自德州儀器（TI）推出16位MSP430微控制器以來，超低功耗（ULP）微控制器（MCU）已風(fēng)靡了至少20年。從那時(shí)起，超低功耗解決方案即在傳感器、計(jì)量和種類繁多的電池供電型設(shè)備（如*、溫度計(jì)、手表等）領(lǐng)域呈雨后春筍之勢蔓延，驗(yàn)證了ULP系統(tǒng)方法是前途無量的策略。
　　
　　超低功耗技術(shù)已擴(kuò)展至RF收發(fā)器、傳感器、MCU以及適用于電池供電型應(yīng)用的所有類型芯片產(chǎn)品。同樣，只有顯著降低半導(dǎo)體產(chǎn)品的功耗，才有可能在平板電腦和智能手機(jī)等許多消費(fèi)類應(yīng)用中廣泛采用無線技術(shù)。
　　
　　人們普遍意識到，未來性增長的良機(jī)將花落智能電網(wǎng)市場，其中包括燃?xì)獗怼岜怼⑺怼㈦姳怼崃糠峙浔淼扔?jì)量和輔助計(jì)量設(shè)備，以及可從計(jì)量裝置收集信息的智能電網(wǎng)家庭網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)集中器和數(shù)據(jù)收集器。智能電網(wǎng)和家域網(wǎng)（HAN）的聯(lián)袂攜手既有望使公用設(shè)施降低高峰電力需求（而這反過來又有助于減少興建新電廠的需求），也有望通過家庭自動化為消費(fèi)者節(jié)省成本并增加舒適感。
　　
　　本文介紹了*超低功耗MCU、zui高性能RF收發(fā)器（適合低于1GHz的通信）與電源系統(tǒng)解決方案的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手如何能助推新一代智能計(jì)量儀表走紅歐洲內(nèi)外。此外，歐洲wM-Bus協(xié)議棧的日趨成熟和發(fā)展也為電池供電型燃?xì)獗怼⑺砗蜔岜淼拇笠?guī)模部署敞開了新機(jī)遇的大門。
　　
　　本文還介紹了如何采用868MHz與169MHz頻段的流行版wM-BusRF通信為歐洲市場構(gòu)建智能儀表（燃?xì)獗怼⑺怼岜恚┠K;并就如何實(shí)施與優(yōu)化燃?xì)獗怼⑺砗蜔岜淼膚M-Bus解決方案提供了實(shí)用性建議。
　　
　　1.RF通信的歐洲版標(biāo)準(zhǔn)
　　
　　歐洲對低于1GHz通信的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是ETSI300220-1V2.3.1（2010年2月）。面向計(jì)量應(yīng)用的既定868MHz和433MHz免*ISM頻段有所擴(kuò)展，在抄表應(yīng)用中可以是頻段為169.400MHz的一個(gè)75kHz窄帶。允許的zui大發(fā)射功率為+500mW（等于+27dBm），占空比<=10%。通道間隔為50kHz或以下;還可用LBT（載波偵聽）或AFA（自適應(yīng)頻率捷變）通道接入，但二者都不是強(qiáng)制性的。
　　
　　顯然，比起頻段為868MHz、發(fā)射功率為+25mW（等于+14dBm）的現(xiàn)有wM-Bus解決方案，頻段為169MHz、發(fā)射功率為+27dBm的低成本RF鏈接能提供更的覆蓋范圍（見圖1）。請注意，“舊型”T模式與“新型”C模式各采用兩種不同的頻率，一種用于儀表至數(shù)據(jù)收集器方向，另一種則用于從數(shù)據(jù)收集器至儀表方向的鏈接。　　　　
　　在T模式下，頻段為868.3MHz的數(shù)據(jù)收集器發(fā)射功率zui大為+14dBm;在C模式下，頻段為869.525MHz的數(shù)據(jù)收集器發(fā)射功率則高達(dá)+27dBm。
　　
　　在歐洲人口密集地區(qū)部署智能儀表時(shí)，由于高樓大廈林立，多重混凝土與磚墻擋在不同的RF節(jié)點(diǎn)之間，導(dǎo)致RF環(huán)境極為不利，所以RF計(jì)量解決方案的覆蓋范圍是有待解決的zui大難題。事實(shí)證明，現(xiàn)有的ZigBeeSE1.1產(chǎn)品在英國城市地區(qū)未能提供足夠的城市覆蓋范圍，這正是基于Zigbee®的2.4GHz解決方案的主要缺點(diǎn)。頻段為169MHz的新一代wM-Bus啟動型智能儀表目的就是要解決在意大利或法國等國家的覆蓋范圍問題。
　　
　　擴(kuò)大169MHzRF鏈接的覆蓋范圍可避免使用中繼器并去除儀表的重復(fù)功能，從而簡化系統(tǒng)架構(gòu)，降低網(wǎng)絡(luò)的總成本。功能較少意味著軟件的復(fù)雜度有所降低，因此對計(jì)量節(jié)點(diǎn)的閃存和RAM容量要求就更低，也就縮短了產(chǎn)品的開發(fā)和認(rèn)證流程。
　　
　　1.1適用于燃?xì)獗怼⑺砘驘岜淼男滦蛍M-Bus模式
　　
