确性和及时性得不到可靠的保障，这导致了相关营销和企业管理类软件不能获得足够详细和准确的原始数据。无线抄表系统可以摆脱人工抄表的办法，利用数据通讯协议传输数据。为了灵活配置不同的控制平台，一般无线抄表设备可分成两部分设计，一部分是无线收发模块（Si4432），另一部分是控制模式（单片机C8051F930）。
图13：共用天线设计方案
图14：双天线设计方案
无线抄表系统对数据可靠性要求很高，而且由于用电池供电，因此对功耗要求也很苛刻。数据处理单元的微控制器主要侧重于多项功能的开发，选择时主要从功能、抗干扰、功耗、速度等几个方面考虑。C8051F930是Silicon Labs公司推出的高性能、低功耗9系列单片机中的一款。该系列单片机具有集成度高、速度快、混合模拟信号处理、低压低功耗及兼容8051指令集等特点，因此软硬件设计十分方便，是仪表、手持设备中主控制器的理想选择。
图15：C8051F930结构图
C8051F930兼容8051指令系统，70%为单时钟周期指令，最大速率可达25MIPS。片内集成高效DC-DC转换器，成为业界首款可在0.9V电压下正常工作的单片机。支持单/双电池供电模式，单电池模式支持0.9-1.8V供电；双电池支持1.8-3.6V供电。
图16：单电池供电下，不同负载电路和电池电压下的DC-DC转换器效率图
通过极低的电流睡眠模式、快速唤醒、快速模数转换、低活动电流模式等技术，使得C8051F930有效降低功耗，最大化电池寿命。
图17：有效降低功耗，最大化电池寿命
Silicon Labs公司为C8051F930开发提供了完整的方案，多款开发板和软件工具，快速帮助用户快速上手，缩短产品设计周期。
由于无线抄表系统需要长期在线连续运行，对可靠性及长期稳定性要求很高，在设计时需尤其注意。在进行电路板设计时要注意布线的走向及整体的紧凑性，在电路和工艺设计上采用一些实际的抗干扰措施，例如合理布局、正确选择接地点、弱信号传输线屏蔽层单端接地等，以降低干扰水平。
无线抄表设备软件设计
采用Silicon Labs公司提供的集成开发环境IDE，即可完成该系统所有软件开发。软件开发部分主要包括主控程序、数据通讯程序、时钟程序、自检程序等。为保证抄表系统的低功耗要求，软件设计过程应始终贯穿考虑如何降低功耗。我们可以使主程序大部分时间处于睡眠状态，每隔一段时间来处理一下任务，并关掉未使用的模块等措施来降低系统功耗。
总结
由于采用了Silicon Labs公司高性能的Si4432及功能强大且性价比极高的微控制器C8051F930，可以完全实现满足无线抄表要求的仪表或读表器等设备，并对产品的可靠性、抗干扰、低功耗等方面进行了考虑，在开发板和相关文档资源及多种辅助设计工具的支持下，可快速开发出符合要求的无线抄表设备。
参考文献
[1] Si4432 Datasheet.pdf
[2]AN414_EZRadioPRO_Layout_Guide.pdf
[3]AN415-EZRadiPRO Programming Guide.pdf
[4]AN427-EZRADIOPRO. Si433X & Si443X RX LNA MATCHING.pdf
[5]AN3610_Wireless MBUS Implementation using EZRadioPRO devices.pdf
[6]Si4432_ANTDIV_TB_50ohm_NEC_WIDE_sch.pdf
[7]Silicon Labs wireless presentation CN.ppt
[8]EZRadio_EZRadioPRO_Solutions.pdf
[9]Si4432 Register Settings_RevV-v21.xls
[10]SDBC-DK3_UG.pdf
[11]WDS_Chip_Config_UG.pdf
[12]C8051F93x-92xDatasheet.pdf
[13]I.S.EN13757-4-2005.pdf
[14]an009_implementing_with_rc1180-mbus_wireless_抄表_module_1_0.pdf
[15]an010_wireless_抄表_to_wired_抄表_1_0.pdf
[16]mbus_user_manual_1_0.pdf
[17]Wireless Communication in Home and Building Automation.pdf
[18]抄表的原理和应用.pdf
[19]抄表网络远程抄表系统.pdf
[20]amb8425-m_ds_v1_3.pdf