摘要：自德州仪器（TI）推出16位MSP430微控制器以来，超低功耗（ULP）微控制器（MCU）已风靡了至少20年。从那时起，超低功耗解决方案即在传感器、计量和种类繁多的电池供电型设备（如*、温度计、手表等）领域呈雨后春笋之势蔓延，验证了ULP系统方法是前途无量的策略。本文介绍了*超低功耗MCU、zui高性能RF收发器（适合低于1GHz的通信）与电源系统解决方案的强强联手如何能助推新一代智能计量仪表走红欧洲内外。此外，欧洲wM-Bus协议栈的日趋成熟和发展也为电池供电型燃气表、水表和热表的大规模部署敞开了新机遇的大门。
　　
　　自德州仪器（TI）推出16位MSP430微控制器以来，超低功耗（ULP）微控制器（MCU）已风靡了至少20年。从那时起，超低功耗解决方案即在传感器、计量和种类繁多的电池供电型设备（如*、温度计、手表等）领域呈雨后春笋之势蔓延，验证了ULP系统方法是前途无量的策略。
　　
　　超低功耗技术已扩展至RF收发器、传感器、MCU以及适用于电池供电型应用的所有类型芯片产品。同样，只有显著降低半导体产品的功耗，才有可能在平板电脑和智能手机等许多消费类应用中广泛采用无线技术。
　　
　　人们普遍意识到，未来性增长的良机将花落智能电网市场，其中包括燃气表、热表、水表、电表、热量分配表等计量和辅助计量设备，以及可从计量装置收集信息的智能电网家庭网关、数据集中器和数据收集器。智能电网和家域网（HAN）的联袂携手既有望使公用设施降低高峰电力需求（而这反过来又有助于减少兴建新电厂的需求），也有望通过家庭自动化为消费者节省成本并增加舒适感。
　　
　　本文介绍了*超低功耗MCU、zui高性能RF收发器（适合低于1GHz的通信）与电源系统解决方案的强强联手如何能助推新一代智能计量仪表走红欧洲内外。此外，欧洲wM-Bus协议栈的日趋成熟和发展也为电池供电型燃气表、水表和热表的大规模部署敞开了新机遇的大门。
　　
　　本文还介绍了如何采用868MHz与169MHz频段的流行版wM-BusRF通信为欧洲市场构建智能仪表（燃气表、水表、热表）模块;并就如何实施与优化燃气表、水表和热表的wM-Bus解决方案提供了实用性建议。
　　
　　1.RF通信的欧洲版标准
　　
　　欧洲对低于1GHz通信的相关标准是ETSI300220-1V2.3.1（2010年2月）。面向计量应用的既定868MHz和433MHz免*ISM频段有所扩展，在抄表应用中可以是频段为169.400MHz的一个75kHz窄带。允许的zui大发射功率为+500mW（等于+27dBm），占空比<=10%。通道间隔为50kHz或以下;还可用LBT（载波侦听）或AFA（自适应频率捷变）通道接入，但二者都不是强制性的。
　　
　　显然，比起频段为868MHz、发射功率为+25mW（等于+14dBm）的现有wM-Bus解决方案，频段为169MHz、发射功率为+27dBm的低成本RF链接能提供更的覆盖范围（见图1）。请注意，“旧型”T模式与“新型”C模式各采用两种不同的频率，一种用于仪表至数据收集器方向，另一种则用于从数据收集器至仪表方向的链接。　　　　
　　在T模式下，频段为868.3MHz的数据收集器发射功率zui大为+14dBm;在C模式下，频段为869.525MHz的数据收集器发射功率则高达+27dBm。
　　
　　在欧洲人口密集地区部署智能仪表时，由于高楼大厦林立，多重混凝土与砖墙挡在不同的RF节点之间，导致RF环境极为不利，所以RF计量解决方案的覆盖范围是有待解决的zui大难题。事实证明，现有的ZigBeeSE1.1产品在英国城市地区未能提供足够的城市覆盖范围，这正是基于Zigbee®的2.4GHz解决方案的主要缺点。频段为169MHz的新一代wM-Bus启动型智能仪表目的就是要解决在意大利或法国等国家的覆盖范围问题。