　　在EN13757-4：2011年（也稱為wM-Bus）文件的草案中介紹了符合ETSI300220v2.3.1標(biāo)準(zhǔn)的新型“N”模式物理層（PHY）。75kHz的帶寬被分成6個(gè)12.5kHz的窄帶通道。規(guī)定其中四個(gè)通道采用GFSK調(diào)制方式，速率為4.8kbps;另兩個(gè)通道也采用GFSK調(diào)制方式，速率為2.4kbps。
　　
　　還規(guī)定了二次通信鏈接，采用4GFSK調(diào)制方式，速率能達(dá)到19.2kbps，目的是在可選的多跳鏈接（圖2）中優(yōu)化數(shù)據(jù)吞吐量。　　　　
　　在法國對169MHz系統(tǒng)的現(xiàn)場測試已經(jīng)證明，可達(dá)覆蓋范圍的拓寬能顯著簡化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。隨著169MHz數(shù)據(jù)收集器的合理部署，在歐洲實(shí)現(xiàn)無中繼器的智能電網(wǎng)已不再是天方夜譚。　　　　
　　圖3展示了新型wM-Bus的N模式，這個(gè)169MHz的窄帶解決方案將是未來幾個(gè)歐洲國家燃?xì)獗砗退戆惭b的理想選擇。
　　
　　2.采用wM-Bus的智能燃?xì)獗砑軜?gòu)
　　
　　在*基于電子組件的智能儀表內(nèi)，主要構(gòu)建模塊包括：
　　
　　•計(jì)量部件的傳感器
　　
　　•可處理傳感器數(shù)據(jù)并計(jì)算出消耗的超低功耗MCU
　　
　　•通信系統(tǒng)
　　
　　•電源系統(tǒng)
　　
　　在現(xiàn)今的燃?xì)獗碇校瑐鞲胁糠郑▓D4）可報(bào)告流量吞吐量（常通過一個(gè)舌簧開關(guān)）以及確切的燃?xì)鈮毫蜏囟葴y量值。MCU主模塊則處理傳感器數(shù)據(jù)，并將燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)成標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)量以供客戶計(jì)費(fèi)之需。
　　
　　通常情況下，還有一個(gè)可遠(yuǎn)程（如通過wM-Bus鏈接）控制的電動閥。此外，在一些國家也要求有預(yù)付費(fèi)選項(xiàng)。　　　　
　　對于水表和熱表而言，目前zui常用的傳感器均通過測定旋轉(zhuǎn)速度和方向來檢測流量。
　　
　　熱表是一種有附加溫度測量值的水表，用于捕獲前向和后向流量的溫度。添加RF子系統(tǒng)（如低于1GHz或2.4GHz的通信模塊）的方式可使熱表和水表“智能化”。
　　
　　重要的是謹(jǐn)記水表、熱表和燃?xì)獗砭峭ㄟ^電池供電的，這就意味著超低功耗是一個(gè)重要的考慮因素。由于這三種類型的儀表用來安放電池的空間極為有限，所以用于優(yōu)化電池壽命的電源解決方案*。
　　
　　3.wM-BusRF子系統(tǒng)的硬件（HW）架構(gòu)
　　
　　根據(jù)所使用的頻帶或發(fā)射功率，wM-Bus子系統(tǒng)可用于家域網(wǎng)（HAN）或鄰域網(wǎng)（NAN）通信。HAN實(shí)現(xiàn)的一個(gè)例子是帶868MHzRF鏈接的智能儀表，采用了wM-Bus協(xié)議的S、T、或新型C模式。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)射輸出功率為+10至+12dBm（在天線端口的測量值）且天線增益高達(dá)+2dBi的RF芯片（用于雙向通信的收發(fā)器或用于單向通信的發(fā)射機(jī)器件）本身即可在+14dBmEIRP的ETSI300220限制范圍內(nèi)提供*的解決方案。
　　
　　面向智能儀表的NAN解決方案通常工作在169MHz頻段，該情況下+27dBmEIRP限制可實(shí)現(xiàn)的覆蓋范圍。此外，頻段為869.525MHz的C2模式（僅用于從數(shù)據(jù)收集器至儀表方向）可采用+27dBm限制子帶，適合NAN應(yīng)用。對NAN系統(tǒng)解決方案而言，由于目前尚沒有可提供+27dBm發(fā)射輸出功率的集成式RF收發(fā)器芯片，所以需要添加外部功率放大器。
　　
　　wM-Bus子系統(tǒng)硬件的兩個(gè)變體型（基于EIRP功率限制）：
　　
　　1.沒有外部功率放大器（圖5中的藍(lán)色模塊被去除）
　　
　　2.有外部功率放大器和可選的LNA（如TI的CC1190@868MHz或RF前端@169MHz）　　　　
　　事實(shí)上，圖5的RF子系統(tǒng)代表一個(gè)完整的RF模塊，它一般通過UART連接到主控MCU。在這種情況下，MCU（橙色模塊）將運(yùn)行wM-Bus堆棧以及一個(gè)串行協(xié)議應(yīng)用，以便連接到主應(yīng)用MCU。
　　
