基于瑞薩處理器的無線電力抄表系統設計

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設計

譚周文1，2/ 馬子驥2/ 郭亮2/ 鐘廣超2

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

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

關鍵詞無線抄表 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

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

0 引言

目前，電力抄表方式大致劃分為三種：1)預付費方式；2)傳統的人工抄表，該方式存在漏抄、錯抄的現象，用戶用電量記錄繁瑣，影響供電部門的經濟效應和社會形象；3)遠程抄表，監控中心通過遠程通信系統自動獲取遠程儀表采集到的數據，這種方式需要架設大量的傳輸路線和集中控制器，在建設、運營和維護等方面工作量很大。新型的無線抄表技術能夠降低人為因素導致的錯抄、漏抄現象，還可以避免入戶抄表收費所帶來的麻煩和不必要的糾紛[1]。遠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、用水付費困難的問題，滿足人們的日常需求，適應時代的發展。當前，針對無線技術所設計的抄表系統已經比較常見，但大部分的設計都是針對常用的處理器而設計的，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的無線抄表系統，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行設計。前者在低功耗方面有著突出的表現，特別是在待機狀態(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)，可以進行無線遠程喚醒，能滿足節能的需求[2]。

1系統總體設計

微功率系統的設計是針對整個系統的功耗問題而言，而系統功耗受硬件和軟件的共同影響。對于本項目而言，系統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的大部分功耗。因此，若能將這兩大模塊實現低功耗，則微功率的設計目標便可實現。本設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，具體的設計框圖見圖1。在靠近電表的一側，通過瑞薩處理器將電表數據讀取出來，然后通過無線Si4432模塊發送出去，在接收端，RL78處理器將數據通過無線模塊進行接收，對數據進行分析和處理后，采用總線接口將獲取的數據發往控制中心的計算機進行處理[3]。

圖2　主控模塊電路圖

2硬件設計

2.1RL78/G13模塊設計

根據前面的分析，由瑞薩RL78/G13系列的MCU作主控芯片，通過其控制Si4432芯片即可實現無線信號的發送和接收。發送模塊中的主控芯片將待發送的數據傳送給Si4432芯片進行處理(如調制)后，通過天線發送出去。接收模塊通過天線接收到主機所發出的射頻信號，由Si4432芯片對接收到的信號進行處理(如解調)后，再將數據傳送給接收模塊的主控芯片進行后續處理，包括存儲和顯示等，從而完成整個系統的簡單無線通信。系統通過液晶顯示和鍵盤輸入完成人機交互。另外，當接收模塊為多個時，可組成一對多的無線收發系統。系統選擇RL78G13_RF100FE芯片作為整個系統的主控部件，控制著整個系統的運行，實現包括顯示信息數據、鍵盤輸入中斷檢測、功能識別等重要功能，起著調控全局的作用。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/調試器用數據輸入/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，達到穩定內部電壓的作用，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　無線收發系統結構圖

2.2Si4432無線模塊設計

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

單天線半雙工通信是通過對天線進行發射和接收狀態的切換來實現的，即用Si4432芯片的通用接口(GPIO)來控制射頻開關(G4J)，以實現發射電路和接收電路的物理切換。當系統切換為發射電路并發送數據時，需要發送的信息由主控芯片傳遞給Si4432芯片，并由其“打包封裝”后，通過天線發射出去，此時天線作為發射天線存在；當系統切換為接收電路并接收數據時，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，就能實現接收或發送數據的半雙工無線通信，滿足任務需求[5，6]。

Si4432與主控芯片通過標準的SPI接口進行通信，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數據信息(D7～D0)，方向為MSB到LSB。其SPI時鐘極性(CPLK)配置為：同步時鐘的空閑狀態為低電平；其SPI時鐘相位(CPHA)配置為：SPI時鐘的第2個跳變沿數據被采樣；其最大時鐘速率應不超過10MHz。其輸入時序見圖4。

