一種家用電梯433 MHz無線數據傳輸裝置的設計*

屈省源，黎家輝，羅澤凡

（中山職業技術學院，廣東中山 528400）

0 引言

家用電梯采用一種在一根扁平電纜中包含強電和弱電信號在內的幾十根不同種類的隨行電纜實現電梯轎廂系統和控制柜之間強電、弱電信號傳輸。隨之出現一系列問題，如隨行電纜的老化導致數據傳輸不穩定，傳輸效率低；制造和維護成本比較高。

無線數據傳輸技術是將數據通過調制等手段以電磁波的形式在無線信道中傳輸，達到與遠端設備通信目的，具有良好的便捷性。目前，無線數據傳輸技術在各行業應用廣泛。

本文利用無線數據傳輸技術，設計一種基于CMT2119B和CMT2219B的433 MHz的數據傳輸可靠性高、部署簡易、容易使用的無線數據傳輸裝置，取代家用電梯的隨行電纜，降低制造和維護成本，提高數據傳輸的容量。

1 家用電梯無線數據傳輸技術特點

1.1 使用環境

家用電梯一般是使用在私人家庭中，速度較低。電梯轎廂是在一個封閉的井道內運行，轎廂的控制系統安裝在轎廂頂部的控制箱。電梯的主控制器和驅動器一般安裝在井道外的專用機房的控制柜中，需要隨行電纜實現轎廂和主控制器之間的數據傳輸。這樣在布線時，就要考慮隨行電纜布線的美觀性。同時，當樓層增加時，隨行電纜的成本也會增加[1-3]。

1.2 主要技術類型

當前，家用電梯無線數據傳輸技術的主要類型有3種。

（1）2.4 G無線數據傳輸[4-6]。2.4 G模塊低功耗設計，穿透力強，數據傳輸速度高，組網容易，理想傳輸距離在1.5 km，通常用于傳輸距離比較近的數據采集。

（2）433 M無線數據傳輸[7-9]。433 M模塊信號強，傳輸距離長，理想傳輸距離在3 km左右。還有穿透、繞射能力強的優點，傳輸過程衰減較小，保證數據實時傳輸不中斷。

（3）GPRS無線數據傳輸[10-11]。GPRS模塊傳輸距離不受限制，傳輸數據大、安全穩定，通常用于遠程數據采集傳輸。

綜合考慮家用電梯無線數據傳輸的使用場合、設備維護等因素，本文選用433 M無線數據傳輸方式。

2 無線數據傳輸裝置系統設計

2.1 系統總體設計

電梯的隨行電纜主要完成兩項任務，一是完成電梯轎廂系統與電梯主控系統之間的數據傳輸，二是為電梯轎廂的電氣系統提供電源。采用無線電能傳輸方式實現的電梯轎廂電源供給方式不是本文的研究內容，本文主要研究的是電梯轎廂系統和電梯主控制器之間的無線數據傳輸。系統的總體結構如圖1所示。

圖1 家用電梯無線數據傳輸裝置總體結構圖

采用無線數據傳輸裝置，一方面將轎廂所要顯示的樓層位置信息由電梯主控制器傳送給機房無線數據傳輸裝置，機房無線數據傳輸裝置將此數據發送給安裝在轎廂頂部的轎廂控制盒的無線數據傳輸裝置，再由轎廂無線數據傳輸裝置傳送給轎廂控制器。另一方面，轎廂控制器將轎內呼梯信號、緊急情況下的救援對講信號、轎廂維修信號以及轎廂轎門狀態信號等信息數據傳送給轎廂無線數據傳輸裝置，轎廂無線數據傳輸裝置將此數據發送給安裝在機房控制柜里的機房無線數據傳輸裝置，再由機房無線數據傳輸裝置將此數據發送給電梯主控制器。

在上述過程中，無論是機房無線數據傳輸裝置，還是轎廂無線數據傳輸裝置，都不是工作在單一模式，而是工作在收、發模式。

2.2 硬件設計

本文的無線數據傳輸芯片是無線發射芯片CMT2119B和無線接收芯片CMT2219B。

CMT2119B是一款高性價比的射頻發射器。它具有高集成度，簡化了系統設計中所需的外圍物料。高達+20 dBm的發射功率，提升了應用的鏈路性能。它支持多種數據包格式及編解碼方式，使得它可以靈活的滿足各種應用對不同數據包格式及編碼的需求。另外，它有豐富的GPIO及中斷配置，自動發射運行模式等功能，使得應用設計更加靈活，實現產品差異化設計。CMT2119B工作于1.8～3.6 V，+13 dBm輸出功率情況下僅消耗23 mA發射電流，在+20 dBm輸出功率情況下消耗77 mA發射電流。

CMT2219B是一款低功耗的高性價比的無線接收器。它簡化了系統設計中所需的外圍物料，優化了電路設計。它支持多種數據包格式及解碼方式，使得它可以靈活滿足各種應用的需求。另外，CMT2219B還支持64-byte Rx FIFO，豐富的GPIO及中斷配置，Duty-Cycle運行模式，信道偵聽，高精度RSSI，低電壓檢測等功能，簡化設計，實現產品差異化設計。

