傳統(tǒng)的手工抄表費(fèi)時(shí)、費(fèi)力,準(zhǔn)確性和及時(shí)性得不到可靠的保障,這導(dǎo)致了相關(guān)營(yíng)銷(xiāo)和企業(yè)管理類(lèi)軟件不能獲得足夠詳細(xì)和準(zhǔn)確的原始數(shù)據(jù)。一般手工抄表都按月抄表,對(duì)于用戶(hù)計(jì)量來(lái)說(shuō)是可行的,但對(duì)于相關(guān)供應(yīng)部門(mén)進(jìn)行更深層次的分析和管理決策卻不夠。

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　　圖1：無(wú)線抄表的一個(gè)節(jié)點(diǎn)原理框圖

　　無(wú)線抄表系統(tǒng)對(duì)無(wú)線通訊數(shù)據(jù)的傳輸和保存有著很高的要求,即數(shù)據(jù)可靠性要求很高。由于用電池供電,因此對(duì)功耗要求也很苛刻。無(wú)線抄表系統(tǒng)可以擺脫人工抄表的辦法,利用數(shù)據(jù)通訊協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)?；谝陨显?貝能科技開(kāi)發(fā)出了bn-cb-100自動(dòng)無(wú)線遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng),該系統(tǒng)具有計(jì)量準(zhǔn)確、通信可靠、抄表方便、功耗低等遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),以及節(jié)省人力、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)的功能。

　　無(wú)線數(shù)字抄表系統(tǒng)由中央處理器、電源模塊、通訊模塊以及顯示模塊等部分組成,如圖1所示。下面將對(duì)組成系統(tǒng)的主要模塊進(jìn)行說(shuō)明。

　　單片機(jī)：數(shù)據(jù)處理單元

　　數(shù)據(jù)處理單元的單片機(jī)主要側(cè)重于多項(xiàng)功能的開(kāi)發(fā),選擇時(shí)主要從功能、抗干擾、功耗、速度等幾個(gè)方面考慮。本系統(tǒng)采用microchip單片機(jī)pic18lf6490作為數(shù)據(jù)處理單元,該單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：具有集成的lcd控制器驅(qū)動(dòng)模塊、高性能risc cpu、優(yōu)化的c編譯器結(jié)構(gòu)/指令系統(tǒng)、高達(dá)10mips的工作速度、中斷優(yōu)先級(jí)、單周期硬件乘法器、高吸入/拉出電流、3個(gè)外部中斷引腳、4個(gè)定時(shí)器、ccp模塊、主同步串行端口模塊、10位a/d轉(zhuǎn)換器和低功耗等性能特點(diǎn),因而軟硬件設(shè)計(jì)十分方便。

　　液晶顯示

　　顯示采用lcd液晶顯示器,pic18lf6490具有集成的lcd控制器驅(qū)動(dòng)模塊,從而節(jié)省了外掛的液晶驅(qū)動(dòng)芯片,減少了外部引線,節(jié)省了空間和成本,提高了可靠性,在睡眠狀態(tài)下可繼續(xù)顯示,明顯地降低了功耗。液晶顯示器用于顯示系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)、內(nèi)部參數(shù)及當(dāng)前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。

　　rf模塊

　　1. rf模塊的特點(diǎn)

　　本方案采用納川容科技研制的rf模塊產(chǎn)品,該模塊采用高性能cpu和高性能無(wú)線數(shù)傳模組內(nèi)核整合而成,其主要特點(diǎn)包括：

　　標(biāo)準(zhǔn)異步串行接口(uart：1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)以上停止位、0或1個(gè)校驗(yàn)位),方便與各種控制器的硬件串口連接,使用起來(lái)非常方便;

　　數(shù)據(jù)直接傳輸,自動(dòng)靜噪,過(guò)濾掉空中假數(shù)據(jù),所收即所發(fā);

　　半雙工通信,收發(fā)自動(dòng)切換,使用上非常方便;

　　模塊內(nèi)置高性能mcu實(shí)現(xiàn)前向糾錯(cuò)處理,通信可靠性大大提高,誤碼率非常低;

　　可以硬件跳線選擇多個(gè)獨(dú)立互不干擾信道,有多檔波特率及串口模式設(shè)置;

　　可以串口軟件設(shè)置無(wú)線頻道,實(shí)現(xiàn)軟件跳頻;

　　3.3v/5v兼容ttl、rs232、rs485多種接口電平選擇,使用更加靈活;

　　dc3.0-8.0v寬工作電壓,電源可以i/o控制關(guān)斷,降低功耗。

　　由于采用軟件糾錯(cuò)編碼增益,相同輻射功率條件和同一誤碼率指標(biāo)下,帶前向糾錯(cuò)處理的rf模塊通信距離要遠(yuǎn)高于一般的無(wú)線數(shù)傳模組或不帶前向糾錯(cuò)處理的rf模塊。

　　2. rf模塊的通信處理流程

　　rf模塊的通信處理流程如圖2所示,其中：

　　發(fā)送緩沖與接收緩沖是為了匹配用戶(hù)接口和無(wú)線接口速率而設(shè)計(jì),采用fifo方式,支持大批量連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸,安全可靠;

　　糾錯(cuò)編解碼采用成熟的卷積碼糾錯(cuò)技術(shù),可以將誤碼率由10-3減小到10-6,并且有3db左右軟件編碼增益,進(jìn)一步提高了傳輸?shù)目煽啃?

