（电力系统及其自动化专业论文）基于nrf9e5和gprs无线抄表终端的研究.pdf

a b s t r a c t w i r e l e s sm e t e rr e a d i n gi san e wt e c h n o l o g yw h i c ha p p l i e se l e c t r i cp o w e rm e t e r t e r m i n a l sa c q u i s i t i o n ，t r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n gt ot h em o m t o n n gs y s t e m o f e l e c t r i ce n e r g y i tf u n d a m e n t a l l yo v e r c o m e st h es h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a lm a n u a l m e t e rr e a d i n g ，a n da l s op r o v i d e sb e t t e ra n dc o n v e n i e n ts e r v i c e s n r f 9 e 5i saw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h i pw h i c hi s i n t r o d u c e db yn o r d i c s e m i c o n d u c t o ri n co fn o r w a y n r f 9 e 5h a sh i g hp e r f o r m a n c e ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，e a s yt oa p p l ya n da l s oe m b e d sah i g h p e r f o r m a n c e8 0 5 1s c m b a s e d o nt h eg p r sw i r e l e s sm e t e rr e a d i n g ，t h i sp a p e rd e s i g n saw i r e l e s sm e t e rr e a d i n g t e r m i n a lu s i n gt h es h o r t h a u lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no fn r f 9 e 5 ，w h i c hi ss u i t a b l e f o rc o n c e n t r a t i v ee l e c t r i cp o w e ru s e r s t h et e r m i n a li n c l u d e st h ei n t e l l i g e n ta m m e t e r w h i c hi si n s t a l l e di ne l e c t r i cp o w e ru s e r sa n dt h er e l a yd e v i c ei nr e g i o n a lc e n t e r t h e m e t e rr e a d i n gt e r m i n a lc o l l e c t st h ee l e c t r i ce n e r g yd a t au s i n gt h ea p p r o p r i a t i v ee l e c t r i c e l l e r g ym e a s u r e m e n tc h i pa d e 7 7 5 7 ，a n dc l a s s i f i e sa n dc a l c u l a t e st h ed a t ac o l l e c t e d a c c o r d i n gt ot h e “p e a k “p e a c e a n d “v a l l e y ”b yt h en r f 9 e 5 t h er e l a y d e v i c e o b t a i n st i m et h ee l e c t r i ce n e r g yd a t ao ft h ei n t e l l i g e n ta m m e t e ru s e di nr o t a t i o n ，a n d t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e mi sc o m p l e t e db yt h er ff u n c t i o no f t h en r f 9 e 5 t h ew i r e l e s sm e t e rr e a d i n gt e r m i n a l s t u d y i n g t a k e sf u l la d v a n t a g eo ft h e b a s e do nn r f 9 