基于瑞萨处理器的无线电力抄表系统设计

Design of Wireless Power Meter Reading System Based on Renesas Processor

Tan Zhouwen / Ma Ziji / Guo Liang / Zhong Guangchao

基于瑞萨处理器的无线电力抄表系统设计

谭周文1，2/ 马子骥2/ 郭亮2/ 钟广超2

(1. 湖南人文科技学院信息科学与工程系，湖南 娄底 417000； 2. 湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082)

摘要针对智能电表的需求，设计了基于瑞萨处理器的无线低功耗电力抄表系统。系统以瑞萨RL78系列单片机作为主处理器，以Si4432作为无线通信模块，构建了一个无线电力抄表模块。对构建的模块进行了点对点和穿墙能力测试，现场测试结果表明，该模块具有成本低、功耗小、通信可靠的特点，可满足电力无线抄表的需求。

关键词无线抄表 瑞萨RL78 低功耗

AbstractAccording to the demand of intelligent electric meter, a low-power wireless power meter reading system based on Renesas processor is designed. Renesas RL78 is selected as the main control processor and Si4432 as the wireless communication module to build a wireless power meter module, point to point test and through wall test were implemented with the designed module. Field test results show that the system has the advantages of low cost, low power consumption and reliable communication ability, which can meet the demand of electric power wireless meter reading.

Keywordswireless meter reading， Renesas RL78， low power consumption

基金项目：湖南省教育厅一般项目(14C0596),湖南省科技计划项目(2014WK3001),湖南省博士后基金项目(2014M562100)

0 引言

目前，电力抄表方式大致划分为三种：1)预付费方式；2)传统的人工抄表，该方式存在漏抄、错抄的现象，用户用电量记录繁琐，影响供电部门的经济效应和社会形象；3)远程抄表，监控中心通过远程通信系统自动获取远程仪表采集到的数据，这种方式需要架设大量的传输路线和集中控制器，在建设、运营和维护等方面工作量很大。新型的无线抄表技术能够降低人为因素导致的错抄、漏抄现象，还可以避免入户抄表收费所带来的麻烦和不必要的纠纷[1]。远程抄表方式不仅能提高管理部门的整体工作效率，也能解决用户用电、用气、用水付费困难的问题，满足人们的日常需求，适应时代的发展。当前，针对无线技术所设计的抄表系统已经比较常见，但大部分的设计都是针对常用的处理器而设计的，本文考虑到无线抄表的低功耗需求，提出了一款针对瑞萨单片机的无线抄表系统，采用瑞萨公司的RL78系列芯片作为主控芯片，Silicon Labs的Si4432芯片作为无线通信芯片进行设计。前者在低功耗方面有着突出的表现，特别是在待机状态(HALT)下，功耗能降低至0.7μA；后者则拥有睡眠模式(SLEEP)和掉电模式(SHUTDOWN)，可以进行无线远程唤醒，能满足节能的需求[2]。

1系统总体设计

微功率系统的设计是针对整个系统的功耗问题而言，而系统功耗受硬件和软件的共同影响。对于本项目而言，系统的功耗主要来自主控单元和无线通信单元，故这两部分占整个系统的大部分功耗。因此，若能将这两大模块实现低功耗，则微功率的设计目标便可实现。本设计主控芯片选择瑞萨公司的RL78系列芯片，而无线通信芯片则选择Silicon Labs的Si4432芯片，具体的设计框图见图1。在靠近电表的一侧，通过瑞萨处理器将电表数据读取出来，然后通过无线Si4432模块发送出去，在接收端，RL78处理器将数据通过无线模块进行接收，对数据进行分析和处理后，采用总线接口将获取的数据发往控制中心的计算机进行处理[3]。

