一种家用电梯433 MHz无线数据传输装置的设计*

屈省源，黎家辉，罗泽凡

（中山职业技术学院，广东中山 528400）

0 引言

家用电梯采用一种在一根扁平电缆中包含强电和弱电信号在内的几十根不同种类的随行电缆实现电梯轿厢系统和控制柜之间强电、弱电信号传输。随之出现一系列问题，如随行电缆的老化导致数据传输不稳定，传输效率低；制造和维护成本比较高。

无线数据传输技术是将数据通过调制等手段以电磁波的形式在无线信道中传输，达到与远端设备通信目的，具有良好的便捷性。目前，无线数据传输技术在各行业应用广泛。

本文利用无线数据传输技术，设计一种基于CMT2119B和CMT2219B的433 MHz的数据传输可靠性高、部署简易、容易使用的无线数据传输装置，取代家用电梯的随行电缆，降低制造和维护成本，提高数据传输的容量。

1 家用电梯无线数据传输技术特点

1.1 使用环境

家用电梯一般是使用在私人家庭中，速度较低。电梯轿厢是在一个封闭的井道内运行，轿厢的控制系统安装在轿厢顶部的控制箱。电梯的主控制器和驱动器一般安装在井道外的专用机房的控制柜中，需要随行电缆实现轿厢和主控制器之间的数据传输。这样在布线时，就要考虑随行电缆布线的美观性。同时，当楼层增加时，随行电缆的成本也会增加[1-3]。

1.2 主要技术类型

当前，家用电梯无线数据传输技术的主要类型有3种。

（1）2.4 G无线数据传输[4-6]。2.4 G模块低功耗设计，穿透力强，数据传输速度高，组网容易，理想传输距离在1.5 km，通常用于传输距离比较近的数据采集。

（2）433 M无线数据传输[7-9]。433 M模块信号强，传输距离长，理想传输距离在3 km左右。还有穿透、绕射能力强的优点，传输过程衰减较小，保证数据实时传输不中断。

（3）GPRS无线数据传输[10-11]。GPRS模块传输距离不受限制，传输数据大、安全稳定，通常用于远程数据采集传输。

综合考虑家用电梯无线数据传输的使用场合、设备维护等因素，本文选用433 M无线数据传输方式。

2 无线数据传输装置系统设计

2.1 系统总体设计

电梯的随行电缆主要完成两项任务，一是完成电梯轿厢系统与电梯主控系统之间的数据传输，二是为电梯轿厢的电气系统提供电源。采用无线电能传输方式实现的电梯轿厢电源供给方式不是本文的研究内容，本文主要研究的是电梯轿厢系统和电梯主控制器之间的无线数据传输。系统的总体结构如图1所示。

图1 家用电梯无线数据传输装置总体结构图

采用无线数据传输装置，一方面将轿厢所要显示的楼层位置信息由电梯主控制器传送给机房无线数据传输装置，机房无线数据传输装置将此数据发送给安装在轿厢顶部的轿厢控制盒的无线数据传输装置，再由轿厢无线数据传输装置传送给轿厢控制器。另一方面，轿厢控制器将轿内呼梯信号、紧急情况下的救援对讲信号、轿厢维修信号以及轿厢轿门状态信号等信息数据传送给轿厢无线数据传输装置，轿厢无线数据传输装置将此数据发送给安装在机房控制柜里的机房无线数据传输装置，再由机房无线数据传输装置将此数据发送给电梯主控制器。

在上述过程中，无论是机房无线数据传输装置，还是轿厢无线数据传输装置，都不是工作在单一模式，而是工作在收、发模式。

2.2 硬件设计

本文的无线数据传输芯片是无线发射芯片CMT2119B和无线接收芯片CMT2219B。

CMT2119B是一款高性价比的射频发射器。它具有高集成度，简化了系统设计中所需的外围物料。高达+20 dBm的发射功率，提升了应用的链路性能。它支持多种数据包格式及编解码方式，使得它可以灵活的满足各种应用对不同数据包格式及编码的需求。另外，它有丰富的GPIO及中断配置，自动发射运行模式等功能，使得应用设计更加灵活，实现产品差异化设计。CMT2119B工作于1.8～3.6 V，+13 dBm输出功率情况下仅消耗23 mA发射电流，在+20 dBm输出功率情况下消耗77 mA发射电流。

CMT2219B是一款低功耗的高性价比的无线接收器。它简化了系统设计中所需的外围物料，优化了电路设计。它支持多种数据包格式及解码方式，使得它可以灵活满足各种应用的需求。另外，CMT2219B还支持64-byte Rx FIFO，丰富的GPIO及中断配置，Duty-Cycle运行模式，信道侦听，高精度RSSI，低电压检测等功能，简化设计，实现产品差异化设计。

