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(wú)線技術(shù)。
. 人們普遍意識(shí)到,，未來(lái)全球性增長(zhǎng)的良機(jī)將花落智能電網(wǎng)市場(chǎng),，其中包括燃?xì)獗?/a>、熱表,、水表,、電表,、熱量分配表等計(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(guò)來(lái)又有助于減少興建新電廠的需求），也有望通過(guò)家庭自動(dòng)化為消費(fèi)者節(jié)省成本并增加舒適感,。
本文介紹了最佳超低功耗MCU,、最高性能RF 收發(fā)器（適合低于1GHz 的通信）與高級(jí)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?jī)x表走紅歐洲內(nèi)外。此外,，歐洲wM-Bus 協(xié)議棧的日趨成熟和最新發(fā)展也為電池供電型燃?xì)獗?、水表和熱表的大?guī)模部署敞開(kāi)了新機(jī)遇的大門(mén)。
本文還介紹了如何采用868MHz 與169MHz 頻段的流行版wM-Bus RF 通信為歐洲市場(chǎng)構(gòu)建智能儀表（燃?xì)獗?、水表,、熱表）模塊；并就如何實(shí)施與優(yōu)化燃?xì)獗?、水表和熱表的wM -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(duì)低于1GHz 通信的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是ETSI 300 220-1 V2.3.1（2010 年2月）。面向計(jì)量應(yīng)用的既定868 MHz 和433 MHz 免授權(quán)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,。允許的最大發(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(tīng)）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868 MHz、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 鏈接能提供更卓越的覆蓋范圍（見(jiàn)圖1）。請(qǐng)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,。
圖1：WMBus 的S,、T 及C 模式與ETSI 300220v2.3.1 的關(guān)系
在T 模式下，頻段為868.3MHz 的數(shù)據(jù)收集器發(fā)射功率最大為+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最大難題,。事實(shí)證明,，現(xiàn)有的ZigBee SE1.1 產(chǎn)品在英國(guó)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(dòng)型智能儀表目的就是要解決在意大利或法國(guó)等國(guó)家的覆蓋范圍問(wèn)題,。
擴(kuò)大169MHz RF 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(jiǎn)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(duì)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(kāi)發(fā)和認(rèn)證流程,。
1.1 適用于燃?xì)獗怼⑺砘驘岜淼男滦?/strong>wM-Bus 模式
在EN13757-4：2011 年（也稱為wM-Bus）文件的最新草案中介紹了符合ETSI 300220v2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)的新型“N”模式物理層(PHY),。75 kHz 的帶寬被分成6 個(gè)12.5 kHz 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4 GFSK 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,。
圖2：wM-Bus 的N 模式（根據(jù)EN13757-4：2011 年草案文件）
在法國(guó)對(duì)169MHz 系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試已經(jīng)證明,，可達(dá)覆蓋范圍的拓寬能顯著簡(jiǎn)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(wú)中繼器的智能電網(wǎng)已不再是天方夜譚,。
圖3：wM-Bus 的N 模式與ETSI 300220v2.3.1 的關(guān)系（來(lái)源：EN13757-4：2011 年草案）
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(lái)幾個(gè)歐洲國(guó)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)
在完全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(guò)一個(gè)舌簧開(kāi)關(guān)）以及確切的燃?xì)鈮毫蜏囟葴y(cè)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(guò)wM-Bus 鏈接）控制的電動(dòng)閥。此外，在一些國(guó)家也要求有預(yù)付費(fèi)選項(xiàng),。
圖4：智能燃?xì)獗恚l段為169MHz 或868MHz,，wM-Bus 作為一個(gè)低于1GHz 的RF 鏈接）
對(duì)于水表和熱表而言，目前最常用的傳感器均通過(guò)測(cè)定旋轉(zhuǎn)速度和方向來(lái)檢測(cè)流量,。
熱表是一種有附加精確溫度測(cè)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^(guò)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(lái)安放電池的空間極為有限,，所以用于優(yōu)化電池壽命的專用電源解決方案必不可少。
3. wM-Bus RF 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868MHz RF 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(cè)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)專用器件）本身即可在+14 dBm EIRP 的ETSI300220 限制范圍內(nèi)提供最佳的解決方案,。