　　交織的目的是為了將連續(xù)的錯(cuò)誤離散成不連續(xù)的單比特錯(cuò)誤,提高抗連續(xù)干擾的能力,但帶來(lái)了傳輸延時(shí)。rf模塊采用256比特,即16×16交織,可以抵抗一般人員走動(dòng)、汽車(chē)通過(guò)等環(huán)境下對(duì)無(wú)線傳輸造成的誤碼干擾,由此引起的傳輸延遲在用戶(hù)接口速率為9,600bps時(shí)約20ms,使用時(shí)應(yīng)予以注意;

　　信號(hào)編解碼的目的是將信號(hào)輻射功率譜集中,并有利于接收機(jī)信號(hào)解碼;

　　卷積碼前向糾錯(cuò)處理的方式比arq差錯(cuò)控制方式效率要高,尤其是在隨機(jī)干擾比較大的情況下,由于其良好的糾錯(cuò)性能,效率要遠(yuǎn)高于arq模式。例如,arq方式下,傳輸一個(gè)256比特的數(shù)據(jù)包,如果其中一個(gè)比特錯(cuò)誤就需要重傳,而采用卷積碼前向糾錯(cuò)處理的方式,16×16交織的rf模塊,即使其中連續(xù)16比特傳輸錯(cuò)誤,接收方也可以通過(guò)軟件糾正過(guò)來(lái),用戶(hù)不會(huì)收到誤碼,這樣效率更高。

　　3.rf模塊的天線

　　使用焊盤(pán)引線來(lái)連接天線的模組,一般建議使用微型的pcb天線或直導(dǎo)線來(lái)做天線,直接將天線引出線焊接在模組的天線焊盤(pán)上,天線引出線的長(zhǎng)度越短越好。天線地根據(jù)天線的要求可接可不接,但pcb天線一般要求接地。

　　使用直導(dǎo)線做天線時(shí),請(qǐng)使用5n(99.999%)以上優(yōu)質(zhì)硬直銅導(dǎo)線,線徑越粗越好,一般使用普通的單根百兆以太網(wǎng)網(wǎng)線做天線即可取得比較好的效果。

　　使用直導(dǎo)線做天線時(shí),天線長(zhǎng)度=7,150/工作頻率,單位為厘米。所計(jì)算出的天線長(zhǎng)度是天線直立的長(zhǎng)度,如果天線放在殼體里或盤(pán)繞起來(lái),天線所需長(zhǎng)度將變化,推薦的做法是用計(jì)算長(zhǎng)度1.5倍長(zhǎng)度導(dǎo)線做天線,然后剪斷5mm(這是個(gè)經(jīng)驗(yàn)值,可以根據(jù)實(shí)際測(cè)試通信距離來(lái)確定這個(gè)值),縮短天線長(zhǎng)度,實(shí)際測(cè)試通信距離來(lái)確定最佳天線長(zhǎng)度。

　　如果天線需要在設(shè)備殼體上穿孔引出時(shí),請(qǐng)使用50ω低損同軸電纜或標(biāo)準(zhǔn)sma接頭延長(zhǎng)線將天線延長(zhǎng)引出,同軸電纜芯線與模組天線焊盤(pán)焊接,屏蔽層與天線地(沒(méi)有天線地時(shí)用電源地)焊接,選擇彎曲半徑小的電纜將有利于電纜的彎曲布置,使焊盤(pán)不易撕裂。

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　　圖2：rf模塊的通信處理流程

　　亦可用直角頭sma接頭將rf模塊的sma引出頭折彎,直接安裝在殼體上或穿出,但直角頭sma將額外引入1-2db的插入損耗。

　　使用拉桿天線時(shí),直接將拉桿天線焊接在天線焊盤(pán)上或用低損同軸電纜來(lái)連接,電纜的芯線連接模組的天線焊盤(pán)和拉桿天線,屏蔽層一端焊接在天線地上,靠近拉桿天線一端浮空。

　　4.rf模塊的注意事項(xiàng)

　　不要帶電熱拔插rf模塊,否則很容易損壞rf模塊;

