电子仪表中的关键部件及无线技术

　　无线技术

　　ZigBee/EEE802.15.4

　　ZigBee过去又称为Hoverflies、RF-EasyLink或FireFly无线电技术，是一种应用于短距离范围内，低传输资料速率下的各种电子设备之间的无线通信标准。ZigBee是专为低速（通常20-40kbps）和短距离（<100米）通信而设计的，很适合将电表，气表和水表通过网路连在一起。

　　ZigBee技术具有如下特点：

　　功耗低：工作模式情况下，ZigBee技术传输速率低，传输资料量很小，因此信号的收发时间很短，其次在非工作模式是，ZigBee节点处于休眠模式。设备搜索时延长一般为30ms,休眠启动延长为15ms,活动设备通道接入时延为15ms，由于工作时间较短，收发资讯功耗较低且采用了休眠模式，使得ZigBee节点非常省电，ZigBee节点的电池工作时间可以长达6个月到2年左右，同时，由于电池时间取决于很多因素，例如电池种类、容量和应用场合，ZigBee技术在协定上对电池使用也做了优化，验？性电池可以使用数年，对于某些工作时间和总时间（工作时间+休眠时间）之比小于1%的情况，电池的寿命甚至可以超过10年。

　　资料传输可靠：ZigBee的媒体接入控制层（MAC）采用talk-when-ready的碰撞避免机制。在这种完全确认的资料传输机制下，当有资料传送需求式则立刻传送，发送的每个资料包都必须等待接收方得确认回复，若没有得到确认资讯的回复就表示发生了碰撞，将再传送一次，采用这种方法可以提高系统资讯传输的可靠性。同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送资料时的竞争和冲突。同时ZigBee针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态启动的时延都非常短。

　　网路容量大：ZigBee低速率、低功率和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。ZigBee定义了两种器件：全功能器件（FFD）和简化功能器件（RFD）。对全功能器件，要求它支持所有的49个基本参数。而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支援38个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件，而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。

　　一个ZigBee网路最多包括有255个ZigBee网路节点，其中一个是主控（Master）设备，其余是从属（slave）设备。若是通过网路协调器（Networkcoordinator）,整个网路最多可以支援超过64000个ZigBee网路节点，再加上各个NetworkCoordinate可互相连接，整个ZigBee网路节点的数目将十分可观。

　　相容性：ZigBee技术与现有的控制网路标准无缝集成。通过网路协调器（Coordinator）自动建立网路，采用载波侦听/冲动检测（CSMA-CA）方式进行通道接入。为了可靠传递，还提供全握手协议。

　　安全性：ZigBee提供了资料完整性检查和许可权识别功能，在资料传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全方式，对于某种应用，如果安全并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件可以选择这种方式来转移资料。对于第二级安全级别，器件可以使用接入控制清单来防止非法器件获取加密措施。第三级安全级别在资料转移中采用属于高级加密标准（AES）的对称密码。AES可以用来保护资料静荷和防止攻击者冒充合法器件。

　　实现成本低：ZigBee模组的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1.5-2.5美元，且ZigBee协定免专利费用。目前低速低功率的UWB晶片组的价格至少为20美元，而ZigBee的价格目标仅为几美分。

　　ZigBee协定使用IEEE802.15.4无线收发器，目前Chinpcon、Atmel、Freescale、ZMD和Microchip等多家公司都可提供该产品。IEEE802.15.4有3个频段，允许在全国世界范围内工作：2.4GHz适用于全球，868MHz用于欧洲，而915MHz用于美洲。

　　使用ZigBee的仪表需要使用IEEE802.15.4收发器和运行ZigBee协定机的MCU。

　　目前，Microchip可以提供2.4GHz收发器和免费ZigBee协议机。其中其PICDEMZ在演示工具包是一个易于使用ZigBee无线通信协定开发和演示平台，包括ZigBee协定机和两块带有RF子板的PICDEMZ板。该演示板还带有一个6引脚标准连接器，用于直接与Microchip的MPLABICD2线上调试器（DV164005）界面。使用MPLABICD2，开发者可以在同一平台上重新编程或修改PIC18MCU快闪记忆体记忆，开发和调试应用程式码。

