无线收发器RF69H在无线抄表设备上应用方案

无线收发器RF69H在无线抄表设备上的应用方案

概述：

无线抄表来源于90年代成立的有线抄表工作组，最初工作组专

注于在仪表系统中有线抄表的研究，后来有线抄表成为了欧洲标准

EN1434的一部分。

随着无线抄表的引入，标准化工作被转移到了技术委员会（TC）294,

TC294创建了新的欧洲标准EN13757-Communicationsystemfor

metersand

remotereadingofmeterso这个标准当前由以下部分组成：

EN13757-l：2002数据交换

EN13757-2：2004物理层和数据链路层

EN13757-3：2004应用层

EN13757-4：2005无线读表器

prEN13757-5：2022中继

prEN13757-6：2022数据交换

其中第4部分EN13757-4为无线读表器，专注仪表和无线读表器

之间的通信。

1无线抄表基础

一般的无线抄表系统主要包括两大类设备，如图1所示，一类是

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仪表（如水表、气表和电表等），另一类是其他（如读表器或集中器

等）。

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图1：无线抄表系统

仪表（气表、水表等）通常不能直接连接到主供电系统，一般采

用电池供电，因此它们获得的能量是有限的。为了尽量降低功耗，大

多数时间里仪表处于休眠模式，仅在很短的时隙中醒来发射数据；而

读表器也从来不主动发送数据给处于休眠状态的仪表。双向通信是可

行的，一般仪表在发送时隙完成后，进入接收时隙，这时读表器可以

传送信息给仪表。更换仪表的成本相当高，因此为仪表供电的电池一

般需要提供几年的能量，不同的国家可能有不同的要求。

无线抄表的寻址模式来源于有线抄表，仅仪表设备有地址，并且

收发数据采用相同的地址。因此，读表器必须有一个仪表设备地址表,

记录需要处理的所有仪表地址，这个过程一般在系统安装阶段进行。

通常无线抄表系统（图2d）可以完全替代有线抄表系统（图2a）,

但是两种系统也能组合在一起，形成一个新系统（图2b,图2c）。

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图2：不同的抄表与/或无线抄表系统

另一种常见的有线与无线抄表结合的模式，如图3所示。

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2与无线抄表组合模式图

无线抄表标准(EN13757-4：2005)专注仪表和远程无线读表器之

间的通信，利用ISM频段868-870MHz进行无线数据传输。

RF69H无线收发器

RF69H无线收发器是深圳市惠贻华普电子有限公司RF产品线中

的一款非常有代表性的芯片，支持频率范围240-960MHZ,输出功率

最大为+20dBm,灵敏度达T20dBm。该芯片具有成本低、体积小、工

作稳定、产品一致性好等特点

3RF69H控制接口

RF69H与主机MCU之间的通信是通过SPI总线实现的，主要涉及

SCLK、SDI、SD0和nSEL四个引脚。通常一个SPI总线读写操作由以

下几部分组成：读写标志(Ibit),地址(7bit)和数据(8bit)o

读写标志位指示当前操作是读还是写；7位地址指示操作对象，可寻

址128个8位控制寄存器中的任意一个；数据域包含写入或读出的

RF69H内部寄存器的内容。在每8个时钟信号后，RF69H锁存地址或

数据域中的内容。RF69中SCLK串行时钟信号的速率可灵活设定，最

大可达lOMHzo

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SPI总线时序图，如图4所示。

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图4：SPI时序

SPI串行接口的时序参数，如表2所示。

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表2：SPI串行接口时序参数表

对于读操作，主机MCU发送16位读操作内容（读写标志位应设

定为0,7位地址设定为要读取的寄存器地址，这时8位数据被忽略）

后。在接下来的8人时钟信号周期中，每个周期的低电平阶段，被选

择的寄存器内容中的各位被依次锁存到SD0总线上（高位在前，低位

在后）O

SPI读模式下的时序，如图5所示。

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图5：SPI读模式时序图

RF69H中SPI接口也支持一种连续读/写模式，这种模式下不需

要重新发送寄存器地址。当nSEL为低电平时，不断的发送SCLK时钟

信号，SPI接口将自动增加寄存器地址，寄存器中的内容被连续读出

或写入，直到nSEL变为高电平为止。

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连续写模式时序，如图6所示。

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图6：SPI接口连续写模式

连续读模式时序，如图7所示。

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图7：SPI接口连续读模式

4RF69H状态与操作模式

RF69H主要存在于四中状态之一，这四种状态为：SHUTDOWN、IDLE、

TX和RX(如图8所示)。在SHUTDOWN状公下功耗最低。有5中不同

