基于瑞薩處理器的無線電力抄表系統(tǒng)設(shè)計

Design of Wireless Power Meter Reading System Based on Renesas Processor

Tan Zhouwen / Ma Ziji / Guo Liang / Zhong Guangchao

基于瑞薩處理器的無線電力抄表系統(tǒng)設(shè)計

譚周文1，2/ 馬子驥2/ 郭亮2/ 鐘廣超2

(1. 湖南人文科技學(xué)院信息科學(xué)與工程系，湖南 婁底 417000； 2. 湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

摘要針對智能電表的需求，設(shè)計了基于瑞薩處理器的無線低功耗電力抄表系統(tǒng)。系統(tǒng)以瑞薩RL78系列單片機(jī)作為主處理器，以Si4432作為無線通信模塊，構(gòu)建了一個無線電力抄表模塊。對構(gòu)建的模塊進(jìn)行了點(diǎn)對點(diǎn)和穿墻能力測試，現(xiàn)場測試結(jié)果表明，該模塊具有成本低、功耗小、通信可靠的特點(diǎn)，可滿足電力無線抄表的需求。

關(guān)鍵詞無線抄表 瑞薩RL78 低功耗

AbstractAccording to the demand of intelligent electric meter, a low-power wireless power meter reading system based on Renesas processor is designed. Renesas RL78 is selected as the main control processor and Si4432 as the wireless communication module to build a wireless power meter module, point to point test and through wall test were implemented with the designed module. Field test results show that the system has the advantages of low cost, low power consumption and reliable communication ability, which can meet the demand of electric power wireless meter reading.

Keywordswireless meter reading， Renesas RL78， low power consumption

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳一般項(xiàng)目(14C0596),湖南省科技計劃項(xiàng)目(2014WK3001),湖南省博士后基金項(xiàng)目(2014M562100)

0 引言

目前，電力抄表方式大致劃分為三種：1)預(yù)付費(fèi)方式；2)傳統(tǒng)的人工抄表，該方式存在漏抄、錯抄的現(xiàn)象，用戶用電量記錄繁瑣，影響供電部門的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會形象；3)遠(yuǎn)程抄表，監(jiān)控中心通過遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)自動獲取遠(yuǎn)程儀表采集到的數(shù)據(jù)，這種方式需要架設(shè)大量的傳輸路線和集中控制器，在建設(shè)、運(yùn)營和維護(hù)等方面工作量很大。新型的無線抄表技術(shù)能夠降低人為因素導(dǎo)致的錯抄、漏抄現(xiàn)象，還可以避免入戶抄表收費(fèi)所帶來的麻煩和不必要的糾紛[1]。遠(yuǎn)程抄表方式不僅能提高管理部門的整體工作效率，也能解決用戶用電、用氣、用水付費(fèi)困難的問題，滿足人們的日常需求，適應(yīng)時代的發(fā)展。當(dāng)前，針對無線技術(shù)所設(shè)計的抄表系統(tǒng)已經(jīng)比較常見，但大部分的設(shè)計都是針對常用的處理器而設(shè)計的，本文考慮到無線抄表的低功耗需求，提出了一款針對瑞薩單片機(jī)的無線抄表系統(tǒng)，采用瑞薩公司的RL78系列芯片作為主控芯片，Silicon Labs的Si4432芯片作為無線通信芯片進(jìn)行設(shè)計。前者在低功耗方面有著突出的表現(xiàn)，特別是在待機(jī)狀態(tài)(HALT)下，功耗能降低至0.7μA；后者則擁有睡眠模式(SLEEP)和掉電模式(SHUTDOWN)，可以進(jìn)行無線遠(yuǎn)程喚醒，能滿足節(jié)能的需求[2]。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

