基于無(wú)線通信芯片Si4438抄表模塊的研究
摘要：電力行業(yè)的管理對(duì)數(shù)據(jù)的采集和傳輸手段要求越來(lái)越高，如何在低功耗、低成本、小型化情況下實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)通信的可靠傳輸，保障有效通信距離成為非常重要的研究課題。本文主要研究和設(shè)計(jì)無(wú)線抄表系統(tǒng)的下行通信系統(tǒng)，即實(shí)現(xiàn)用戶電表的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)采集器和集中器之間傳輸。采用DL/T645-2007協(xié)議作為集中器與采集器之間的通信協(xié)議。使用性能優(yōu)異的射頻芯片Si4438和低功耗的C8051F930單片機(jī)。
關(guān)鍵詞：無(wú)線抄表;通信協(xié)議;Si4438;C8051F930
一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
自動(dòng)抄表系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)主要包括管理中心站、集中器、數(shù)據(jù)采集器和采集終端四部分。其中管理中心站為上位機(jī)，下位機(jī)系統(tǒng)由集中器、數(shù)據(jù)采集器和采集終端構(gòu)成。管理中心站負(fù)責(zé)對(duì)抄表系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置命令發(fā)送、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)和顯示以及與抄表集中器的數(shù)據(jù)通信。作為自動(dòng)抄表系統(tǒng)的通信中樞，集中器負(fù)責(zé)管理中心站指令的接收、用戶用電數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，充當(dāng)管理中心站和電表之間溝通紐帶的角色。集中器通過(guò)與管理中心站進(jìn)行通信，獲得管理中心站發(fā)出的數(shù)據(jù)，并根據(jù)管理中心站的要求向中心站發(fā)送數(shù)據(jù);對(duì)電表的數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)抄讀或設(shè)置電表參數(shù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給中心站或存儲(chǔ)到內(nèi)部存儲(chǔ)單元，由集中器與電表進(jìn)行通信完成。
集中器在整個(gè)抄表系統(tǒng)中起著非常重要的作用，它不僅要收集電表的'數(shù)據(jù)并上傳給主站，而且要根據(jù)主站發(fā)來(lái)的命令控制所管轄的電表，因此，集中器要能夠同時(shí)與主站和電表進(jìn)行通信。集中器與主站的通信是通過(guò)GPRS方式進(jìn)行的，與電表則是采用無(wú)線的方式進(jìn)行通信，因此集中器應(yīng)具有GPRS模塊，同時(shí)集中器還應(yīng)帶有無(wú)線通信模塊。
二、無(wú)線通信單元設(shè)計(jì)
2.1 硬件設(shè)計(jì)
無(wú)線射頻收發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)由C8051F930單片機(jī)控制Si4438實(shí)現(xiàn)。
在發(fā)送模塊中，C8051F930將數(shù)據(jù)傳送給Si4438進(jìn)行編碼處理，并以特定的格式經(jīng)天線發(fā)送給接收模塊。接收模塊再對(duì)接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行放大、解調(diào)之后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器C8051F930以進(jìn)行相應(yīng)的處理，如送液晶顯示等。系統(tǒng)提供了按鍵和液晶等人機(jī)交互界面，同時(shí)RS232接口可以完成與PC機(jī)間的通信。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
模塊主要是完成對(duì)單片機(jī)和Si4438以及SPI的初始化配置，實(shí)現(xiàn)與主機(jī)通信的功能;根據(jù)Si4438所要完成的功能要求，配置相應(yīng)的寄存器，完成無(wú)線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。軟件采用中斷驅(qū)動(dòng)模式，從而能夠最大限度地使功耗降低，即在沒(méi)有任何外部中斷的情況下，單片機(jī)將進(jìn)入空閑模式;否則，將被喚醒，執(zhí)行相關(guān)的操作，在完成執(zhí)行當(dāng)前操作后，再次進(jìn)入空閑模式。
三、協(xié)議選擇
3.1 645協(xié)議介紹
協(xié)議采用DL/T645-2007協(xié)議。645協(xié)議規(guī)定采用半雙工通信方式完成電表和采集設(shè)備之間的通信。采集設(shè)備為主站，電表為從站。系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)電表都有唯一的編碼地址。主站通過(guò)發(fā)出信息指令對(duì)通信鏈路的建立和解除進(jìn)行控制。地址域由6個(gè)字節(jié)組成，表示電表的通信地址。系統(tǒng)的廣播地址為999999999999H，用來(lái)對(duì)所轄電表進(jìn)行系統(tǒng)校時(shí)和發(fā)送凍結(jié)指令。地址域可以通過(guò)高位補(bǔ)AAH用作通配字節(jié)，讀取電表數(shù)據(jù)可通過(guò)對(duì)低位進(jìn)行縮位尋址來(lái)實(shí)現(xiàn)，電表應(yīng)答時(shí)回復(fù)實(shí)際的通信地址�？刂拼a的格式如圖5所示，低5位用來(lái)代表幀的功能，主要包括讀、寫數(shù)據(jù)，讀、寫地址，數(shù)據(jù)清零，數(shù)據(jù)凍結(jié)等。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度域L代表數(shù)據(jù)域的字節(jié)總數(shù)，讀數(shù)據(jù)的時(shí)候數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度不能大于200，寫數(shù)據(jù)的時(shí)候數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度不能大于50。在發(fā)送前數(shù)據(jù)幀對(duì)數(shù)據(jù)按字節(jié)進(jìn)行加33H操作處理，對(duì)數(shù)據(jù)在接收時(shí)按字節(jié)進(jìn)行減33H處理。傳輸時(shí)發(fā)送方對(duì)字節(jié)做加33H操作，接收方對(duì)字節(jié)做減33H操作。數(shù)據(jù)幀中校驗(yàn)碼之間的數(shù)據(jù)的字節(jié)的模256和為校驗(yàn)碼。
3.2 645協(xié)議程序設(shè)計(jì)
當(dāng)集中器接收到電表數(shù)據(jù)幀后，首先要檢驗(yàn)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，然后查找?guī)^、幀尾、和幀長(zhǎng)度等是否正確。檢測(cè)項(xiàng)若不正確，則將舍棄數(shù)據(jù)包，若正確則繼續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模256驗(yàn)證，之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行-33H處理。再按照功能碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類解析。在對(duì)數(shù)據(jù)幀的處理過(guò)程中，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，則抄表失敗，置抄表失敗標(biāo)志位，等待補(bǔ)抄任務(wù)。
四、總結(jié)
作為我國(guó)最具發(fā)展?jié)摿Φ默F(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)之一，人們對(duì)無(wú)線抄表系統(tǒng)的研究不斷加深。而微功率無(wú)線抄表技術(shù)已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文采用新型的Si4438無(wú)線射頻芯片，Si4438技術(shù)方案可達(dá)20dB的發(fā)射功率，保證射頻信號(hào)可以穿透整個(gè)建筑物�？刹杉�500個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，滿足一幢大樓的需求。Si4438收發(fā)器專為425-525MHz ISM頻段設(shè)計(jì)，符合嚴(yán)格的中國(guó)智能電表470-510MHz頻段操作監(jiān)管要求，是為中國(guó)智能電表市場(chǎng)量身定制的無(wú)線收發(fā)器。
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