基于無線通信芯片Si4438抄表模塊的研究

楊陽 侯思祖 楊國旗

摘 要：電力行業(yè)的管理對數(shù)據(jù)的采集和傳輸手段要求越來越高，如何在低功耗、低成本、小型化情況下實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信的可靠傳輸，保障有效通信距離成為非常重要的研究課題。本文主要研究和設計無線抄表系統(tǒng)的下行通信系統(tǒng)，即實現(xiàn)用戶電表的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)采集器和集中器之間傳輸。采用DL/T645-2007協(xié)議作為集中器與采集器之間的通信協(xié)議。使用性能優(yōu)異的射頻芯片Si4438和低功耗的C8051F930單片機。

關鍵詞：無線抄表；Si4438；C8051F930；通信協(xié)議

1 系統(tǒng)總體設計

自動抄表系統(tǒng)的整體結構主要包括管理中心站、集中器、數(shù)據(jù)采集器和采集終端四部分。其中管理中心站為上位機，下位機系統(tǒng)由集中器、數(shù)據(jù)采集器和采集終端構成。管理中心站負責對抄表系統(tǒng)進行設置命令發(fā)送、系統(tǒng)運行狀態(tài)檢測和顯示以及與抄表集中器的數(shù)據(jù)通信。作為自動抄表系統(tǒng)的通信中樞，集中器負責管理中心站指令的接收、用戶用電數(shù)據(jù)的采集、計算數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，充當管理中心站和電表之間溝通紐帶的角色。集中器通過與管理中心站進行通信，獲得管理中心站發(fā)出的數(shù)據(jù)，并根據(jù)管理中心站的要求向中心站發(fā)送數(shù)據(jù)；對電表的數(shù)據(jù)進行定時抄讀或設置電表參數(shù)，并將數(shù)據(jù)轉發(fā)給中心站或存儲到內部存儲單元，由集中器與電表進行通信完成。

集中器在整個抄表系統(tǒng)中起著非常重要的作用，它不僅要收集電表的數(shù)據(jù)并上傳給主站，而且要根據(jù)主站發(fā)來的命令控制所管轄的電表，因此，集中器要能夠同時與主站和電表進行通信。集中器與主站的通信是通過GPRS方式進行的，與電表則是采用無線的方式進行通信，因此集中器應具有GPRS模塊，同時集中器還應帶有無線通信模塊。

2 無線通信單元設計

2.1 硬件設計

無線射頻收發(fā)系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示，無線數(shù)據(jù)的收發(fā)由C8051F930單片機控制Si4438實現(xiàn)。

在發(fā)送模塊中，C8051F930將數(shù)據(jù)傳送給Si4438進行編碼處理，并以特定的格式經天線發(fā)送給接收模塊。接收模塊再對接收到的射頻信號進行放大、解調之后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器C8051F930以進行相應的處理，如送液晶顯示等。系統(tǒng)提供了按鍵和液晶等人機交互界面，同時RS232接口可以完成與PC機間的通信。

2.2 軟件設計

模塊主要是完成對單片機和Si4438以及SPI的初始化配置，實現(xiàn)與主機通信的功能；根據(jù)Si4438所要完成的功能要求，配置相應的寄存器，完成無線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。軟件采用中斷驅動模式，從而能夠最大限度地使功耗降低，即在沒有任何外部中斷的情況下，單片機將進入空閑模式；否則，將被喚醒，執(zhí)行相關的操作，在完成執(zhí)行當前操作后，再次進入空閑模式。

3 協(xié)議選擇

3.1 645協(xié)議介紹

協(xié)議采用DL/T645-2007協(xié)議。645協(xié)議規(guī)定采用半雙工通信方式完成電表和采集設備之間的通信。采集設備為主站，電表為從站。系統(tǒng)內的每個電表都有唯一的編碼地址。主站通過發(fā)出信息指令對通信鏈路的建立和解除進行控制。地址域由6個字節(jié)組成，表示電表的通信地址。系統(tǒng)的廣播地址為999999999999H，用來對所轄電表進行系統(tǒng)校時和發(fā)送凍結指令。地址域可以通過高位補AAH用作通配字節(jié)，讀取電表數(shù)據(jù)可通過對低位進行縮位尋址來實現(xiàn)，電表應答時回復實際的通信地址?？刂拼a的格式如圖5所示，低5位用來代表幀的功能，主要包括讀、寫數(shù)據(jù)，讀、寫地址，數(shù)據(jù)清零，數(shù)據(jù)凍結等。數(shù)據(jù)長度域L代表數(shù)據(jù)域的字節(jié)總數(shù)，讀數(shù)據(jù)的時候數(shù)據(jù)域長度不能大于200，寫數(shù)據(jù)的時候數(shù)據(jù)域長度不能大于50。在發(fā)送前數(shù)據(jù)幀對數(shù)據(jù)按字節(jié)進行加33H操作處理，對數(shù)據(jù)在接收時按字節(jié)進行減33H處理。傳輸時發(fā)送方對字節(jié)做加33H操作，接收方對字節(jié)做減33H操作。數(shù)據(jù)幀中校驗碼之間的數(shù)據(jù)的字節(jié)的模256和為校驗碼。

3.2 645協(xié)議程序設計

當集中器接收到電表數(shù)據(jù)幀后，首先要檢驗數(shù)據(jù)包長度，然后查找?guī)^、幀尾、和幀長度等是否正確。檢測項若不正確，則將舍棄數(shù)據(jù)包，若正確則繼續(xù)對數(shù)據(jù)進行模256驗證，之后對數(shù)據(jù)進行-33H處理。再按照功能碼對數(shù)據(jù)進行分類解析。在對數(shù)據(jù)幀的處理過程中，如果出現(xiàn)錯誤，則抄表失敗，置抄表失敗標志位，等待補抄任務。

4 總結

作為我國最具發(fā)展?jié)摿Φ默F(xiàn)代應用技術之一，人們對無線抄表系統(tǒng)的研究不斷加深。而微功率無線抄表技術已經成為該領域的研究熱點。本文采用新型的Si4438無線射頻芯片，Si4438技術方案可達20dB的發(fā)射功率，保證射頻信號可以穿透整個建筑物。可采集500個節(jié)點的數(shù)據(jù)，滿足一幢大樓的需求。Si4438收發(fā)器專為425-525MHz ISM頻段設計，符合嚴格的中國智能電表470-510MHz頻段操作監(jiān)管要求，是為中國智能電表市場量身定制的無線收發(fā)器。

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