2.2.1 接收模塊電路原理

CMT2219B芯片采用LNA+MIXER+IFFILTER+LIMITTER+PLL的低中頻結構實現1 G以下頻率的無線接收功能。

CMT2219B內建一個超低功耗、高性能低中頻OOK、FSK接收器。天線感應進來的射頻信號，通過低噪聲放大器放大以后，通過正交混頻器下變頻至中頻，由鏡像抑制濾波器濾波，限幅放大器進一步放大后送入數字域，做數字解調處理。在上電復位（POR）的時候每一個模擬模塊都會被校準到內部的參考電壓。這使得芯片能更好地工作在不同的溫度和電壓底下。基帶濾波和解調由數字解調器完成。當芯片工作在大帶外干擾信號的環境時，通過LNA旁邊的寬帶功率檢測器及衰減網絡，自動增益控制環路調節系統的增益，以獲得最佳的系統線性度，選擇性，靈敏度等性能。

基于CMT2219B的無線數據傳輸裝置的數據接收模塊電路原理圖如圖2所示。其中，晶體振蕩器用于為鎖相環提供基準時鐘，為數字模塊提供系統時鐘。晶振2端的電容選15 pF，以使晶體準確振蕩在26 MHz。

圖2 無線數據傳輸裝置接收器模塊電路

2.2.2 發射模塊電路原理

CMT2119B發射器是基于射頻頻率直接綜合的發射器。其載波頻率是由一個低噪聲小數分頻頻率綜合器產生。調制數據由一個高效的單端功率放大器（PA）發射出去。輸出功率可以通過寄存器讀寫，以1 dB的步進從-10 dBm配置到+20 dBm。

當PA快速開關時，其改變的輸入阻抗瞬間干擾VCO的輸出頻率，此效應成為VCO牽引，它會在所需載波附近產生頻譜的雜散和毛刺。通過緩慢升降PA輸出功率，PA的瞬時毛刺可以減到最小。CMT2119B內建PA緩慢升降的機制，當PA Ramp打開時，PA輸出功率可以按設置的速率緩慢升降至所需的幅度，以降低不需要的頻譜成分。

基于CMT2119B的無線數據傳輸裝置的數據發射模塊電路原理圖如圖3所示。

圖3 無線數據傳輸裝置發射器模塊電路

2.3 軟件設計

2.3.1 CMT2119B和CMT2219B運行模式

MCU和芯片之間的通訊是通過4線SPI接口進行的。低有效的CSB意味著MCU要訪問芯片的寄存器。低有效的FCSB意味著MCU要訪問芯片的FIFO。CSB和FCSB不能同時為低。SCLK是串口時鐘。數據在SCLK的下降沿發射，上升沿采樣。SDIO是一個雙向的數據管腳。地址和數據總是從MSB開始發送。

當訪問寄存器的時候，需要發一個R/W（讀/寫）位，隨后是7位寄存器地址。在送入R/W位之前，MCU必須將CSB拉低至少半個SCLK周期。當發送最后一個SCLK下降沿以后，MCU必須至少等待半個SCLK周期才能再將CSB拉高。

CMT2119B和CMT2219B有3個GPIO，每個GPIO都可以配置成不同的輸入或者輸出；它們都有2個中斷口，可以配置到不同的GPIO輸出。

2.3.2 CMT2119B和CMT2219B的數據格式

CMT2119B和CMT2219B采用了比較典型靈活的數據包格式，可以分為可變包（Length在Node ID前面）、可變包（Length在Node ID后面）和固定包3種。本文采用如圖4所示的固定包的數據格式。

圖4 固定數據包格式

數據模式指的外部MCU通過什么模式來獲取接收數據，CMT2119B和CMT2219B支持直通模式和包模式兩種。本文的數據模式采用包模式。在包模式中，從解調器輸出的數據會先被移送至包處理機中進行解碼，然后填入FIFO。包處理機提供多種解碼引擎和判斷數據有效性的選項，這些可以減輕用戶的MCU資源。典型的包模式的Rx工作順序如下：（1）通過 CUS_IO_SEL （Addr=0x65） 配 置 GPIO；（2） 通 過CUS_INT1_CTL（Addr=0x66），CUS_INT2_CTL（Addr=0x67）和CUS_INT_EN（Addr=0x68）設置中斷；（3）發送go_rx命令；（4）根據相關的中斷狀態讀取FIFO；（5）發送go_sleep/go_stby/go_rfs命令以節省功耗；（6）通過CUS_INT_CLR1/2（Addr=0x6A/B）清除包中斷狀態。

2.3.3 軟件代碼

以SPI方式寫入和讀取一個16位數據的參考代碼如圖5所示。

圖5 寫入和讀取數據參考代碼

3 結束語

本文使用無線數據傳輸裝置代替傳統家用電梯的隨行電纜，避免了布置隨行電纜帶來的諸多不便。采用高性價比的CMT2119B和CMT2219B無線數據發射芯片和接收芯片，數據傳輸穩定、可靠，參數修改和設備維護都比較方便。比較而言，同等條件下，使用無線數據傳輸裝置代替隨行電纜，能夠節約大約15%左右的人力和財力，完全滿足家用電梯的使用要求。