　　
　　扩大169MHzRF链接的覆盖范围可避免使用中继器并去除仪表的重复功能，从而简化系统架构，降低网络的总成本。功能较少意味着软件的复杂度有所降低，因此对计量节点的闪存和RAM容量要求就更低，也就缩短了产品的开发和认证流程。
　　
　　1.1适用于燃气表、水表或热表的新型wM-Bus模式
　　
　　在EN13757-4：2011年（也称为wM-Bus）文件的草案中介绍了符合ETSI300220v2.3.1标准的新型“N”模式物理层（PHY）。75kHz的带宽被分成6个12.5kHz的窄带通道。规定其中四个通道采用GFSK调制方式，速率为4.8kbps;另两个通道也采用GFSK调制方式，速率为2.4kbps。
　　
　　还规定了二次通信链接，采用4GFSK调制方式，速率能达到19.2kbps，目的是在可选的多跳链接（图2）中优化数据吞吐量。　　　　
　　在法国对169MHz系统的现场测试已经证明，可达覆盖范围的拓宽能显著简化网络架构。随着169MHz数据收集器的合理部署，在欧洲实现无中继器的智能电网已不再是天方夜谭。　　　　
　　图3展示了新型wM-Bus的N模式，这个169MHz的窄带解决方案将是未来几个欧洲国家燃气表和水表安装的理想选择。
　　
　　2.采用wM-Bus的智能燃气表架构
　　
　　在*基于电子组件的智能仪表内，主要构建模块包括：
　　
　　•计量部件的传感器
　　
　　•可处理传感器数据并计算出消耗的超低功耗MCU
　　
　　•通信系统
　　
　　•电源系统
　　
　　在现今的燃气表中，传感部分（图4）可报告流量吞吐量（常通过一个舌簧开关）以及确切的燃气压力和温度测量值。MCU主模块则处理传感器数据，并将燃气流量调节成标准化的数量以供客户计费之需。
　　
　　通常情况下，还有一个可远程（如通过wM-Bus链接）控制的电动阀。此外，在一些国家也要求有预付费选项。　　　　
　　对于水表和热表而言，目前zui常用的传感器均通过测定旋转速度和方向来检测流量。
　　
　　热表是一种有附加温度测量值的水表，用于捕获前向和后向流量的温度。添加RF子系统（如低于1GHz或2.4GHz的通信模块）的方式可使热表和水表“智能化”。
　　
　　重要的是谨记水表、热表和燃气表均是通过电池供电的，这就意味着超低功耗是一个重要的考虑因素。由于这三种类型的仪表用来安放电池的空间极为有限，所以用于优化电池寿命的电源解决方案*。
　　
　　3.wM-BusRF子系统的硬件（HW）架构
　　
　　根据所使用的频带或发射功率，wM-Bus子系统可用于家域网（HAN）或邻域网（NAN）通信。HAN实现的一个例子是带868MHzRF链接的智能仪表，采用了wM-Bus协议的S、T、或新型C模式。在实际应用中，发射输出功率为+10至+12dBm（在天线端口的测量值）且天线增益高达+2dBi的RF芯片（用于双向通信的收发器或用于单向通信的发射机器件）本身即可在+14dBmEIRP的ETSI300220限制范围内提供*的解决方案。
　　
　　面向智能仪表的NAN解决方案通常工作在169MHz频段，该情况下+27dBmEIRP限制可实现的覆盖范围。此外，频段为869.525MHz的C2模式（仅用于从数据收集器至仪表方向）可采用+27dBm限制子带，适合NAN应用。对NAN系统解决方案而言，由于目前尚没有可提供+27dBm发射输出功率的集成式RF收发器芯片，所以需要添加外部功率放大器。
　　
　　wM-Bus子系统硬件的两个变体型（基于EIRP功率限制）：
　　
　　1.没有外部功率放大器（图5中的蓝色模块被去除）
　　
　　2.有外部功率放大器和可选的LNA（如TI的CC1190@868MHz或RF前端@169MHz）　　　　
