Si1000的无线M-Bus通信系统设计.docxVIP

基于Si1000的无线M-Bus通信系统设计文章来源：物联网世界　　有线M-Bus是专为家用仪表数据传输而设计的总线制系统，它是一个层次化的系统，由主设备、若干从设备和一对连接线组成。有线M-Bus的提出满足了公用事业仪表组网和远程抄表的需要，同时可以满足远程供电需求，在智能小区的自动抄表系统中有广泛应用。可是有线M-Bus系统在网络布线施工过程中往往需要破墙掘地，破坏周围的环境。因此无线应用给它在竞争中带来优势，易于安装和维护，不会对周围环境造成影响。无线M-Bus是专门用于水表、气表、热能表、电表和数据集中器之间的数据无线传输的一个通信标准，它正广泛被欧洲市场所接受。现在大多数仪表都是用电池进行供电的，因此对于低功耗的要求比较高。为了延长电池的使用寿命，本文选用低功耗芯片Si1000组建一个无线M-Bus通信系统，并对Si1000的低功耗性能问题及在软硬件上的实现进行了分析。1无线M-Bus 无线M-Bus标准规定了仪表和集中器之间的通信。图1给出了一个简单的无线M-Bus通信系统，其中集中器作为主节点，仪表作为从节点。主节点和从节点之间的通信，定义了3种不同的通信模式：①S-mode静止模式。S1-mode是从仪表到其他系统单元的单向通信；S1m-mode如同S1,但是数据采集装置不能进入低功耗模式；S2-mode是仪表和其他系统单元之间的双向通信。②T-mode频繁传送模式。T1-mode是从仪表到其他系统单元的单向通信；T2-mode是仪表和其他系统单元之间的双向通信。③R-mode是频繁接收模式。R2-mode是仪表和其他系统单元之间的双向通信。当仪表能够和集中器直接进行通信时，其他系统单元就是图1中的集中器。可是在实际应用中，从节点仪表有时不能直接与主节点集中器进行通信，那么就需要路由节点来转接它们之间的数据，此时的系统单元就是高性能网关。2无线M-Bus收发系统设计2.1无线M-Bus收发系统原理仪表抄读无线收发系统原理框图如图2所示。无线数据的收发由无线微控制器Si1000实现。主节点Si1000内部的发送模块将数据进行编码处理，以特定的格式经天线发送给接收模块。从节点Si1000内部的接收模块接收到有效数据后，Si1000内部的微处理器通过扩展接口读取外部仪表的数据，并进行相应的调整、转换处理后通过射频发送给主节点。主节点通过GPRS与集抄中心进行通信。由于采用的是无线微控制器，主/从节点发送/接收模块不需要使用传统的MCU+RF模块的设计方式，只需要一片Si1000就可以完成射频通信。2.2射频部分Si1000作为Si10xx系列的成员之一，在极精简的5?mm×7?mm封装中结合了8051内核、工作频段为240~960?MHz高穿透力的EZRadioPRO?RF收发器、64?KB的Flash和10位ADC.Si1000系列提供优越的RF性能，具有最高输出功率、接收灵敏度以及最低功耗的唤醒转换等特性。该无线微控制器在工作模式下有最低的电流消耗（160μ/MHz），在休眠模式下，以内部低频振荡器（LFO）作为频率源的RTC工作时，消耗电流低至315nA.在深度休眠模式下，仅需25?nA工作电流，且不会丢失RAM数据。图3给出了射频部分硬件原理图。从节点中，仪表与芯片Si1000的UART串口引脚P0.4/TX和P0.5/RX相连。主节点芯片Si1000的UART串口引脚P0.4/TX和P0.5/RX与集中器进行连接，集中器内部MCU串口通过RS232与GPRS模块相连，借助移动网和Internet实现数据的远程传输。图中可编程负载电容是可集成的，L1~L6和C1~C5的值是由频率带宽、天线阻抗和供给电压决定的。无线收发模块的通信是以数据包的形式发送的，无线发送程序负责写入数据，参考无线M-Bus通信协议，为数据加上前导码、同步字、数据载荷长度及CRC校验字节，形成数据包将其发送出去。为保证接收到数据的正确性，无线接收程序负责接收数据包并检验CRC字节。2.3无线M-Bus协议栈实现协议栈如图4所示。物理层定义了位是如何编码和传输的、RF调制解调器的特性（码率、前导码和同步字）和RF参数（调制、中心频率和频率偏移）。物理层是通过硬件和嵌入式软件结合来实现的，EZRadioPRO实现了所有RF和调制解调器的功能。MbusPhy.c模块提供SPI接口、编码/解码、块的读/写和数据包处理，并且管理收发器的状态。无线M-Bus数据链路层是在MbusLink.c模块上实现的。M-Bus应用程序编程接口由公共函数组成，这些公共函数可以从主线程的应用层调用，MbusLink模块也实现了数据链路层。数据链路层规定了数据的格式，为数据加上头文件和循环冗余校验，并且将数据从应用程序TX缓冲区复制到MbusPhy?TX缓冲区。Si1