e 5a n dg p r so ft h i sp a p e r r e s o u r c e so fn r f 9 e 5a n dt h ep r i m e l y p e r f o r m a n c eo f g p r s t h et e r m i n a lh a sl o wp r o d u c t i o nc o s t sa n dl o wo p e r a t i n g c o s t s ， s oi ti sa na u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gd e v i c e so fg o o dd e v e l o p m e n tp r o s p e c t s k e yw o r d s ：w i r e l e s sm e t e rr e a d i n gt e r m i n a l ，n r f 9 e 5 ，g p r s ，i n t e l l i g e n t a m m e t e r , r e l a yd e v i c e - l v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 磅究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基壅基堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确昀说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：雨， 嵩玺 签字吼习 年- 月如目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关僳留、使用学位论文的规定。 特授权基鲞基堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：筠惰复 签字日期：叩年 月毕日 导师签名：参援绚色 签字日期：哆年。月髟同 天津大学硕士学位论文基于n r f 9 e 5 和g p r s 无线抄表终端的研究 第一章绪论 1 1电能量抄表自动化的意义 随着星家电力系统两网改造工作的逐渐推进，“一户一表，管电到户 政策 的贯彻，用电网络急剧膨胀，使得供电企业对用电网络的管理任务日益加剧。同 时，近几年国内电力供应严重不足已经成为制约国民经济发展的瓶颈之一，如何 合理、有效地利用电力资源已经成为电力市场供需双方共圊关注翡焦点。把庞大 且分散的用户用电量及其它数据及时而且准确无误地收集、统计及分析，更好地 利用资源为广大人民服务，已成为供电企业一个迫切需要解决的问题【i j 。这就要 求我们有新型的运营管理模式，有一套与之褶配套静电能量信息化管理系统，能 够及时分析、处理审场运营中的大量电能量数据信息。 为了提高效益和加强管理，每个单位都要进行严格的成本核算，而用电量往 往是一些单位考核的主要指标。对每日、每月、每年的用电量，如果全部都采用 人工值班抄表的话，抄表闻隔时闻较长，再加上要抄的电表数量多，要反映某一 时刻的用电峰值是不科学的。另外，为了严格的成本核算，需要分“峰 、“平、 “谷三个时段抄表，因此入工抄表任务相当繁琐，且准确性差，如果还需要做 出“墨、胃、年雳电量图表就更麻烦了嘲。箍且奎人工抄表所带来的漏抄、误 抄、估抄，甚至抄表人员同用电户含伙作弊，都会给供电企业带来不可估量的损 失。因此供电企业需要一种投资少，安装及维护方便，通讯可靠，计量准确的远 程集中抄表解决方案1 1 1 。嚣前，已有很多企业采用了远程自动抄表系统。 电能量抄表自动化有以下优点和作用1 4 j ： 1 、方便抄表工作。远程自动抄表摄供了电能表数据抄录的计算机管理，抄 表人员足不出户就可以对电髓表的数据及时准确地进行抄录，降低了抄表人员的 劳动强度，极大地方便了抄表工作。 2 、采集数据迅速准确。主站系统在抄表时，对数据采集处理装置进行校时， 使各采集装鬻抄录电能表数据的时间保持一致；由于剔除了人工现场抄表的不利 因素，保证了所抄电能表数据数准确性；鼹时，可随时对计量装置的运行情况进 行监测，及时发现异常情况。 3 、原始数据的唯一性。在抄表系统在设计上，严格遵循电能量数据唯一性、 安全性以及不可修改性的原则。抄表工作站的操作要经过严格安全检查秘登录操 第一章绪论 作，抄回的数据定义为只读不可修改，其余工作站的数据处理来源于抄表工作站 抄回的数据信息，各工作站的任何操作均不能改变原始豹数据信息。 1 2电能量抄表自动化的各种方案 实现自动抄表主要有两种方式：一是通过电能表本身来解决，即采用l c 卡或 点卡形式的电能表，用户在售电机上买电后将卡插入自己的表中即可用电，预先 将使用的电量记录在售电机内，实现先买电后使用；另一种是利用自动抄表系统 来解决。香前，世界上大多数国家都以后者的发展势主”j 。 自动抄表有线方式主要有电力线载波、公用电话网、综合服务数据网等，媒 介主要有光纤、电力线、音频电缆和屏蔽电缆( 主要用于当地设备单元之间构成 现场总线) ；无线方式主要有微波通信、高频通信、g s m g p r s 通信、红外通信 等【4 1 。