微功率系統(tǒng)的設(shè)計是針對整個系統(tǒng)的功耗問題而言，而系統(tǒng)功耗受硬件和軟件的共同影響。對于本項(xiàng)目而言，系統(tǒng)的功耗主要來自主控單元和無線通信單元，故這兩部分占整個系統(tǒng)的大部分功耗。因此，若能將這兩大模塊實(shí)現(xiàn)低功耗，則微功率的設(shè)計目標(biāo)便可實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計主控芯片選擇瑞薩公司的RL78系列芯片，而無線通信芯片則選擇Silicon Labs的Si4432芯片，具體的設(shè)計框圖見圖1。在靠近電表的一側(cè)，通過瑞薩處理器將電表數(shù)據(jù)讀取出來，然后通過無線Si4432模塊發(fā)送出去，在接收端，RL78處理器將數(shù)據(jù)通過無線模塊進(jìn)行接收，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后，采用總線接口將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)往控制中心的計算機(jī)進(jìn)行處理[3]。

圖2　主控模塊電路圖

2硬件設(shè)計

2.1RL78/G13模塊設(shè)計

根據(jù)前面的分析，由瑞薩RL78/G13系列的MCU作主控芯片，通過其控制Si4432芯片即可實(shí)現(xiàn)無線信號的發(fā)送和接收。發(fā)送模塊中的主控芯片將待發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送給Si4432芯片進(jìn)行處理(如調(diào)制)后，通過天線發(fā)送出去。接收模塊通過天線接收到主機(jī)所發(fā)出的射頻信號，由Si4432芯片對接收到的信號進(jìn)行處理(如解調(diào))后，再將數(shù)據(jù)傳送給接收模塊的主控芯片進(jìn)行后續(xù)處理，包括存儲和顯示等，從而完成整個系統(tǒng)的簡單無線通信。系統(tǒng)通過液晶顯示和鍵盤輸入完成人機(jī)交互。另外，當(dāng)接收模塊為多個時，可組成一對多的無線收發(fā)系統(tǒng)。系統(tǒng)選擇RL78G13_RF100FE芯片作為整個系統(tǒng)的主控部件，控制著整個系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)包括顯示信息數(shù)據(jù)、鍵盤輸入中斷檢測、功能識別等重要功能，起著調(diào)控全局的作用。主控芯片的引腳外圍配置電路原理見圖2。P40/TOOL0接入作為閃存編程器/調(diào)試器用數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，作下載口用，引腳REGC通過一個0.47μF的電容上拉至VSS，達(dá)到穩(wěn)定內(nèi)部電壓的作用，引腳VDD接所有引腳的正電源，為了防止噪聲和死鎖，在VDD至VSS線路之間連接一個旁路電容[4]。

圖1　無線收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2Si4432無線模塊設(shè)計

Si4432芯片是一款功能全面的無線通信芯片，在本次設(shè)計中，考慮到成本、硬件和軟件設(shè)計的難易程度，采用單天線半雙工的通信方式。該方式既能實(shí)現(xiàn)單個系統(tǒng)在接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的物理切換，又能實(shí)現(xiàn)在主機(jī)和從機(jī)之間的軟件切換。此外，該方式不但能完成無線抄表項(xiàng)目中“一對多”的通信任務(wù)要求，同時還能降低成本。

單天線半雙工通信是通過對天線進(jìn)行發(fā)射和接收狀態(tài)的切換來實(shí)現(xiàn)的，即用Si4432芯片的通用接口(GPIO)來控制射頻開關(guān)(G4J)，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射電路和接收電路的物理切換。當(dāng)系統(tǒng)切換為發(fā)射電路并發(fā)送數(shù)據(jù)時，需要發(fā)送的信息由主控芯片傳遞給Si4432芯片，并由其“打包封裝”后，通過天線發(fā)射出去，此時天線作為發(fā)射天線存在；當(dāng)系統(tǒng)切換為接收電路并接收數(shù)據(jù)時，天線接收無線信號后傳遞給Si4432芯片，由其“解包”后再傳遞給主控芯片，此時天線作為接收天線存在。因此，通過簡單的切換射頻開關(guān)，就能實(shí)現(xiàn)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的半雙工無線通信，滿足任務(wù)需求[5，6]。