2.2.1 接收模块电路原理

CMT2219B芯片采用LNA+MIXER+IFFILTER+LIMITTER+PLL的低中频结构实现1 G以下频率的无线接收功能。

CMT2219B内建一个超低功耗、高性能低中频OOK、FSK接收器。天线感应进来的射频信号，通过低噪声放大器放大以后，通过正交混频器下变频至中频，由镜像抑制滤波器滤波，限幅放大器进一步放大后送入数字域，做数字解调处理。在上电复位（POR）的时候每一个模拟模块都会被校准到内部的参考电压。这使得芯片能更好地工作在不同的温度和电压底下。基带滤波和解调由数字解调器完成。当芯片工作在大带外干扰信号的环境时，通过LNA旁边的宽带功率检测器及衰减网络，自动增益控制环路调节系统的增益，以获得最佳的系统线性度，选择性，灵敏度等性能。

基于CMT2219B的无线数据传输装置的数据接收模块电路原理图如图2所示。其中，晶体振荡器用于为锁相环提供基准时钟，为数字模块提供系统时钟。晶振2端的电容选15 pF，以使晶体准确振荡在26 MHz。

图2 无线数据传输装置接收器模块电路

2.2.2 发射模块电路原理

CMT2119B发射器是基于射频频率直接综合的发射器。其载波频率是由一个低噪声小数分频频率综合器产生。调制数据由一个高效的单端功率放大器（PA）发射出去。输出功率可以通过寄存器读写，以1 dB的步进从-10 dBm配置到+20 dBm。

当PA快速开关时，其改变的输入阻抗瞬间干扰VCO的输出频率，此效应成为VCO牵引，它会在所需载波附近产生频谱的杂散和毛刺。通过缓慢升降PA输出功率，PA的瞬时毛刺可以减到最小。CMT2119B内建PA缓慢升降的机制，当PA Ramp打开时，PA输出功率可以按设置的速率缓慢升降至所需的幅度，以降低不需要的频谱成分。

基于CMT2119B的无线数据传输装置的数据发射模块电路原理图如图3所示。

图3 无线数据传输装置发射器模块电路

2.3 软件设计

2.3.1 CMT2119B和CMT2219B运行模式

MCU和芯片之间的通讯是通过4线SPI接口进行的。低有效的CSB意味着MCU要访问芯片的寄存器。低有效的FCSB意味着MCU要访问芯片的FIFO。CSB和FCSB不能同时为低。SCLK是串口时钟。数据在SCLK的下降沿发射，上升沿采样。SDIO是一个双向的数据管脚。地址和数据总是从MSB开始发送。

当访问寄存器的时候，需要发一个R/W（读/写）位，随后是7位寄存器地址。在送入R/W位之前，MCU必须将CSB拉低至少半个SCLK周期。当发送最后一个SCLK下降沿以后，MCU必须至少等待半个SCLK周期才能再将CSB拉高。

CMT2119B和CMT2219B有3个GPIO，每个GPIO都可以配置成不同的输入或者输出；它们都有2个中断口，可以配置到不同的GPIO输出。

2.3.2 CMT2119B和CMT2219B的数据格式

CMT2119B和CMT2219B采用了比较典型灵活的数据包格式，可以分为可变包（Length在Node ID前面）、可变包（Length在Node ID后面）和固定包3种。本文采用如图4所示的固定包的数据格式。

图4 固定数据包格式

数据模式指的外部MCU通过什么模式来获取接收数据，CMT2119B和CMT2219B支持直通模式和包模式两种。本文的数据模式采用包模式。在包模式中，从解调器输出的数据会先被移送至包处理机中进行解码，然后填入FIFO。包处理机提供多种解码引擎和判断数据有效性的选项，这些可以减轻用户的MCU资源。典型的包模式的Rx工作顺序如下：（1）通过 CUS_IO_SEL （Addr=0x65） 配 置 GPIO；（2） 通 过CUS_INT1_CTL（Addr=0x66），CUS_INT2_CTL（Addr=0x67）和CUS_INT_EN（Addr=0x68）设置中断；（3）发送go_rx命令；（4）根据相关的中断状态读取FIFO；（5）发送go_sleep/go_stby/go_rfs命令以节省功耗；（6）通过CUS_INT_CLR1/2（Addr=0x6A/B）清除包中断状态。

2.3.3 软件代码

以SPI方式写入和读取一个16位数据的参考代码如图5所示。

图5 写入和读取数据参考代码

3 结束语

本文使用无线数据传输装置代替传统家用电梯的随行电缆，避免了布置随行电缆带来的诸多不便。采用高性价比的CMT2119B和CMT2219B无线数据发射芯片和接收芯片，数据传输稳定、可靠，参数修改和设备维护都比较方便。比较而言，同等条件下，使用无线数据传输装置代替随行电缆，能够节约大约15%左右的人力和财力，完全满足家用电梯的使用要求。