现对以下几晕中主要抄表方式进行比较： 1 、电力线载波抄表1 4 j ：电力载波抄表是指利用现有电力线，通过载波方式 将模拟或数字信号进行传输的技术。哥前的趋势是有两者合一的倾向，同时载波 技术也有了较大的发展。其重要优点是利用电力线路传输，节省资源。电力载波 在高压输电线上对继电控制信号和声音信息传送方面的应用十分成功。高压输电 线输送距离长、系统结构简单、维护方便，所以电力载波在其上应用效果非常好。 然而，电力载波系统在配电线上的传输爵能会遇到诸多露难。由于支线和 分接头、线路从高架到地下的过渡、电容箱、甚至负荷自身大小等都将或多或少 改变网络阻抗，从而引起高频波的偏离。这种偏离在一些地方有增强的倾向，而 另一些地方会抵消，这都使电力载波在经常变化的配电线上非常难以预料帮控 制。同时，经常会受无线电信号、电磁傣号、脉冲信号的干扰，导致传输数据错 码、丢码的情况。 文献f 5 】利用现在居民小区每家每户都铺设酶2 2 0 v 电力线路作为媒奔，提 出以a t 8 9 c 2 0 5 1 作为m c u 的智能电表。用户用电量经载波通信模块调制后， 转换为能在电力线上传输的高频模拟信号来完成自动抄表。文献【6 】介绍了基予 s s c l 6 载波通信专用芯片组的低压电力线远程抄表系统。文中将电力线载波扩频 通信发送器芯片p l c l 3 6 安装于智能电度表端、接收器芯片p l c l 3 8 安装在抄控 器或集中器，中间利用低压电力线载波通信进行远程抄表。文献【7 】介绍了用 p i c 6 c 6 3 单片机作为c p u 设计了种载波扩频通信模块。数据经过扩频调制、 载波功率放大，到鉴频进入处理器进行信号解调，利用6 3 位扩频码和2 7 0 k h z 载波对数据以3 0 0 k b p s 进行传输来完成自动抄表。文献【8 】利用p l 2 10 1 电力线芯 片构造了一个电力线通信模型。专为电力线通讯网络设计的半双工异步调制解调 天津大学硕士学位论文 基于n r f 9 e 5 和g p r s 无线抄表终端的研究 器p l 2 1 0 1 为电力线抄表通讯提供了可行性以及可靠性。 2 、c a t v 网络抄表：我国广播电视传输隧经凡十年的发展，己成为崔界第 一大有线电视网，即c a t v 网络。c a t v 网络带宽为5 5 0 m h z ，最高可达1g h z 。 其数据通信速度是目前电话线的1 0 0 0 0 倍，是采用a d s l 技术通信速度的1 0 0 倍。利糟有线电视网络抄表，就是利用现有的c a t v 网络，用调制解调器将用户 用电量转换成模拟量进行远程抄表。基于c a t v 网终的自动抄表系统解决方案， 经济实用，具有很大的推广价值。 文献【9 】提出了以a t 8 9 c 5 1 单片机为c p u 的基于c a t v 网络的抄表系统。 系统的调制和解调芯片选用m c 2 8 3 3 郊m c 3 3 7 1 ，通过c a t v 网络对电力用户的 智能电度表进行远程抄表。文献【l o 】介绍了基予h f c 双向网的网络抄表系统。 h f c 是光纤和同轴电缆相混合的有线电视混合网络，特点是传输容量大，能实 现双自传输。该抄表系统在光电转换传输设餐前连接一个专用的集中器，解调 t v 通道中的5 4 9 m 士1 0 0 k h zf s k 信号，并调制1 1 0 。9 m + 1 0 0 k h zf s k 信号进行下 发命令。 3 、p d a 手持抄表：p d a 是p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t 的缩写，孛文意思是“个 人数字助理”。这种手持设备集中了计算、电话、传真和网络等多种功能。它不 仅可用来管理个人信息( 如通讯录，计划等) ，还可以上网浏览网页，收发e ，m a i l ， 可以发传真，也可以当作手机来用。 在现场，p d a 抄表机通过r s 2 3 2 4 8 5 串行口或红外通信口采集电能量数据 采集器采集到的电力数据，经过转换，成为报表格式存入抄表机内的存储器。回 到监控中心，p d a 抄表机再经过u s b 端口或串行口将存储器的数据传输到后台 计算机，进一步完成统计、分析、校验、打印等工作。这种抄表方式仍然没有摆 脱人工抄表的方式，耗费人工多、成本高、效率低，可作为远程自动抄表系统的 补充。 文献【ll 】分绍了一种基予p 8 9 l p c 9 3 2 徽处理器的经外抄表系统。系统麓多 功能电度表由p 8 9 l p c 9 3 2 单片机、红外通信模块以及其它模块组成，手持抄表 终端与多功能电度表采用i r d a 通信技术标准。 4 、g p r s 抄表：g p r s 是逶用分组无线监务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称，是在现有g s m 系统上发展如来的一种新的承载业务，提供端到端 的、广域的无线i p 连接【4 1 。g p r s 网络的技术核心是在g s m 网络中传送分组数据 业务，它的技术优势主要体现在两个方面，即：实现了用户数据与无线露络资源 的最佳结合：实现了l p 协议的透明传送。