Si4432與主控芯片通過標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口進(jìn)行通信，即SCLK、SDI、SDO和nSEL引腳。其中SCLK提供通信時鐘信號，SDI為串行輸入接口，SDO為串行輸出接口，nSEL為使能控制接口。本設(shè)計使用MCU主控芯片的SCK、SI、SO引腳分別與Si4432芯片的SCLK、SDO、SDI引腳相連接，具體的連接電路如圖3所示。

圖3　無線通信模塊原理圖

需注意，Si4432芯片的一個SPI動作由16bit組成：1bit讀寫選擇位(RW)，7bit地址段(A6～A0)及8bit數(shù)據(jù)信息(D7～D0)，方向?yàn)镸SB到LSB。其SPI時鐘極性(CPLK)配置為：同步時鐘的空閑狀態(tài)為低電平；其SPI時鐘相位(CPHA)配置為：SPI時鐘的第2個跳變沿數(shù)據(jù)被采樣；其最大時鐘速率應(yīng)不超過10MHz。其輸入時序見圖4。

圖4　Si4432芯片SPI時序圖

3軟件設(shè)計

3.1軟件設(shè)計思路

根據(jù)無線電力抄表的實(shí)際情況，本系統(tǒng)的軟件應(yīng)具備的功能包括：1)一對多通信控制功能(主機(jī)廣播功能)；2)單獨(dú)發(fā)送數(shù)據(jù)功能(從機(jī)單獨(dú)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù))；3)實(shí)時數(shù)據(jù)更新功能(模擬電力數(shù)據(jù)變化)；4)休眠功能(實(shí)現(xiàn)微功率指標(biāo))；5)無線喚醒功能(即主機(jī)遠(yuǎn)程無線喚醒休眠狀態(tài)的從機(jī)，從而進(jìn)行通信)；6)從機(jī)自動休眠功能(即一定時間未操作或未收到信息，從機(jī)自動進(jìn)入休眠狀態(tài))。

3.2初始化設(shè)置

初始化主要包含對中斷、定時器以及Si4432芯片內(nèi)部寄存器的合理配置，需要對其進(jìn)行合理的配置才能實(shí)現(xiàn)需要的功能。對于Si4432參數(shù)的寄存器配置，可以通過官方Si4432技術(shù)手冊查閱設(shè)定，也可以通過Silicon Labs官方提供的計算器進(jìn)行計算，所得寄存器值作為Si4432芯片的初始化配置參數(shù)。軟件的初始化流程如圖5所示。

圖5　初始化函數(shù)流程圖

3.3系統(tǒng)工作流程

本系統(tǒng)設(shè)計的模塊既可以作為發(fā)送模塊，也可以作為接收模塊。通過對Si4432進(jìn)行設(shè)置，可以讓系統(tǒng)在發(fā)送與接收之間進(jìn)行切換，當(dāng)發(fā)送信息時，Si4432需先進(jìn)入Ready模式，然后通過射頻開關(guān)轉(zhuǎn)換天線狀態(tài)為發(fā)射模式，接下來清空FIFO內(nèi)的內(nèi)容，以便錄入新的待發(fā)射信息。當(dāng)接收信息時，Si4432需先進(jìn)入Ready模式，然后通過射頻開關(guān)轉(zhuǎn)換天線狀態(tài)為接收模式，接下來清空FIFO的內(nèi)容，最后使用Burst方式來讀取FIFO。接收和發(fā)送狀態(tài)切換時需經(jīng)過Ready模式，狀態(tài)切換后需等待一定時間(實(shí)測5ms以上)，待芯片工作穩(wěn)定。整個系統(tǒng)運(yùn)行時，首先響應(yīng)外部按鍵的輸入，然后處理內(nèi)部的一些數(shù)據(jù)，接下來進(jìn)行射頻開關(guān)的切換，更新當(dāng)前的數(shù)據(jù)信息，最后根據(jù)系統(tǒng)的操作進(jìn)入不同運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)主函數(shù)流程如圖6所示[7]。

圖6　系統(tǒng)主函數(shù)流程圖

4系統(tǒng)功能驗(yàn)證及數(shù)據(jù)測驗(yàn)