　　(2)Z-WAVE

　　Z-WAVE是Zensy开发的专用协定，资料传输速率为9.6kbps，工作频率为868MHz或908MHz。Z-WAVE广泛用于如照明、家用电器和HVAC控制等室内控制应用上。在功能上它与ZigBee类似，适合连接水表、气表和电表。现在出了Zensy开发的模组外，还有没有其他嵌入式模组。Zensy也提供单晶片器件。

　　(3)红外线

　　红外技术虽然经常会被忽略，但是因其低成本和技术成熟等突出优势目前已经广泛用于许多电表中，用于参数配置和资料传输。它遵循几个标准：ANSIC12.18是有关连接器安装物理尺寸的标准；IEC62056规范是红外线通信相关的协定和目录。

　　目前这种类型的红外埠常用于读表系统。使读表器靠近电表，将探头放在连接器上，然后读取电表内部存储的资料。读表器一般是运行资料读取软体的手持PDA或类似设备。目前，资料读取软体有GE的MeterMate等。

　　(4)专用短距离无线通信

　　现在市场上充斥着大量短距离无线通信设备。这些设备覆盖314、433、868、和915MHz频段，比特率最高可达100kaps。诸如Chinpcon、Micrel、Microchip公司提供独立收发器和集成解决方案（收发器加MCU）。此类设计所面临的挑战是协议机要由设计者创建。这样将一个原本很简单的应用程序分成了两个应用程式：主应用程式和RF协定。幸运的是有些制造商已经开发了简单协定，从而缩短了工程进度。(5)GSM/GPRS/CDMA蜂窝式无线通信

　　另一个可行的技术是GSM/GPRS/CDMA数据机。它们非常适合远端计量应用。例如，用于灌溉庄稼的水泵可能需要一个水表和一个电表。由于水泵的远端特性，可能需要一个蜂窝式数据机将水泵资讯传送给检测站。派专人去读取仪表资料是不切实际的，因为路途很远要花费很长的时间，所需费用远超过数据机硬体的成本。公用事业公司通常会有许多此类仪表，通过协商还能降低每月数据机的服务费。

　　嵌入式蜂窝数据机大多使用简单串列界面，并且使用标准AT命令集配置和使用电话。诸如Motorola、Sierra、Wireless和Falcom等公司都制造基于GSM/GPRS和CDMA的嵌入式数据机。

　　设计考虑：低功率

　　低功耗是水表和热表的主要考虑指标，因为这些仪表所处的位置通常没有本地电源。

　　仪表应用中需要考虑的另一个重要方面就是：在丢失主电源情况下要进行适当的低功耗管理和维持系统鲁棒性（Robustness）。公用仪表一般具有两种供电方式:交流和直流（如小电池）电源。电表中通常采用交流电源插座或直接交流供电被认为是不安全的，在水表中通常使用直流电源。

　　交流稳压电源供电的仪表

　　交流供电仪表可通过标准电源插座获得无限量的电能（一般最高限制为2W）。对于交流供电的公用仪表，当计量单元丢失主电源时，智慧电源管理部件除了管理系统的全面操作外，还起到了至关重要的作用。因为当交流电源暂时切断时，也许用户正在使用燃气，或者计量单元正忙于向非易失忆体存储重要资料或正在向公共事业公司传送资料。

　　交流供电仪表系统使用变压器或无变压器电源。要降低应用成本和规模，有时可通过一个简单的电抗分离的无变压器电路向仪表供电。这通常适用于仪表已连接到交流电源的情况（例如电表）。但这种设计使得典型电路供给的电流有限，从而限制了大功率元件的使用。合理的功耗管理有助于降低应用电路的平均功耗，由此降低电源元件的大小和重量。

　　为了补偿交流电源的损失，设计工程师通常会在设计仪表时添加某类备用电源系统，可以是大电容、超大电容或一个小型锂电池。在启用备用电源的情况下，整个系统的功耗特别是MCU的功耗变得至关重要。设计工程师常面临的挑战有