与原有的g s m 网络比较，g p r s 在数据 业务的承载和支持上具有非常明显的优势2 j ： ( 1 ) 使用了g p r s 后，数据实现分组发送和接收，这同时意味着用户总是 第一章绪论 在线且按流量计费，只要没有流量就永远不收费，迅速降低了服务成本。 ( 2 ) 不阍的网络用户共享溺一组g p r s 倍道，僵只有当某一个用户需要发 送或接收数据时才会占用信道资源。这样，通过多用户的业务复用，更有效地利 用了无线网络的信道资源，特别适合突发性、频繁的小流量数据传输，很好地适 应数据娩务的突发性特点。 ( 3 ) g p r s 的最大优势在于它的数据传输速度不是w a p ( 无线应用协议) 所能比拟的。通过多个g s m 时隙的复用，支持的数据传输的速率更高，理论峰 值可达1 7 1 k b p s 。 ( 4 ) 与w a p 技术不同，g p r s 能够随时为用户提供透明的l p 通道，可直 接访问i n t e r n e t 中所有的站点和资源。 文献 1 3 】提出一种远程g s m g p r s 短消息抄表的系统方案。该系统把地域上 的小区作为一个单位，在此单位内建立一个以带g s m g p r s 终端的小区基站为 中心的专用无线集中系统。电力用户的智能仪表通过星型网络拓扑结构的通信系 统把电能量数据先上传到居民小区各楼字外的路由器中，路由器再通过改进型网 络拓扑结构的通信系统将数据传送到小嚣基站，最藤利用g s m g p r s 终端与管 理中心进行短消息联系。文献【1 4 】以p i c l 8 f 6 6 2 0 为c p u ，设计一个利用g s m 短 信息抄表方法的应用系统。g s m 模块采用西门子公司的t c 3 5 模块，智能电度 表通过r s 4 8 5 总线将用户焉电量传输到该应用系统中，然后t c 3 5 模块利用短 消息的形式将用电量上传到电能量监控中心。文献【1 5 】介绍了以c 8 0 5 1 f 0 2 3 单片 机为c p u 的基于g p r s 的无线远程抄表。通讯模块选用西门子公司的m c 3 5 作 为g p r sm o d e m ，通过在单片机中嵌入t c p i p 协议和p p p 协议来实现无线抄表。 文献【1 6 掰! 鲞利用a t 8 9 s 5 1 单片机和w a v e c o m 公司的q 2 4 0 6 b 无线通信模块 来实现g p r s 数据传输。文献 17 】提出的抄表终端选用t l 公司的m s p 4 3 0 f 4 4 9 为c p u 、s o n ye r i c s s o n 公司的g r 4 7 为g p r sm o d e m 。单片机通过电量传感器、 m b u s 或4 8 5 接霞等采集电量信息，终端对采集到的若干个电表数据，进行分析、 统计、处理、存储，m c u 再通过串口控制g r 4 7 ，将存储的抄表数据通过g p r s m o d e m 发送给主站。 1 3本文的工作内容 虽然g p r s 的设备成本和运行费用不是很高，但相对于一台电能表的价格， 一台g p r s 的费餍也是比较昂贵的。对予电能表数量多、密度大的区域，比如某 一住宅小区，给每个电能表都配置一台g p r s 是不经济的，也是不现实的。因此， 在实际应用的远程自动抄表系统大多采用两级式数据汇集结构，即由安装于同一 天津大学硕士学位论文基于n r f 9 e 5 和g p r s 无线抄表终端的研究 区域内用户的电能表读数，通过有线方式或无线方式连接到安装在区域中心的 g p r s 上，焉由g p r s 与电能量监控中心取得联系。 传统的对于点与点之间的通信方式一般都是采用有线方式，比较常用的有线 通信是用r s 2 3 2 4 8 5 总线或者c a n 总线进行数据传输1 2 引。 l 、r s 2 3 2 是率行通信接翻标准中最常用的一种串行通信接墨。邋鬻在单片 机系统中，最高波特率一般为l1 2 b i t s ，推荐最大电缆长度为15 m ，实际威用中 可以以降低通信速率为代价适当延长通信距离。如果要实现长距离的传输( 数百 米) ，需要使用专门的长线驱动器来延长r s 2 3 2 的通信距离。r s 2 3 2 与传统静 h l 等数字电路的逻辑电平不兼容，因此两者之间的连接必须使用电平转换。另 外通信两端的电平转换电路均为单端电路，无法抑制共模千扰，各信号间也易受 到串扰干扰。 2 、r s 一4 8 5 协议可以看作是r s 2 3 2 协议的替代标准。与传统的r s 2 3 2 协议 相比，其在通信速率、传输距离、多机连接、抗干扰能力等方面，均有了非常大 的提高，而且实现成本低，因此得到了十分广泛的应用。 3 、c a n 总线是一种多主方式的睾符通讯总线，基本设计规范要求有离的位 速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出通信中产生的任何错误。当信号传输距 离达到10 k m 时，c a n 总线仍可提供高达5 k b p s 的数据传输速率。c a n 总线具 有结构简单、透信方式灵活、传输簇离长、可靠性高等优点，因此被广泛应用予 控制系统中检测和执行机构之间的数据通信中。 随着无线通信技术的发展，短距离无线通信以其特有的抗干扰能力强、可靠 性高、安全性好、受地理条件限制少、安装施工简单灵活等特点，在无线抄表系 统中得到了应用。 