圖4　Si4432芯片SPI時序圖

3軟件設計

3.1軟件設計思路

根據無線電力抄表的實際情況，本系統的軟件應具備的功能包括：1)一對多通信控制功能(主機廣播功能)；2)單獨發送數據功能(從機單獨向主機發送數據)；3)實時數據更新功能(模擬電力數據變化)；4)休眠功能(實現微功率指標)；5)無線喚醒功能(即主機遠程無線喚醒休眠狀態的從機，從而進行通信)；6)從機自動休眠功能(即一定時間未操作或未收到信息，從機自動進入休眠狀態)。

3.2初始化設置

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

圖5　初始化函數流程圖

3.3系統工作流程

本系統設計的模塊既可以作為發送模塊，也可以作為接收模塊。通過對Si4432進行設置，可以讓系統在發送與接收之間進行切換，當發送信息時，Si4432需先進入Ready模式，然后通過射頻開關轉換天線狀態為發射模式，接下來清空FIFO內的內容，以便錄入新的待發射信息。當接收信息時，Si4432需先進入Ready模式，然后通過射頻開關轉換天線狀態為接收模式，接下來清空FIFO的內容，最后使用Burst方式來讀取FIFO。接收和發送狀態切換時需經過Ready模式，狀態切換后需等待一定時間(實測5ms以上)，待芯片工作穩定。整個系統運行時，首先響應外部按鍵的輸入，然后處理內部的一些數據，接下來進行射頻開關的切換，更新當前的數據信息，最后根據系統的操作進入不同運行狀態。系統主函數流程如圖6所示[7]。

圖6　系統主函數流程圖

4系統功能驗證及數據測驗

目標系統的實物圖如圖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　目標系統實物圖

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

圖8　無線通信模塊實物圖

4.1基本性能測試

1)主機廣播信息：主機通過鍵盤輸入要發送的數據，從機藍色LED燈閃爍，LCD上顯示接收到的數據。

2)從機回發信息：主機和從機切換狀態，由從機發送信息給主機，從機通過鍵盤輸入要發送的數據，主機藍色LED燈閃爍，LCD上顯示接收到的數據。

3)從機保存數據休眠：從機長按“OP”(設置的按鍵)鍵進入保存數據的狀態，鍵盤輸入要保存的數據再長按“OP”完成保存設置。長按“SDB”(設置的按鍵)鍵或30s不進行任何操作將進入睡眠模式，芯片進入LDC模式，LCD背光關閉，并有綠色呼吸燈閃爍。

4)主機喚醒從機：主機長按“OP”鍵進入喚醒模式，再通過鍵盤輸入1、2、3來選擇喚醒從機的編號。從機紅燈閃爍，主機藍燈閃爍，LCD上顯示接收到的數據。

4.2點對點實驗

兩個節點之間點對點通信的實驗分別在湖南大學南校區操場和電氣院實驗樓7樓進行。一個通信節點在一個固定點不斷地發送數據，另一個通信節點分別在距發送點20m、30m、40m處接收數據。每個位置發送數據300次，記錄成功接收的次數，實驗數據如表1所示。

表1　點對點實驗測試結果

4.3穿墻能力測試

對于抄表網絡，通信節點的穿墻能力是很重要的一個指標。通信節點之間通信的穿墻能力測試在電氣院實驗樓7樓進行。主機在709房間廣播信息，從機在各房間接收數據情況如圖9所示。“√”表示能接收到數據，“×”表示不能接收到數據。

圖9　穿墻能力試驗示意圖

5結束語

本文以瑞薩單片機為基礎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實現無線信號的發送和接收。對系統進行了點對點以及穿墻能力測試，測試結果表面，當通信節點距離在20m范圍內時，通信成功率在95%以上，并有一定的穿墻能力(能穿3～4面墻)。表明該系統在有障礙物阻擋的環境下能夠可靠進行通信，能夠滿足實際電力抄表的需求。

參考文獻

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Discussion on Intelligent Design Experience of Hospital

Liang Huaxi