一种基于MSP430和nRF401的家用射频无线自动抄表系统设计.doc

一种基于MSP430和nRF401的家用射频无线自动抄表系统设计收藏 | 分类: | 查看: 246 | 评论(0) 摘 要： 介绍了一种基于MSP430和nRF401的家用射频无线自动抄表系统，详细地叙述了系统设计原理与软硬件的实现方法。传统的抄表收费方式存在许多弊端，出错率高，漏抄，麻烦，成本高，已经跟不上现代化社会的需求。自从有了自动抄表系统，中间省去了很多环节，提高工作效率，降低成本。为了在已建成的小区中方便地使用自动抄表系统，免除家庭内部重新布线的不便，设计了一个应用于家庭内部的短距离无线抄表系统。1 系统的总体结构图1为短距离无线抄表系统的总体结构，它可用于家庭内部三表或多表数据的抄送。系统下层直接与水表、电表、煤气表等连接，上层可以通过电话、以太网、GSM或GPRS等与抄表中心连接，实现数据的远程抄送。系统一般使用被动抄表方式。上层模块接收到仪表中心的抄表命令时，通过无线方式向下层模块发送抄表指令。下层模块接收到指令后通过485总线采集三表的数据，将数据打包后通过无线通讯芯片发送出去。上层模块收到数据后，将数据解包，发送给抄表中心。系统也可采用主动抄表，即下层模块定时采集三表数据，发送到上层模块，再由上层模块发送到仪表中心。2 系统的硬件实现2.1 系统硬件结构图2为系统的硬件结构。系统的MCU使用TI公司MSP430系列中的F123型，通过nRF401芯片实现无线数据收发，并通过MAX3485芯片及485总线与三表或电话、网络等连接。如果需要与232总线或仪表总线等连接，只需更换转换芯片即可方便地连接。通过液晶和简易键盘，用户可以查看三表的数据并对仪表地址进行设定。2.2 主要系统器件介绍无线通讯使用Nordic公司的单片收发芯片nRF401。nRF401是Nordic公司研制的单片UHF无线收发芯片，工作在433MHz ISM（Industrial, Scientific and Medical）频段。它采用FSK调制解调技术，抗干扰能力强，并采用PLL频率合成技术，频率稳定性好，发射功率最大可达10dBm，接收灵敏度最大为105dBm，数据传输速率可达20Kbps，工作电压在+35V之间。nRF401无线收发芯片所需外围元件较少，并可直接单片机串口。nRF401芯片内包含有发射功率放大器（PA）、低噪声接收放大器（LNA）、晶体振荡器（OSC）、锁相环（PLL）、压控振荡器（VCO）、混频器（MIXFR）、解调器（DEM）等电路。在接收模式中，nRF401被配置成传统的外差式接收机，所接收的射频调制的数字信号被低噪声较大器放大，经混频器变换成中频，放大、滤波后进入解调器，解调后变换成数字信号输出（DOUT端）。在发射模式中，数字信号经DIN端输入，经锁相环和压控振荡器处理后进入到发射功率放大器射频输出。由于采用了晶体振荡和PLL合成技木，频率稳定性极好；采用FSK调制和解调，抗干扰能力强。nRF401可以通过串行接口与单片机直接相连，无需复杂的编码，所需的外围器件很少，使用简单。其电路原理图如图3所示。系统的MCU使用TI公司的MSP430系列，是一种具有超低功耗特性的功能强大的16位单片机。当运行在1MHz时钟条件下时，工作电流可因工作模式不同在0.1A200A（2.2V）之间，工作电压为1.8V3.6V。其高效率精简16位指令结构可以确保任何任务的快速执行，大多数指令可以在一个时钟周期内完成；它还具有高级语言编程的能力，可以加速软件的开发。本系统使用的是该系列的F123型，具有8KB+256Byte Flash Memory和256Byte RAM以及一个串口和一个定时器。485芯片使用MAX公司的MAX3485芯片，不需485总线传输时可工作在关断模式下，在该模式下所需的电流小于1A。2.3 硬件设计中的注意事项射频电路部分会受到数字电路部分的干扰。天线到射频芯片的输入信号可能小于1V,所以数字信号与射频信号强度之间的差别可以达到100万倍（120dB）。射频部分对电压的波动非常敏感，所以电源的噪声会严重影响传输性能。因此，射频部分电路的设计就显得非常重要。在设计中应遵循以下原则：首先一定要有一个可靠的地平面，电源地应该直接与射频部分的地相连；其次，与地平面的连接越短越好。与地连接的焊盘应该在附近设置一个过孔，并且两个接地焊盘不可以共用一个过孔。解耦电容应该尽量靠近需要解耦的引脚，每个需要解耦的节点单独使用一个解耦电容。电源要采用星形布线，即不同部分的电源线分别直接从总电源引出，并且分别解耦，如图4所示。这样可以有效地防止电源噪声的干扰。3 系统的软件设计3.1 软件流程系统软件分上层模块软件和下层模块软件两部分，图5和图6分别为系统上、下层模块软件流程图。上层模块收到抄表中心的命令后，通过射频无线通讯方式向下层模块发送命令，同时开始计时。如果下层模块没有数据返回，超时后上层模块会重新发送命令。如果超过三次仍未有数据返回，则认为是下层模块工作异常，向抄表中心返回异常信号。