本文将在g p r s 无线通信的基础上，研究无线抄表系统中短距离通信的解决 方法，且使之能够满足各方面的要求。论文主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 在比较多款无线通信芯片的基础上，确定采用挪威n o r d i c 公司的无线 通信芯片n r f 9 e 5 来完成电力用户到中继装置之间的电能量数据传输。 ( 2 ) 利用美国a d i ( 模拟器件公司) 2 0 0 3 年5 月推出的、高精度专用电能 测量芯片a d e 7 7 5 7 设计安装在电力用户的智能电熊表。 ( 3 ) 考虑到n r f 9 e 5 存在i o 较少的实际情况，采用串行接口方式的液晶 模块。 ( 4 ) 中继装置部分，选用西门子公司的m c 3 5 模块将智能电能表采集的电 量数据上传到电能量监控中心，以实现真正的远程抄表。 ( 5 ) 研究各个硬件装置的软件开发环境，编写实现远程抄表所需要的软件 支持。 第二章n r f 9 e 5 及其开发系统 第二章n r f 9 e 5 及其开发系统 2 1r f 系列芯片的比较 霉前无线数据传输已经应用到无线抄表、王业数据采集、无线遥控系统等各 个领域，由于无线收发芯片的种类和数量比较多，无线收发芯片的选择在设计中 是至关重要的，因此正确的选择可以减少开发难度，缩短开发周期，降低成本。 选择无线收发芯片时应考虑需要以下足点因素玲碰： ( 1 ) 尽量选用国内较为流行的芯片，有利于以后的生产和维护。 ( 2 ) 尽量选用较为成熟可靠的工业级芯片或模块，有利于适应系统的工作 环境。 ( 3 ) 关键部分选用抗于扰性较好的芯片。 ( 4 ) 尽量选用贴片元器件而不是直插式元件，贴片元件既有利于大规模生 成，也有利于减少过孔数量，以便留出更大的布线空间。 ( 5 ) 为关键元件的可靠王作黧出适当的额外余量。 ( 6 ) 在满足系统性能的情况下，尽可能降低系统的价格。 ( 7 ) 尽量选用低功耗、高发射功率、高接收灵敏度、高集成度的芯片。 当前，廒用比较广泛熬r f 短距离数据通信芯片主要有n r f 4 0 1 、n r f 9 0 5 、 n r f 9 e 5 和c c l 0 0 0 ，下面就以上几种无线收发芯片作一个对比描述： n r f 4 0 1 是n o r d i c 公司研制的单片u h f 无线收发芯片，工作在4 3 3 m 频段。 它采用f s k 调制解调技术，抗干扰能力强，并采用p l 乙频率合成技术，频率稳定 性好，发射功率最大可达+ 1 0 d b m ，接收灵敏度最大为1 0 5 d b m ，数据传输速率 可达2 0 k b p s ，工作电压在+ 3 “5 v 之间。n r f 4 0 1 无线收发芯片所需外围元件较少， 并可直接和单片枫的串1 2 1 连接澄l 。 n r f 9 0 5 是n o r d i c 公司为4 3 3 8 6 8 9 15 m h zi s m 频段设计的荤片u h f 多段无线 收发芯片，它采用优化的g f s k 调制解调技术，抗干扰能力强，采用d d s + p l l 频 率合成技术，频率稳定性好，灵敏度高达10 4 d b m ，发射功率可以谲整，最大发 射功率是+ 1 0 d b m ，可在1 5 5 。6 k h z 的有效带宽下传输最高1 0 0 k b p s 的数据。n r f 9 e 5 是在n r f 9 0 5 的基础上在芯片内部嵌入高性能的8 0 5 1 单片机，其无线收发部分与 n r f 9 0 5 的原理、性能一样吲。 c c l 0 0 0 是c h i p c o n 公司推出豹单片哥编程鼯收发芯片，工作1 s m 频段 天津大学硕士学位论文基于n r f 9 e 5 和g p r s 无线抄表终端的研究 ( 3 0 0 - 1 0 0 0 m h z ) 。c c i 0 0 0 集成了射频发射、射频接收、p l l 合成、f s k 调制解 调、可编程控制等多种功能。c c l 0 0 0 采用锬相环技术，发射频率是通过内部的 频率合成器来配置的，可配置的范围为3 0 0 - 1 0 0 0 m h z ，适合应用跳频协议，一 般可配出1 0 或2 0 个频点。该芯片灵敏度为- 1 0 9 d b m ，并可自动校准，可编程输 蕊功率为- 2 0 d b m - - + l0 d b m ，通信速率可达7 8 6 k b p s l 2 6 1 。 以上三款无线收发芯片的性能对 幺f 2 6 1 如表2 1 所示： 表2 1 三款无线收发芯片性能比较表 芯片r l 黔4 0 1n r f 9 嚣5c c l 0 0 0 生产厂商n o r d i cn o r d i c c h i p c o n 频段4 3 3 m h z4 3 3 8 6 8 9l5 m h z4 3 3 8 6 8 9l5 m h z 最大发射功率 l o d b ml 嬲8 攫1 8 d 8 嫩 最高灵敏度 1 0 5 d b m1 0 4 d b m1 0 9 d b m 最高通信速率 2 0 k b p s1 0 0 k b p s 19 2 k b p s 调制方式 f s kg f s kf s k 工作电嚣2 。