图2　主控模块电路图

2硬件设计

2.1RL78/G13模块设计

根据前面的分析，由瑞萨RL78/G13系列的MCU作主控芯片，通过其控制Si4432芯片即可实现无线信号的发送和接收。发送模块中的主控芯片将待发送的数据传送给Si4432芯片进行处理(如调制)后，通过天线发送出去。接收模块通过天线接收到主机所发出的射频信号，由Si4432芯片对接收到的信号进行处理(如解调)后，再将数据传送给接收模块的主控芯片进行后续处理，包括存储和显示等，从而完成整个系统的简单无线通信。系统通过液晶显示和键盘输入完成人机交互。另外，当接收模块为多个时，可组成一对多的无线收发系统。系统选择RL78G13_RF100FE芯片作为整个系统的主控部件，控制着整个系统的运行，实现包括显示信息数据、键盘输入中断检测、功能识别等重要功能，起着调控全局的作用。主控芯片的引脚外围配置电路原理见图2。P40/TOOL0接入作为闪存编程器/调试器用数据输入/输出引脚，作下载口用，引脚REGC通过一个0.47μF的电容上拉至VSS，达到稳定内部电压的作用，引脚VDD接所有引脚的正电源，为了防止噪声和死锁，在VDD至VSS线路之间连接一个旁路电容[4]。

图1　无线收发系统结构图

2.2Si4432无线模块设计

Si4432芯片是一款功能全面的无线通信芯片，在本次设计中，考虑到成本、硬件和软件设计的难易程度，采用单天线半双工的通信方式。该方式既能实现单个系统在接收机和发射机之间的物理切换，又能实现在主机和从机之间的软件切换。此外，该方式不但能完成无线抄表项目中“一对多”的通信任务要求，同时还能降低成本。

单天线半双工通信是通过对天线进行发射和接收状态的切换来实现的，即用Si4432芯片的通用接口(GPIO)来控制射频开关(G4J)，以实现发射电路和接收电路的物理切换。当系统切换为发射电路并发送数据时，需要发送的信息由主控芯片传递给Si4432芯片，并由其“打包封装”后，通过天线发射出去，此时天线作为发射天线存在；当系统切换为接收电路并接收数据时，天线接收无线信号后传递给Si4432芯片，由其“解包”后再传递给主控芯片，此时天线作为接收天线存在。因此，通过简单的切换射频开关，就能实现接收或发送数据的半双工无线通信，满足任务需求[5，6]。

Si4432与主控芯片通过标准的SPI接口进行通信，即SCLK、SDI、SDO和nSEL引脚。其中SCLK提供通信时钟信号，SDI为串行输入接口，SDO为串行输出接口，nSEL为使能控制接口。本设计使用MCU主控芯片的SCK、SI、SO引脚分别与Si4432芯片的SCLK、SDO、SDI引脚相连接，具体的连接电路如图3所示。

图3　无线通信模块原理图

需注意，Si4432芯片的一个SPI动作由16bit组成：1bit读写选择位(RW)，7bit地址段(A6～A0)及8bit数据信息(D7～D0)，方向为MSB到LSB。其SPI时钟极性(CPLK)配置为：同步时钟的空闲状态为低电平；其SPI时钟相位(CPHA)配置为：SPI时钟的第2个跳变沿数据被采样；其最大时钟速率应不超过10MHz。其输入时序见图4。

图4　Si4432芯片SPI时序图

3软件设计

3.1软件设计思路

根据无线电力抄表的实际情况，本系统的软件应具备的功能包括：1)一对多通信控制功能(主机广播功能)；2)单独发送数据功能(从机单独向主机发送数据)；3)实时数据更新功能(模拟电力数据变化)；4)休眠功能(实现微功率指标)；5)无线唤醒功能(即主机远程无线唤醒休眠状态的从机，从而进行通信)；6)从机自动休眠功能(即一定时间未操作或未收到信息，从机自动进入休眠状态)。

3.2初始化设置

初始化主要包含对中断、定时器以及Si4432芯片内部寄存器的合理配置，需要对其进行合理的配置才能实现需要的功能。对于Si4432参数的寄存器配置，可以通过官方Si4432技术手册查阅设定，也可以通过Silicon Labs官方提供的计算器进行计算，所得寄存器值作为Si4432芯片的初始化配置参数。软件的初始化流程如图5所示。