　　在上述情况条件下系统应保持多长的启动时间？

　　整个系统的待机电流是多少？

　　系统的工作电流是多少

　　如何优化功耗和使器件性能（时钟速度）快速适应当前的要求？

　　如何在不稳定电池系统供电条件下可靠地工作？

　　如何通过集成欠压复位、看门狗计时器和故障时钟监视电路增加系统可靠性？

　　如由于执行不同任务时的工作负载也各不相同，如何更好地动态优化仪表中的MCU功耗显得非常重要。给出的典型计量为例，该示例执行了以下任务：

　　及时时钟更新—很小的任务，可以被编程为每秒执行一次。

　　计数器递增—也是一个很小的任务，可以在收到来自计量装置的派动时（如电表中MCP3905的输出，或气/水表中位移测量装置产生的派动）产生中断。

　　偶尔需要MCU执行高强度的计算任务。例如，通过IrDA或RS-485与仪表通信来自动读表，或简单地更新显示或执行一些计费/记录相关的功能。

　　所有新的PICmicroMCU(PIC16和PIC18两个系列)都提供了Microchip得纳瓦功耗管理技术。纳瓦技术具有一系列非常有用地特性是针对功耗管理和鲁棒性问题的，所以非常适于用在公用仪表的设计中。事实上，纳瓦器件不仅最多可提供7种工作模式，允许系统在任意时刻快速切换到最佳时钟源。在上面的示例中，最佳功耗管理策略可以使用下列方案：

　　保持MCU处于休眠模式，以降低无任务时段的功耗

　　保持RTC功能使用的计时器处于活动状态（使用32kHz的辅助振荡器）

　　定期唤醒器件低速执行小型任务（使用一个辅助振荡器）

　　当检测到需要更高级的功能时，主振荡器将启动并执行高强度的任务（以较高功耗的短派动快速执行）。

　　现在，给定功率资料（见图六）的情况下，通过比较MCU执行每个任务所花费的时间百分百和选定工作模式的功耗大致可以算出整个应用的平均功耗。考虑到大多数采用纳瓦技术的PICmicro器件具有9种可选振荡器模式（包括4种晶振模式、2种外部时钟模式、2种外部RC振荡器模式和1种在软体控制下可提供多种时钟频率的内部振荡器电路），纳瓦技术的灵活性几乎可以不受限制。

　　不稳定直流电源供电的仪表

　　直流供电的仪表（如水表和气表）一般使用小型电池（无稳压）供电。在这类系统中，系统的待机或工作电流对整个系统的功耗影响很大。采用纳瓦技术（如低待机电流、快速振荡器起振模式和不同的软体控制振荡器模式）PICmicro器件在必要时可优化性能和降低电流消耗。在大多数电池供电的应用中，整个系统的鲁棒性依赖于MCU处理低压、不稳定电池和由杂讯引发的事件的方式。

　　采用纳瓦技术的PICmicro器件的宽工作电压范围（一般为2.0V到5.5V）特性大大简化了仪表设计，并可以延长电池寿命。事实上，在此类设计中可以省去稳压器，获取宝贵的电池电压幅度，进一步深度放电，来延长电池寿命。Microchip也提供各种独立的模拟器件，可用于系统监管或智慧电池管理。

　　提高可靠性对所有的仪表应用都极为关键，在不稳定电源供电的计量应用尤为突出。

　　所有的Microchip纳瓦器件中除了传统的看门狗计时器外，还集成了3个关键电路，以便提供更高的可靠性：

　　欠压复位（Brown-outReset,BOR）:该选项是可编程的，用于在电源电压下降带门限值以下时复位MCU，防止器件在规定的工作电压范围外工作。

　　低压检测（Low-VoltageDetect,LVD）:该选项同样是可编程的，用于在电源电压下降到预定值（一般设置为略高于BOR的值）以下时产生中断报警。该选项可在欠压重定电路介入前将重要工作参数保存到非易失忆性记忆体中，以备事后安全恢复时使用。

　　故障保护时钟监视器(Fail-SafeClockMonitor,FSCM):这是3者中最高级的功能。故障保护时钟监视器不同于看门狗计时器，它由额外的电路构成，用于验证外部时钟源是否正常工作。当故障保护时钟监视器检测到时钟因某种原因出现故障时，MCU时钟会迅速切换到内部振荡器，从而维持MCU继续工作，使系统置于“安全”故障模式（例如，将重要资料保存到非易失忆性记忆体），并通知用户。

　　最后，要牢记这一规则：几乎所有可用于交流稳压电源应用的器件同样也可用于不稳定的直流电源应用中。