7 5 2 5 v2 。7 3 3 v2 7 3 6 v 接收电流 ll 燃a1 4 5 m a8 。8 m a 、发送电流 8 m a1 2 5 m a1l m a 比较上面三款芯片，考虑到n r f 9 e 5 内嵌高性能8 0 5 1 单片机、集成度较高， 通信速率和健价院高，因茈选耀n r f 9 e 5 来设计具有无线接发功能的智能电能表 穰与其相适应的中继装置，并把它们构成了区域性无线通信网络，使整个无线抄 表终端更加经济。 2 2n r f 9 e 5 芯片的基本构成 n r f 9 e 5 是n o r d i cv l s i 公司于2 0 0 4 年2 月5 日推出的系统级无线射频收发 芯片，其内黉n r f 9 0 54 3 3 8 6 8 汐1 5 m 收发器、8 0 5 1 兼容微控制器和4 输入l o 位8 0 k s p sa d 转换器，内含电源管理、p w m 、u a r t 、s p i 、逻辑接口电路、看 门狗电路、多通道可编程唤醒电路，是真正的系统级芯片f 2 5 】。 第二章n r f 9 e 5 及其开发系统 内置n r f 9 0 5 收发器与n r f 9 0 5 芯片的收发器一样，可以工作于s h o c k b u r s t ( 自动处理前缀、地址和c r c ) 方式。辨接5 0 1 2 天线，且在无遮挡时，信号有 效发射距离可达5 0 0 m ，有建筑物等遮挡时仍可达3 5 0 m 左右。内置电压调整模 块，最大限度地抑制噪音，为系统提供1 9 3 6 v 的工作电压，q f n 5 x 5 m m 封装， 载波检测。n r f 9 e 5 符合美国通信委员会和欧毫 | 电信标准学会的裙关标准。 由子n r f 9 e 5 功耗低，工作可靠，又没有复杂的通讯协议，完全对用户透明， 同种产晶之间可以自由通讯，内置的c r c 纠错硬件电路和协议免去了软件开发 人员的软件纠错编程和微控制器的纠错运算，降低了无线应用的开发难度。 n r f 9 e 5 芯片的内部结构框图如图2 1 所示： - 1 k 订1 4 k1 3 a x2 5 国一八【1 j - 1 l r f 涨l o a d e r 删 癌鳓 一删、l 二 1 叫斑一确豉晰i4 3 3 懈 、l ，r 8 0 k s o s u a k i o9 1 5 艟电 厂基佳_ i a 燃 - i 一t n r f f 0 , 1 , 2 ! 蟠：一1 a u f收黼 l 鳓l 兼萄 - 气尹f i f 一 ，、上产址l 点i 士e0 曩 零 。令一令t 、，一令一，一- 令一。 l 专 _ 蕞降每_ r t c - 5 删z 斌 j ， 电艘 j 、 r ， 、， 、r 、， 3 一 嘉 n i 兰i i 静奢静争 一= i r l 峒l n p 基= 义越 天斤斤再一再斤斤硝吲 图2 1n r f 9 e 5 芯片内部结构框图 天津大学硕士学位论文基于n r f 9 e 5 和g p r s 无线抄表终端的研究 ( 1 ) 徽控制器网 n r f 9 e 5 的片内微控制器与标准8 0 5 1 兼容，指令时序与标准8 0 5 1 稍有区别。 典型的区别是；n r f 9 e 5 的片内微控制器的指令周期为4 到2 0 个时钟周期，8 0 5 1 为1 2 到4 8 个时钟周期。中断控制器支持5 个扩展中断源：a d c 中断、s p i 中断、 r a d l 0 1 中断、r a d l 0 2 中断和唤醒定时器中断。片内控制器还有3 个与8 0 5 2 相溺的定时器。1 个和8 0 5 1 相同的串行通讯端v iu a r t ，可以用定时器l 和定 时器2 作为异步通信的波特率产生器。此外，c p u 还扩展了2 个数据指针j 以 方便予从片外r a m 读取数据。 微处理器中有2 5 6 b 的数据r a m 和5 1 2 b 的r o m 。上电复位或软件复位盾， 处理器自动执行r o m 引导区中的代码。用户程序通常是在引导区的引导下，从 e e r o m 加载到1 个4 1 0 3 的r a m 中，这个4 k b 的r a m 也可作存储数据用。 n r f 9 e 5 的大部分寄存器和标准8 0 5 1 相同，只是增加了一些特殊功能寄存 器，如r a d l o ( p 2 ) 、a d c c o n 、a d c d a l a h 、a d c d a l a l 、a d c s t a t l c 、 p w m c o n 、p w m d u t y 、r c a p 2 l 、r c a p 2 h 、c k l f c o n 等。羚l 疆9 e 5 巾的p o 、 p l 和p 2 口寄存器地址和标准8 0 5 1 中的相同，都是0 x 8 0 、0 x 9 0 、0 x a 0 ，但功能 和标准8 0 5 1 中的有所不同。 ( 2 ) 定时器与计数器 n r f 9 e 5 包括3 个定时器计数器( 定时器0 、定时器l 和定时器2 ) ，每个 定时器计数器都以c p u 时钟频率为基准进行定时或计数的。相应结果输出在 t 0 脚、t l 脚或t 2 脚，t o 脚、t l 脚、t 2 脚分剐与p 0 5 、p 0 6 、p 1 0 脚复用。