下层模块收到上层模块发来的抄表命令，首先检查地址。如果地址不符，说明命令是发给其它模块的，则丢弃命令，继续等待。数据正常接收完毕后，模块按照与仪表的协议检验数据，数据出现错误，则重新向仪表发送命令，如果正确则向上层发送数据，之后重新进入等待状态。MSP430F123只有一个串口，而上下两层的模块需要两个串口。第二个串口由定时器A的捕获/比较功能实现。发送特性的实现采用比较功能将数据从输出单元的引脚移出的方法，波特率用比较数据及中断来获得。接收特性的实现采用捕获/比较功能将引脚数据经SCCIx位移入内存。3.2 无线通讯协议本系统是一个简单的点对多点通讯，所以通讯协议分为三层即可。第一层为物理层，由nRF401模块硬件实现；第二层为数据链路层；第三层为应用层。数据链路层的功能是提供可靠的无线数据传输。发送数据时，将应用层发来的比较长的数据帧拆分为短的数据帧，并加上包头和校验和，重新打包后发送出去。接收数据时，将接收到的数据解包并重新组合成完整的长数据，移交给应用层。数据链路层的数据帧格式为：每帧包括两个字节的起始帧头，一个字节的地址，一个字节的帧类型，一个字节的帧编号，十个字节的数据和两个字节的校验和。无线通讯容易受到干扰，一次发送的数据越长，受干扰的可能性越大。所以应该把比较长的数据分成小的数据包分别发送。本系统每个数据包的有效数据长度为十个字节，原始数据不足时用0补足。因为nRF401是高灵敏度的，在没有进行数据传输时，它的数据输出脚会有杂波输出，这些杂波会被MCU的串口接收并处理。nRF401的ANT1和ANT2引脚是接收时低噪声接收放大器LNA的输入，以及发送时发射功率放大器PA的输出。连接nRF401的天线可以以差分方式连接到nRF401，一个50的单端天线也可以通过一个差分转换匹配网络连接到nRF401。四个字节的0xCC加一个字节的0xF0就可以确保在有效数据帧到达前双方通讯实现同步。为了区分干扰杂波与有效数据，需要数据帧加上帧头。因为干扰杂波基本是随机的，如果使用一个字节的帧头，则可能无法区分干扰和有效数据。因此本系统协议使用两个字节的帧头，为两个0x55。0x55加上起始位和停止位，实际发送的是0101010101，杂波产生连续两个0x55的概率很小很小，可以确保有效数据的确认。数据帧的类型包括抄表命令、正常返回数据、出错要求重发、仪表异常信号、正确接收确认等，用一个字节来标示以便接收方分类处理。因为将较长的数据分成短的数据帧发送，所以每帧需要一个编号，以便接收方检查是否丢帧。在十个字节的数据之后是校验和，使用16位crc校验，检验数据传输的正确性。接收方同样计算crc后与校验和比较，如果不同，即为传输中出现错误。接收方记下错误帧的编号，待全部数据发送完毕后，将错误编号返回，要求发送方重新发送这些帧。如果全部数据正常接收，则发回正确接收确认。下层模块的应用层的功能是使仪表抄取与无线通讯相结合。对于不同的水表、电表或煤气表，可能有不同的抄取协议或抄取方法。应用层接收数据链路层发来的抄表命令，完成对仪表的抄取，并将数据打包发给数据链路层。上层模块的应用层负责与中心的链接。将中心发来的数据校验处理后转发给数据链路层，将数据链路层发来的抄表结果打包处理后发给中心。因为协议是分层的，相邻层之间的联系只是调用发送接收函数，因此实现了各层是独立的。更换仪表或更换无线传输模块所需做的改动都不会影响其它层，提高了系统的灵活性。4 系统的低功耗设计系统中MSP430在等待时处于LPM1状态。在此状态下，Vcc=3V时工作电流低于50A。系统中的485芯片使用MAXIM公司的MAX3485，在关断模式下，所需电流小于1A。系统低功耗设计的重点是nRF401的控制。当它处于接收状态时，工作电流为10mA左右，如果始终处于接收状态，整个系统的功耗就会过大，电池的电量将会很快耗尽。所以应尽量使nRF401处于休眠状态。但是休眠状态中的nRF401是无法收到数据的。为了解决这个矛盾，可使nRF401间歇性地工作在接收状态。nRF401从休眠到接收状态的转换时间为3ms，所以处于接收状态的时间不能少于3ms；因为nRF401处于接收状态，并且空中无有效信号时，会有杂波干扰，所以正常唤醒至少需要收到两个字节的唤醒码。因为本系统使用9600的波特率，发送两个字节，加起始位与停止位共20bit。所以接收时间为2.08ms。为了确保能够唤醒，应再适当延长。本系统使用8ms。处于休眠的时间因仪表抄送反映速度的要求而定。如仪表反映时间要求不严格，可加长处于休眠的时间，以便进一步降低功耗。本系统使用的周期为1s。上层模块抄表需要唤醒下层模块时，首先发送唤醒码，时长需要超过一个周期以确保唤醒，如图7所示。本系统使用0xFF作为唤醒码，即主机连续发送0xFF，从机收到连续两个0xFF后即保持接收状态而不进入休眠，此时计时器开始工作。如此设定之后，nRF401的平均工作电流可降至250A以下。下层模块的nRF401工作在此状态下，整个模块的平均工作电流在300A以下，按使用两节5号AA电池