　　組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)中,務(wù)必保證在一個(gè)頻點(diǎn)上,且同一時(shí)刻只能有一個(gè)rf模塊處在發(fā)射狀態(tài),建議設(shè)計(jì)時(shí)通信協(xié)議設(shè)計(jì)采用arq主從查詢(xún)應(yīng)答方式;

　　使用低紋波的線性穩(wěn)壓電源或電池供電,盡量不要使用開(kāi)關(guān)電源,如果一定要用,請(qǐng)用高q值的lc回路濾波,將紋波降到最低;

　　關(guān)于距離指標(biāo),不同的測(cè)試環(huán)境會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果,主要影響因素包括：發(fā)射功率、接收靈敏度、傳輸速率、干擾強(qiáng)度、背景噪聲、天線增益、天線離地高度、是否移動(dòng)、空間衰減、障礙物尺寸及位置等;

　　10mw帶卷積碼前向糾錯(cuò)處理方式的rf模塊,在9,600bps速率、天線高度2米、增益2.0dbi、可視城區(qū)開(kāi)闊地、傳輸文件、誤碼率為10-3情況下,可靠通信距離可以達(dá)到300-400米左右。

　　可靠性策略

　　本系統(tǒng)需要長(zhǎng)期在線連續(xù)運(yùn)行,故對(duì)其可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性有較高的要求,在設(shè)計(jì)時(shí)予重點(diǎn)考慮。本系統(tǒng)采用集成芯片作為電路的核心部分大大減少了外擴(kuò)電路的接線和使用的元器件的數(shù)目,使整機(jī)趨于微型化,也提高了整機(jī)的可靠性。

　　設(shè)計(jì)電路板時(shí)注意線的走向以及整機(jī)的緊湊性,在電路和工藝設(shè)計(jì)上采用各種成熟的實(shí)用抗干擾措施,例如合理布局、正確選擇接地點(diǎn)、弱信號(hào)傳輸線屏蔽層單端接地、單元電路的封閉式屏蔽環(huán)等,以降低干擾水平。

　　重要數(shù)據(jù)進(jìn)行多次備份,實(shí)時(shí)刷新處理,使用存儲(chǔ)容量大的eeprom來(lái)備份ram數(shù)據(jù)。避免由于干擾造成的數(shù)據(jù)出錯(cuò),eeprom的數(shù)據(jù)可以保持10年以上,數(shù)據(jù)保持不需后備電源。軟件寫(xiě)入eeprom采取必要的校驗(yàn)方式,保證數(shù)據(jù)的安全性。

　　pic18lf6490具有極強(qiáng)的抗電磁干擾能力,使數(shù)據(jù)的安全性得到進(jìn)一步的提高。

　　由于本系統(tǒng)用電池供電,對(duì)功耗要求較高,在整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起足夠的重視,例如元器件的選型,元器件的供電方式是用i/o供電還是直接用電源供電,單片機(jī)的選型等都是功耗能否降低的重要因素,當(dāng)然軟件設(shè)計(jì)也是決定功耗能否降低的重要因素,此部分在軟件設(shè)計(jì)部分論述。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　軟件部分設(shè)計(jì)包括了主控程序、數(shù)據(jù)通訊程序、時(shí)鐘程序、自檢程序等,由于本系統(tǒng)對(duì)功耗要求較高,軟件設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)始終貫穿考慮功耗因素,功耗能否降低,軟件設(shè)計(jì)是重要因素之一。具體做法可以是主程序主要處在睡眠狀態(tài),隔一段時(shí)間醒過(guò)來(lái)處理一下任務(wù),一直如此循環(huán),沒(méi)使用的模塊關(guān)掉,沒(méi)使用的i/o口設(shè)置成高阻態(tài)等。這樣一來(lái),軟硬結(jié)合便可讓整個(gè)系統(tǒng)功耗降下來(lái)。

　　重要的寄存器和i/o口都必須放在主程序里去刷新,使用看門(mén)狗(pic18lf6490有內(nèi)置看門(mén)狗電路),軟件編寫(xiě)應(yīng)有一定的容錯(cuò)措施,自檢程序應(yīng)能及時(shí)檢出錯(cuò)誤并糾錯(cuò)等,這樣可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性,避免寄存器數(shù)據(jù)亂了、程序跑飛等事先無(wú)法預(yù)計(jì)的現(xiàn)象。

　　本文小結(jié)

　　本文對(duì)一種無(wú)線抄表的設(shè)計(jì)方法和可靠性策略進(jìn)行了論述,系統(tǒng)中采用了功能強(qiáng)大且性?xún)r(jià)比極高的單片機(jī)、高性能rf模塊、數(shù)據(jù)通信等技術(shù),具有長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)方無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)等功能?？紤]產(chǎn)品化的要求,進(jìn)行了可靠性、抗干擾、低功耗等方面的設(shè)計(jì)。