默认 状态下，n r f 9 e 5 的定时器是以每1 2 个c p u 时钟周期为单位自加一次，这点与 8 0 5 1 是相丽的。使用默认速率对，指令时闻与真实时闯就完全相符。 定时器0 和l 有4 种工作方式，通过工作方式寄存器t m o d 和定时器控制 寄存器t c o n 来控制的。4 种模式是：1 3 链定时器计数器模式( 摸式o ) 、1 6 位定时器计数器模式( 模式1 ) 、8 使计数器自动加载模式( 模式2 ) 和两个8 位计数器模式( 模式3 ，定时器0 独有) 。定时器2 只能工作在1 6 位模式下，工 作方式有1 6 位定时器计数器、1 6 德带有捕捉模式的定时器鞍1 6 位皇动重载 定时器计数器。 ( 3 ) s p i 接口和a d 转换器 s p i ( 串行外设接口) 的接口弓f 脚有m i s o 、s c k 、m o s i 和e e c s n es p i 豳的e e c s n 作为e e p r o m 的片选信号，m i s o 、s c k 和m o s i 与p l 豳的低3 位复爝，通过寄存器s p ic t r l 控制来控制功能间的转换，端口功能转换如表 2 2 所示： 第：章n r f 9 e 5 及其开发系统 表2 - 2 端弱功栽设置 s p ic 丁r l ! = 0 1 引脚 s p i 。c t r l = 01 p 1a 弧n = 0 p i a l t n = i p 1 一d i r n 翘 p ld l r n = l s c k s p i 时钟 o u l乾l np l 。0l 髓p l 。o暖 m o s ls p i 数据输出 。髓tp 1 1 i o p 1 1l 茶p 1 1o 秘 m l s 0 s p i 数据输入 l 瓣p 1 2l 襄p l 。2l np 1 。2l n e e c s np 1 3o u tp 1 3i op 1 3i np 1 3o u t n r f 9 e 5 片内有一个1 0 位线性a d c ，其转换速率为8 0 k s p s 。a d 转换参考电 篷可以通过软件设置在a 地f 弱1 2 2 v 之间( 内帮参考电蓬) 。a d 转换器的4 个输 入可通过软件进行选择，通道0 3 可以把对应引脚a i n 0 - - a i n 3 上的电压值分别 转换为数字值，通道4 用于对n r f 9 e 5 工作电压的监控。a 国转换器的典型应用 是启动停止模式，采样时间是南软件来控制的，默认互作予1 0 使方式，如有 特殊需要，可通过软件使其工作予6 位、8 位或1 2 位方式。 ( 4 ) 射频收发器 n r f 9 e 5 收发器通过内部并行臼或内部s p i 口与其它模块进行通信，其有阋 单片射频收发器n r f 9 0 5 相阉的功能。收发器通过片内m c u 并行髓或s p i 口与 微控制器通信，数据准备好、载波检测和地址匹配信号能够作为微控制器的中断。 n r f 9 e 5 王诈予4 3 3 8 6 8 9 l5 m h zi s m 频段。收发器由1 个频率发生器、1 个 功率放大器、1 个谒割器和2 个接收器组成。输出功率、频率髑其它射频参数珂 通过对特殊功能寄存器r a d i o ( 0 x a 0 ) 编程进行控制。发射模式下，射频电流 消耗为1l m a ，接收模式下为1 2 。5 m a 。为了节能，可通过程序控制收发器的开 关。 2 3n r f 9 e 5 的通信方式 n r f 9 e 5 使用n o r d i cv l s i 公司的s h o c k b u r s t 技术，进行高速的数据传输。与 射频数据相关的协议由n r f 9 e 5 片内的n r f 9 0 5 收发器自动处理。n r f 9 e 5 只用简 单的s p i 接豳便能秘n r f 9 0 5 收发器进行数据传输，数据传输的速度取决于s p i 接 口的速度，这个可以在n r f 9 e 5 片内8 0 51 内核中进行配置。s h o c k b u r s t 模式实现 低速数据输入高速数据输出，从而降低了系统的平均能耗【2 5 l 。 天津大学硕士学位论文基于n r f 9 e 5 和g p r s 无线抄表终端的研究 当系统没有发送和接收任务时，其进入空闲节能方式，n r f 9 e 5 在空闲方式 下，一显有铗务要处理时，其能够在很短的时闻内就进入s h o c k b u r s t 接收方式 和s h o c k b u r s t 发送方式。空闲方式下，晶体振荡器依然蔓作，配置字中的内容 不至于丢失。 ( 1 ) 调制 n r f 9 0 5 采用g f s k 调制方式。偏移值：+ 5 0k h z ，数据发送速率：1 0 0 k b p s 。 通过g f s k 调制后的有效传输带宽比f s k 调制后的带宽更宽。数据在内部进行 曼彻斯特编码( t x ) 和曼彻斯特解码( r x 。就是说，数据传输有效的连接速 率是5 0 k b p s 。采用内部曼彻斯特解码，微控制器不需要制定编解码规则。 ( 2 ) 工作频率 n r f 9 0 5 的r f 工作频率由配置寄存器中的c hn o 和h f r e qp l l 设置。