　　第二個(gè)選項(xiàng)是讓wM-Bus堆棧在應(yīng)用MCU上運(yùn)行并通過SPI接口連接到RF器件，*避免串行協(xié)議應(yīng)用（刪除圖5中的橙色模塊）。提前弄清智能儀表的軟硬件分區(qū)非常重要，因?yàn)閮煞N架構(gòu)都有優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)注意事項(xiàng)如下：
　　
　　1.計(jì)量部件和wM-Bus堆棧的認(rèn)證。
　　
　　2.實(shí)時(shí)性要求：計(jì)量和RF通信均屬時(shí)間關(guān)鍵型任務(wù)，有時(shí)甚至需要MCU同時(shí)運(yùn)行計(jì)量和通信任務(wù)。
　　
　　3.固件的現(xiàn)場升級：適用于RF通信和/或整套儀表。
　　
　　由于這些原因，制造商往往更喜歡分離計(jì)量和通信功能（雙MCU的方法）來保持他們的系統(tǒng)模塊化。通過獨(dú)立的價(jià)格和/或性能優(yōu)化，在選擇MCU和RF器件時(shí)可實(shí)現(xiàn)更高的靈活性。通常情況下，有多個(gè)引腳兼容的MCU或RF衍生工具，可提供更高的性能和更多的功能。
　　
　　單一的MCU解決方案可節(jié)省一些成本，但需要保護(hù)計(jì)量固件代碼以防止被篡改或避免其它來源的操作或故障，所以常會使計(jì)量部件的認(rèn)證更復(fù)雜。
　　
　　4.具有FRAM的超低功耗MSP430MCU—可使功耗降低50%
　　
　　TI新型“金剛狼”MSP430微控制器產(chǎn)品系列在超低功耗方面真正有所突破，也為基于閃存的傳統(tǒng)型MCU器件帶來了多重優(yōu)勢。MSP430FRAMMCU比閃存寫入速度提升160多倍，每比特能量消耗降低至少250倍，具有幾乎無限的擦寫次數(shù)（>1014次），在所有電源模式下均可確保數(shù)據(jù)保存能力，并借助統(tǒng)一的內(nèi)存架構(gòu)提供的自由度。后者還允許開發(fā)人員為軟件中的程序或數(shù)據(jù)存儲改變內(nèi)存分區(qū)，無需*獨(dú)立的EEPROM和電池供電型SRAM。
　　
　　采用這種基于FRAM的MSP430MCU來運(yùn)行wM-Bus堆棧是一種必然的選擇，也是當(dāng)今可用的zui低功耗解決方案。根據(jù)功能而配置的wM-Bus堆棧相對簡單，能在12至30KByte代碼間變化，可輕松安裝于的TI金剛狼器件之內(nèi)。FRAM的逐位寫入能力允許在現(xiàn)場的差分軟件升級，可降低傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而能運(yùn)行在比特率極低的wM-BusN模式下，數(shù)據(jù)傳輸速率僅為2.4或4.8kbps。
　　
　　極低的功耗與快速寫入能力相得益彰，可為wM-Bus堆棧和智能儀表的其它軟件部件均提供固件升級功能。對當(dāng)前正部署的任何類型智能儀表而言，遠(yuǎn)程固件升級通常都被認(rèn)為是“必須擁有”的功能。
　　
　　5.結(jié)論
　　
　　電源管理器件、超低功耗FRAMMCU等技術(shù)結(jié)合計(jì)量加速器和低于1GHz的高性能RF器件，可推動新一代智能計(jì)量儀表耀世登場。
　　
　　德州儀器（TI）可為智能儀表和智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施提供廣泛系列的器件。
　　
　　TI高性能CC1120RF收發(fā)器產(chǎn)品系列可滿足wM-Bus標(biāo)準(zhǔn)EN13757-4的所有要求，并能在所有可用的模式下（S、T、C、N、R和F模式）實(shí)現(xiàn)Hr（zui別）接收機(jī)的性能。
　　
　　TI高性能CC1120是RF收發(fā)器，可*支持接收只有16位簡短前導(dǎo)碼的N模式報(bào)文，還可*實(shí)現(xiàn)所需的T模式接收性能，數(shù)據(jù)速率變化為+-12%（88-112kbps），沒有任何數(shù)據(jù)包損失。
　　
　　憑借極短的AGC趨穩(wěn)時(shí)間和只有4位的前導(dǎo)碼檢測等*的特性，CC1120平臺對于當(dāng)前頻段為868MHz、433MHz或169MHz的所有wM-Bus解決方案而言均是的RF選擇。CC1120的WaveMatch特性可在儀表的所有wM-Bus模式下同時(shí)支持A和B兩個(gè)框架。
　　
　　基于FRAM的新型MSP430MCU開創(chuàng)了超低功耗標(biāo)準(zhǔn)的里程碑，代表著技術(shù)上的又一次重大飛躍。現(xiàn)在，客戶能借助所有這些可用組件來著手設(shè)計(jì)具有169MHz、433MHz或868MHzwM-Bus子系統(tǒng)的新一代智能儀表。