目標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖7所示，主要包含主控芯片、無線通信模塊、電源模塊以及LED顯示模塊等。

圖7　目標(biāo)系統(tǒng)實(shí)物圖

無線通信模塊的實(shí)物設(shè)計如圖8所示，該模塊主要包含射頻芯片、無源晶振、射頻開關(guān)及天線底座等。

圖8　無線通信模塊實(shí)物圖

4.1基本性能測試

1)主機(jī)廣播信息：主機(jī)通過鍵盤輸入要發(fā)送的數(shù)據(jù)，從機(jī)藍(lán)色LED燈閃爍，LCD上顯示接收到的數(shù)據(jù)。

2)從機(jī)回發(fā)信息：主機(jī)和從機(jī)切換狀態(tài)，由從機(jī)發(fā)送信息給主機(jī)，從機(jī)通過鍵盤輸入要發(fā)送的數(shù)據(jù)，主機(jī)藍(lán)色LED燈閃爍，LCD上顯示接收到的數(shù)據(jù)。

3)從機(jī)保存數(shù)據(jù)休眠：從機(jī)長按“OP”(設(shè)置的按鍵)鍵進(jìn)入保存數(shù)據(jù)的狀態(tài)，鍵盤輸入要保存的數(shù)據(jù)再長按“OP”完成保存設(shè)置。長按“SDB”(設(shè)置的按鍵)鍵或30s不進(jìn)行任何操作將進(jìn)入睡眠模式，芯片進(jìn)入LDC模式，LCD背光關(guān)閉，并有綠色呼吸燈閃爍。

4)主機(jī)喚醒從機(jī)：主機(jī)長按“OP”鍵進(jìn)入喚醒模式，再通過鍵盤輸入1、2、3來選擇喚醒從機(jī)的編號。從機(jī)紅燈閃爍，主機(jī)藍(lán)燈閃爍，LCD上顯示接收到的數(shù)據(jù)。

4.2點(diǎn)對點(diǎn)實(shí)驗(yàn)

兩個節(jié)點(diǎn)之間點(diǎn)對點(diǎn)通信的實(shí)驗(yàn)分別在湖南大學(xué)南校區(qū)操場和電氣院實(shí)驗(yàn)樓7樓進(jìn)行。一個通信節(jié)點(diǎn)在一個固定點(diǎn)不斷地發(fā)送數(shù)據(jù)，另一個通信節(jié)點(diǎn)分別在距發(fā)送點(diǎn)20m、30m、40m處接收數(shù)據(jù)。每個位置發(fā)送數(shù)據(jù)300次，記錄成功接收的次數(shù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　點(diǎn)對點(diǎn)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

4.3穿墻能力測試

對于抄表網(wǎng)絡(luò)，通信節(jié)點(diǎn)的穿墻能力是很重要的一個指標(biāo)。通信節(jié)點(diǎn)之間通信的穿墻能力測試在電氣院實(shí)驗(yàn)樓7樓進(jìn)行。主機(jī)在709房間廣播信息，從機(jī)在各房間接收數(shù)據(jù)情況如圖9所示。“√”表示能接收到數(shù)據(jù)，“×”表示不能接收到數(shù)據(jù)。

圖9　穿墻能力試驗(yàn)示意圖

5結(jié)束語

本文以瑞薩單片機(jī)為基礎(chǔ)搭建了基于無線電力抄表的軟硬件平臺。采用低功耗的瑞薩RL78 MCU作為主控芯片，通過其控制Si4432實(shí)現(xiàn)無線信號的發(fā)送和接收。對系統(tǒng)進(jìn)行了點(diǎn)對點(diǎn)以及穿墻能力測試，測試結(jié)果表面，當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)距離在20m范圍內(nèi)時，通信成功率在95%以上，并有一定的穿墻能力(能穿3～4面墻)。表明該系統(tǒng)在有障礙物阻擋的環(huán)境下能夠可靠進(jìn)行通信，能夠滿足實(shí)際電力抄表的需求。

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Discussion on Intelligent Design Experience of Hospital

Liang Huaxi