工 作频率由以下公式给出： f o p - - ( 4 2 2 chno 卜( 1 + h fr e q p l l ) m 磁 当h f r e q _ p l l = “0 ，通道频差为1 0 0 k h z ，当h f r e q _ p l l = 搿l ，通道 频差为2 0 0 k h z 。工作频率设置如表2 3 所示： 表2 - 3 工作频率设置 工作频率 h f r e q p l 毛 c 疆n o 4 3 3 + 0m h z 【翻【0 0 1 0 0 11 0 0 】 4 3 3 。lm h z 【0 】【0 0 11 0 1 0 11 】 4 3 3 2m h z 【0 】【0 0 11 0 11 0 0 】 4 3 3 7m h z 【0 】【0 01 1 1 1 0 1 1 】 8 6 8 0m h z 【1 】【0 0 1 0 1 0 110 】 8 6 8 2m h z 【1 】【0 0 111 0 1 0 1 】 8 6 8 4m h z 1 】【0 0 1 1 1 0 1 1 0 】 8 6 8 8m h z f 1 】【0 01 1 1 1 1 0 1 】 9 0 2 2m h z 【1 】f 1 0 0 0 1 1 1 1 1 】 9 0 2 。4m h z f 1 】f 10 0 10 0 0 0 0 】 9 0 2 + 8m h z 【1 】【1 1 0 0 1 1 1 1 1 】 第二章n r f 9 e 5 及其开发系统 ( 3 ) 载波监测 在s h o c k b u r s t 接收方式下，当激现n r f 9 e 5 工作信道内的射频载波时，载波 检测引脚( c d ) 被置高，这个特性很好地避免了同工作频率下不阉发射器数 据包之前的碰撞。当收发器准备发射数据时，它首先进入接收方式并探测所工作 的信道是否空闲。典型的载波检测值一般比灵敏度低5 d b ，比如：如果灵敏度为 1 0 0 d b m ，那么载波检测信号可以检测到1 0 5 d b m 的载波。也就是说，低于 1 0 5 d b m 的信号被认为是低电平( 0 v ) ，高于9 5 d b m 的信号被认为是高电平 ( v d d ) 。介于1 0 5 一9 5 d b m 之间，载波检测信号可能为低也可能为高，处理器 将作无效处理。 ( 4 ) 地址匹配 当n r f 9 0 5 工作在s h o c k b u r s tr x 模式时，当收到有效数据及地址时a m 脚 被置高。n r f 9 0 5 实际上是在d r 为高之前就已经开始接收数据了。如果接收完 数据时d r 脚状态仍为低，例如c r c 校验结果错误，则在数据接收结束后a m 被置低。此功能对于m c u 来说是非常有用的，当a m 脚为高时，m c u 可以决 定是等待并观测d r 是否被置高( 标志一个有效的数据包已接收完毕) ，或者放 弃接收并改变工作模式。 ( 5 ) 数据准备就绪 数据准备就绪信号( d r ) 可以大幅降低m c u 软件编程的笺杂性。在 s h o c k b u r s tt x 模式下，当一个完整的数据包传送恁d r 置高，通知m c u 数据 已经发送完毕，可进行下一步工作。当开始传输新数据或转变工作模式时d r 脚 被置低。在s h o c k b u r s tt x 自动重发数据模式下，在开始发送前导码时d r 置高， 在前导码发送结束后墨低，因此，d r 信号在每次数据发送开始时产生一高电平 脉冲。在s h o c k b u r s tr x 模式下，当n r f 9 0 5 接收完一个有效的数据包后( 有效 地址、包长度、c r c 校验) d r 置高，此时m c u 可以通过s p i 口将数据读出。 数据被读出或设备转换互作模式后，d r 脚置低。 ( 6 ) 自动重发 在有噪声干扰或没有碰撞调节的情况下应用n r f 9 0 5 的自动重发功能可以很 方便地提高系统的可靠性。通过设置寄存器孛a u t or e t r a n 位为gl 启动 自动重发模式，在皇动重发模式下，在t r xc e 和t xe n 位为高时系统不断的 发送相同的数据包，直至t r xc e 变低。 2 。4k e i lc 5 l 开发环境 本文设计的无线抄表终端应用软件采用k e i l 开发工具开发。k e i lc 5 1 是美国 天津大学硕士学位论文基于n r f 9 e 5 和g p r s 无线抄表终端的研究 k e i ls o f t w a r e 公司出品的5 1 系列兼容单片机c 语言软件开发系统，与汇编相比， c 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。 目前，m c s 5 1 及其众多的派生系列已成为单片机市场的主流产品，尤其是c y g n a l 推出的c 8 0 5 1 f 更加引人瞩目。美国k e i l 公司的c 语言编译器、调试器、实时操作 系统以及i d e ( 集成开发环境) 全面支持这些产品，而且功能强大，得到了广泛 应用【2 9 1 。 k e i lc 5 1 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全 w i n d o w s 界面