　　事实上，图5的RF子系统代表一个完整的RF模块，它一般通过UART连接到主控MCU。在这种情况下，MCU（橙色模块）将运行wM-Bus堆栈以及一个串行协议应用，以便连接到主应用MCU。
　　
　　第二个选项是让wM-Bus堆栈在应用MCU上运行并通过SPI接口连接到RF器件，*避免串行协议应用（删除图5中的橙色模块）。提前弄清智能仪表的软硬件分区非常重要，因为两种架构都有优缺点，重点注意事项如下：
　　
　　1.计量部件和wM-Bus堆栈的认证。
　　
　　2.实时性要求：计量和RF通信均属时间关键型任务，有时甚至需要MCU同时运行计量和通信任务。
　　
　　3.固件的现场升级：适用于RF通信和/或整套仪表。
　　
　　由于这些原因，制造商往往更喜欢分离计量和通信功能（双MCU的方法）来保持他们的系统模块化。通过独立的价格和/或性能优化，在选择MCU和RF器件时可实现更高的灵活性。通常情况下，有多个引脚兼容的MCU或RF衍生工具，可提供更高的性能和更多的功能。
　　
　　单一的MCU解决方案可节省一些成本，但需要保护计量固件代码以防止被篡改或避免其它来源的操作或故障，所以常会使计量部件的认证更复杂。
　　
　　4.具有FRAM的超低功耗MSP430MCU—可使功耗降低50%
　　
　　TI新型“金刚狼”MSP430微控制器产品系列在超低功耗方面真正有所突破，也为基于闪存的传统型MCU器件带来了多重优势。MSP430FRAMMCU比闪存写入速度提升160多倍，每比特能量消耗降低至少250倍，具有几乎无限的擦写次数（>1014次），在所有电源模式下均可确保数据保存能力，并借助统一的内存架构提供的自由度。后者还允许开发人员为软件中的程序或数据存储改变内存分区，无需*独立的EEPROM和电池供电型SRAM。
　　
　　采用这种基于FRAM的MSP430MCU来运行wM-Bus堆栈是一种必然的选择，也是当今可用的zui低功耗解决方案。根据功能而配置的wM-Bus堆栈相对简单，能在12至30KByte代码间变化，可轻松安装于的TI金刚狼器件之内。FRAM的逐位写入能力允许在现场的差分软件升级，可降低传输的数据量，从而能运行在比特率极低的wM-BusN模式下，数据传输速率仅为2.4或4.8kbps。
　　
　　极低的功耗与快速写入能力相得益彰，可为wM-Bus堆栈和智能仪表的其它软件部件均提供固件升级功能。对当前正部署的任何类型智能仪表而言，远程固件升级通常都被认为是“必须拥有”的功能。
　　
　　5.结论
　　
　　电源管理器件、超低功耗FRAMMCU等技术结合计量加速器和低于1GHz的高性能RF器件，可推动新一代智能计量仪表耀世登场。
　　
　　德州仪器（TI）可为智能仪表和智能电网基础设施提供广泛系列的器件。
　　
　　TI高性能CC1120RF收发器产品系列可满足wM-Bus标准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）实现Hr（zui别）接收机的性能。
　　
　　TI高性能CC1120是RF收发器，可*支持接收只有16位简短前导码的N模式报文，还可*实现所需的T模式接收性能，数据速率变化为+-12%（88-112kbps），没有任何数据包损失。
　　
　　凭借极短的AGC趋稳时间和只有4位的前导码检测等*的特性，CC1120平台对于当前频段为868MHz、433MHz或169MHz的所有wM-Bus解决方案而言均是的RF选择。CC1120的WaveMatch特性可在仪表的所有wM-Bus模式下同时支持A和B两个框架。
　　
　　基于FRAM的新型MSP430MCU开创了超低功耗标准的里程碑，代表着技术上的又一次重大飞跃。现在，客户能借助所有这些可用组件来着手设计具有169MHz、433MHz或868MHzwM-Bus子系统的新一代智能仪表。