的IDLE模式，用户可以根据不同的应用灵活选择。这些状态或模式

可以通过操作模式和功能控制寄存器07H设定。通过在寄存器07H中

设定txon/rxon控制位可以从IDLE状态中的任一模式自动转移到

TX/RX状态。不同模式/状态下转换需要的时间和功耗，见图9所示。

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图8：四种状态

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图9：模式/状态转换时序及功耗及频率控制

为了设定所需的调谐频率，需要设定不同的内部寄存器，这可以

通过手工计算每一个寄存器的设定值，也可以通过华普提供的WDS工

具或Excel计算器辅助计算。下面说明RF69H如何进行调制模式、载

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波频率、调谐频率等参数设置。

主要进行5个步骤的设定：

第1步：选择或设定调制类型，曼彻斯特编码，晶体精度，数据

率，频率离差。

第2步：设定载波频率，对于跳频应用，需要设定信道宽度和信

与"o

第3步：调制设定，对于GFSK/FSK,需要选择禁止或使能AFC,

接收最大错误率；对于00K,需要设定RX带宽。

第4步：根据需要选择FIFO模式设定或PH+FIFO模式设定。

第5步：在寄存器汇总页中，得到寄存器设定值。

RF69H支持3中不同的调制类型：GFSK、FSK和00K,也可以设

定为不调制，从而获得一个不调制的载波。如图10所示。

高斯移频键控调制GFSK（推荐）：GaussianFrequencyShift

Keying

移频键控调制F'SK：FrequencyShiftKeying

开关调制00K：On-OffKeying

不调制

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图10：调制模式设定

RF69H可以配置要调制的数据的来源有三种：FIFO模式,Direct

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模式和PN9模式。在Direct模式，TX调制数据可以来自GPIO引脚

或SDI引脚。如图12所示。

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12：调制数据的来源

根据上面的介绍，RF69H完全可以满足无线抄表标准对频率

(868-870MHz)、速率(4.8kb/s、32.768kb/s和100kb/s)等参数

的要求，可以用来实现无线抄表设备产品。

5无线抄表设备的实现

源于90年代的无线抄表工作组，对户表数据的自动化抄送具有

非常重大的意义。传统的手工抄表费时、费力，准确性和及时性得不

到可靠的保障，这导致了相关营销和企业管理类软件不能获得足够详

细和准确的原始数据。无线抄表系统可以摆脱人工抄表的办法，利用

数据通讯协议传输数据。为了灵活配置不同的控制平台，一般无线抄

表设备可分成两部分设计，一部分是无线收发模块(RF69),另一部

分是控制模式(单片机)。

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图14：参考设计

无线抄表系统对数据可靠性要求很高，而且由于用电池供电，因

此对功耗要求也很苛刻。数据处理单元的微控制器主要侧重于多项功

能的开发，选择时主要从功能、抗干扰、功耗、速度等几个方面考虑。

C8051F930是SiliconLabs公司推出的高性能、低功耗9系列单片

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机中的一款。该系列单片机具有集成度高、速度快、混合模拟信号处

理、低压低功耗及兼容8051指令集等特点，因此软硬件设计十分方

便，是仪表、手持设备中主控制器的理想选择。

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图15：C8051F930结构图

C8051F930兼容8051指令系统,70%为单时钟周期指令，最大速

率可达25MIPS。片内集成高效DC-DC转换器，成为业界首款可在0.9V

电压下正常工作的单片机。支持单/双电池供电模式，单电池模式支

持O9-1.8V供电;双电池支持1.8-3.6V供电。

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图16：单电池供电下，不同负载电路和电池电压下的DC-DC转换器

效率图

通过极低的电流睡眠模式、快速唤醒、快速模数转换、低活动电

流模式等技术，使得C8051F930有效降低功耗，最大化电池寿命。

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图17：有效降低功耗，最大化电池寿命

华普公司为C8051F930开发提供了完整的方案，多款开发板和软

件工具，快速帮助用户快速上手，缩短产品设计周期。

由于无线抄表系统需要长期在线连续运行，对可靠性及长期稳定

性要求很高，在设计时需尤其注意。在进行电路板设计时要注意布线

的走向及整体的紧凑性，在电路和工艺设计上采用一些实际的抗干扰

措施，例如合理布局、正确选择接地点、弱信号传输线屏蔽层单端接

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地等，以降低干扰水平。

6无线抄表设备软件设计

采用华普公司提供的集成开发环境IDE,即可完成该系统所有软

件开发。软件开发为分主要包括主控程序、数据通讯程序、时钟程序、

自检程序等。为保证抄表系统的低功