图5　初始化函数流程图

3.3系统工作流程

本系统设计的模块既可以作为发送模块，也可以作为接收模块。通过对Si4432进行设置，可以让系统在发送与接收之间进行切换，当发送信息时，Si4432需先进入Ready模式，然后通过射频开关转换天线状态为发射模式，接下来清空FIFO内的内容，以便录入新的待发射信息。当接收信息时，Si4432需先进入Ready模式，然后通过射频开关转换天线状态为接收模式，接下来清空FIFO的内容，最后使用Burst方式来读取FIFO。接收和发送状态切换时需经过Ready模式，状态切换后需等待一定时间(实测5ms以上)，待芯片工作稳定。整个系统运行时，首先响应外部按键的输入，然后处理内部的一些数据，接下来进行射频开关的切换，更新当前的数据信息，最后根据系统的操作进入不同运行状态。系统主函数流程如图6所示[7]。

图6　系统主函数流程图

4系统功能验证及数据测验

目标系统的实物图如图7所示，主要包含主控芯片、无线通信模块、电源模块以及LED显示模块等。

图7　目标系统实物图

无线通信模块的实物设计如图8所示，该模块主要包含射频芯片、无源晶振、射频开关及天线底座等。

图8　无线通信模块实物图

4.1基本性能测试

1)主机广播信息：主机通过键盘输入要发送的数据，从机蓝色LED灯闪烁，LCD上显示接收到的数据。

2)从机回发信息：主机和从机切换状态，由从机发送信息给主机，从机通过键盘输入要发送的数据，主机蓝色LED灯闪烁，LCD上显示接收到的数据。

3)从机保存数据休眠：从机长按“OP”(设置的按键)键进入保存数据的状态，键盘输入要保存的数据再长按“OP”完成保存设置。长按“SDB”(设置的按键)键或30s不进行任何操作将进入睡眠模式，芯片进入LDC模式，LCD背光关闭，并有绿色呼吸灯闪烁。

4)主机唤醒从机：主机长按“OP”键进入唤醒模式，再通过键盘输入1、2、3来选择唤醒从机的编号。从机红灯闪烁，主机蓝灯闪烁，LCD上显示接收到的数据。

4.2点对点实验

两个节点之间点对点通信的实验分别在湖南大学南校区操场和电气院实验楼7楼进行。一个通信节点在一个固定点不断地发送数据，另一个通信节点分别在距发送点20m、30m、40m处接收数据。每个位置发送数据300次，记录成功接收的次数，实验数据如表1所示。

表1　点对点实验测试结果

4.3穿墙能力测试

对于抄表网络，通信节点的穿墙能力是很重要的一个指标。通信节点之间通信的穿墙能力测试在电气院实验楼7楼进行。主机在709房间广播信息，从机在各房间接收数据情况如图9所示。“√”表示能接收到数据，“×”表示不能接收到数据。

图9　穿墙能力试验示意图

5结束语

本文以瑞萨单片机为基础搭建了基于无线电力抄表的软硬件平台。采用低功耗的瑞萨RL78 MCU作为主控芯片，通过其控制Si4432实现无线信号的发送和接收。对系统进行了点对点以及穿墙能力测试，测试结果表面，当通信节点距离在20m范围内时，通信成功率在95%以上，并有一定的穿墙能力(能穿3～4面墙)。表明该系统在有障碍物阻挡的环境下能够可靠进行通信，能够满足实际电力抄表的需求。

参考文献

[1]吴卫军，瑚琦，郑遂，等.无线摄像式智能抄表系统的设计与实现[J].光学仪器,2012,34(5):75-78.

[2]瑞萨电子公司.瑞萨专注中国市场推出基于RL78的单片机新产品[J].世界电子元器件,2014(3)：44-48.

[3]李霁雰，陈阳生,章玮.基于CAN总线的电动汽车中继站研究[J].机电工程,2015,32(3):379-383.

[4]雷占勃，陈新，徐艺文.无线电力抄表系统的传输中继站设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2013,8:78-81.

[5]张玲，刘九维，何伟.基于SI4432的高性能无线收发应用平台设计[J].电子技术应用,2010,36(12):124-127.

[6]林涛，郭晓，陈恩，等.基于SI4432和GPRS远程智能抄表系统的研究[J].总线与网络,2014(7):31-34.

[7]郭栋，孙明珠，金洁，等.基于无线技术的智能电能表设计[J].辽宁工业大学学报,2014,34(4):220-225.

Discussion on Intelligent Design Experience of Hospital

Liang Huaxi