面向智能儀表的NAN 解決方案通常工作在169MHz 頻段，該情況下+27dBm EIRP 限制可實(shí)現(xiàn)卓越的覆蓋范圍,。此外,，頻段為869.525 MHz 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(duì)NAN 系統(tǒng)解決方案而言,，由于目前尚沒(méi)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(méi)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?qū)Ｓ肦F 前端@169MHz）
圖5：基于TI MCU 與RF 器件的wM-Bus RF 子系統(tǒng)方框圖
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(guò)UART 連接到主控MCU,。在這種情況下,，專用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(guò)SPI 接口連接到RF 器件,，完全避免串行協(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(chǎng)升級(jí)：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(lái)保持他們的系統(tǒng)模塊化,。通過(guò)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(lái)源的操作或故障,，所以常會(huì)使計(jì)量部件的認(rèn)證更復(fù)雜。
4. 具有FRAM 的超低功耗MSP430 MCU —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(lái)了多重優(yōu)勢(shì),。MSP430 FRAM MCU 比閃存寫(xiě)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(wú)限的擦寫(xiě)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)提供無(wú)與倫比的自由度,。后者還允許開(kāi)發(fā)人員為軟件中的程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)改變內(nèi)存分區(qū),，無(wú)需完全獨(dú)立的EEPROM 和電池供電型SRAM。
采用這種基于FRAM 的MSP430 MCU 來(lái)運(yùn)行wM-Bus 堆棧是一種必然的選擇,，也是當(dāng)今可用的最低功耗解決方案,。根據(jù)功能而配置的wM-Bus 堆棧相對(duì)簡(jiǎn)單，能在12 至30KByte 代碼間變化,，可輕松安裝于最新的TI 金剛狼器件之內(nèi),。FRAM 的逐位寫(xiě)入能力允許在現(xiàn)場(chǎng)的差分軟件升級(jí)，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-Bus N 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(xiě)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(jí)功能,。對(duì)當(dāng)前正部署的任何類型智能儀表而言，遠(yuǎn)程固件升級(jí)通常都被認(rèn)為是“必須擁有”的功能,。
5. 結(jié)論
高效電源管理器件,、超低功耗FRAM MCU 等最新技術(shù)完美結(jié)合計(jì)量加速器和低于1GHz 的高性能RF 器件，可推動(dòng)新一代智能計(jì)量?jī)x表耀世登場(chǎng),。
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CC1120 RF 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（最高級(jí)別）接收機(jī)的性能,。
TI 高性能CC1120 是首款RF 收發(fā)器，可完全支持接收只有16 位簡(jiǎn)短前導(dǎo)碼的N 模式報(bào)文,，還可完全實(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(méi)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(cè)等獨(dú)一無(wú)二的特性,，CC1120 平臺(tái)對(duì)于當(dāng)前頻段為868MHz、433MHz 或169MHz 的所有wM-Bus 解決方案而言均是最好的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MSP430 MCU 開(kāi)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?，F(xiàn)在,，客戶能借助所有這些可用組件來(lái)著手設(shè)計(jì)具有169MHz、433MHz 或868MHz wM-Bus 子系統(tǒng)的新一代智能儀表,。
參考文獻(xiàn)：
1. “儀表通信系統(tǒng)和儀表遠(yuǎn)程讀數(shù)—第3 部分：專用應(yīng)用層”,，英文版本prEN137573：2011 年
2. “儀表通信系統(tǒng)和儀表遠(yuǎn)程讀數(shù)—第4 部分：無(wú)線儀表讀數(shù)”，英文版本prEN 13757-4：2011 年
3. TI 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)：CC1120 與CC1125
4. OMS 產(chǎn)品規(guī)格：http://www.zvei.org/index.php?id=4731
5. TI FRAM 金剛狼平臺(tái)：http://www.ti.com/wolverine
6. TI 完整的wM -Bus 解決方案：http://www.ti.com/lit/ml/slyt433/slyt433.pdf
作者簡(jiǎn)介：
Milen Stefanov 是德州儀器(TI) 公司智能電網(wǎng)解決方案部的系統(tǒng)應(yīng)用工程師,。
Milen Stefanov 負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)TI 在wMBus 領(lǐng)域的各項(xiàng)活動(dòng),，同時(shí)還是智能電網(wǎng)低于1GHz RF 解決方案的專家。
Milen 在TI 半導(dǎo)體集團(tuán)有超過(guò)9 年的豐富經(jīng)驗(yàn),，在此期間,，他曾先后在現(xiàn)場(chǎng)和系統(tǒng)應(yīng)用部門(mén)任職。目前,，他與燃?xì)獗?、水表和電子式電表（或分?xiàng)計(jì)量裝置）以及面向儀表讀數(shù)的固定通信網(wǎng)絡(luò)等所有計(jì)量應(yīng)用領(lǐng)域的客戶打交道。
Milen 還擁有德國(guó)開(kāi)姆尼茨工業(yè)大學(xué)(TU Chemnitz) 的電氣工程碩士學(xué)位（數(shù)據(jù)通信）,。