一種家用電梯433 MHz無線數(shù)據(jù)傳輸裝置的設(shè)計(jì)*

屈省源，黎家輝，羅澤凡

（中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 528400）

0 引言

家用電梯采用一種在一根扁平電纜中包含強(qiáng)電和弱電信號(hào)在內(nèi)的幾十根不同種類的隨行電纜實(shí)現(xiàn)電梯轎廂系統(tǒng)和控制柜之間強(qiáng)電、弱電信號(hào)傳輸。隨之出現(xiàn)一系列問題，如隨行電纜的老化導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，傳輸效率低；制造和維護(hù)成本比較高。

無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是將數(shù)據(jù)通過調(diào)制等手段以電磁波的形式在無線信道中傳輸，達(dá)到與遠(yuǎn)端設(shè)備通信目的，具有良好的便捷性。目前，無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在各行業(yè)應(yīng)用廣泛。

本文利用無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)一種基于CMT2119B和CMT2219B的433 MHz的數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、部署簡(jiǎn)易、容易使用的無線數(shù)據(jù)傳輸裝置，取代家用電梯的隨行電纜，降低制造和維護(hù)成本，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘俊?/p>

1 家用電梯無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)特點(diǎn)

1.1 使用環(huán)境

家用電梯一般是使用在私人家庭中，速度較低。電梯轎廂是在一個(gè)封閉的井道內(nèi)運(yùn)行，轎廂的控制系統(tǒng)安裝在轎廂頂部的控制箱。電梯的主控制器和驅(qū)動(dòng)器一般安裝在井道外的專用機(jī)房的控制柜中，需要隨行電纜實(shí)現(xiàn)轎廂和主控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸。這樣在布線時(shí)，就要考慮隨行電纜布線的美觀性。同時(shí)，當(dāng)樓層增加時(shí)，隨行電纜的成本也會(huì)增加[1-3]。

1.2 主要技術(shù)類型

當(dāng)前，家用電梯無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的主要類型有3種。

（1）2.4 G無線數(shù)據(jù)傳輸[4-6]。2.4 G模塊低功耗設(shè)計(jì)，穿透力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸速度高，組網(wǎng)容易，理想傳輸距離在1.5 km，通常用于傳輸距離比較近的數(shù)據(jù)采集。

（2）433 M無線數(shù)據(jù)傳輸[7-9]。433 M模塊信號(hào)強(qiáng)，傳輸距離長(zhǎng)，理想傳輸距離在3 km左右。還有穿透、繞射能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，傳輸過程衰減較小，保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸不中斷。

（3）GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸[10-11]。GPRS模塊傳輸距離不受限制，傳輸數(shù)據(jù)大、安全穩(wěn)定，通常用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集傳輸。

綜合考慮家用電梯無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖褂脠?chǎng)合、設(shè)備維護(hù)等因素，本文選用433 M無線數(shù)據(jù)傳輸方式。

2 無線數(shù)據(jù)傳輸裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

電梯的隨行電纜主要完成兩項(xiàng)任務(wù)，一是完成電梯轎廂系統(tǒng)與電梯主控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，二是為電梯轎廂的電氣系統(tǒng)提供電源。采用無線電能傳輸方式實(shí)現(xiàn)的電梯轎廂電源供給方式不是本文的研究?jī)?nèi)容，本文主要研究的是電梯轎廂系統(tǒng)和電梯主控制器之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 家用電梯無線數(shù)據(jù)傳輸裝置總體結(jié)構(gòu)圖

采用無線數(shù)據(jù)傳輸裝置，一方面將轎廂所要顯示的樓層位置信息由電梯主控制器傳送給機(jī)房無線數(shù)據(jù)傳輸裝置，機(jī)房無線數(shù)據(jù)傳輸裝置將此數(shù)據(jù)發(fā)送給安裝在轎廂頂部的轎廂控制盒的無線數(shù)據(jù)傳輸裝置，再由轎廂無線數(shù)據(jù)傳輸裝置傳送給轎廂控制器。另一方面，轎廂控制器將轎內(nèi)呼梯信號(hào)、緊急情況下的救援對(duì)講信號(hào)、轎廂維修信號(hào)以及轎廂轎門狀態(tài)信號(hào)等信息數(shù)據(jù)傳送給轎廂無線數(shù)據(jù)傳輸裝置，轎廂無線數(shù)據(jù)傳輸裝置將此數(shù)據(jù)發(fā)送給安裝在機(jī)房控制柜里的機(jī)房無線數(shù)據(jù)傳輸裝置，再由機(jī)房無線數(shù)據(jù)傳輸裝置將此數(shù)據(jù)發(fā)送給電梯主控制器。

在上述過程中，無論是機(jī)房無線數(shù)據(jù)傳輸裝置，還是轎廂無線數(shù)據(jù)傳輸裝置，都不是工作在單一模式，而是工作在收、發(fā)模式。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

本文的無線數(shù)據(jù)傳輸芯片是無線發(fā)射芯片CMT2119B和無線接收芯片CMT2219B。

CMT2119B是一款高性價(jià)比的射頻發(fā)射器。它具有高集成度，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所需的外圍物料。高達(dá)+20 dBm的發(fā)射功率，提升了應(yīng)用的鏈路性能。它支持多種數(shù)據(jù)包格式及編解碼方式，使得它可以靈活的滿足各種應(yīng)用對(duì)不同數(shù)據(jù)包格式及編碼的需求。另外，它有豐富的GPIO及中斷配置，自動(dòng)發(fā)射運(yùn)行模式等功能，使得應(yīng)用設(shè)計(jì)更加靈活，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化設(shè)計(jì)。CMT2119B工作于1.8～3.6 V，+13 dBm輸出功率情況下僅消耗23 mA發(fā)射電流，在+20 dBm輸出功率情況下消耗77 mA發(fā)射電流。

CMT2219B是一款低功耗的高性價(jià)比的無線接收器。它簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所需的外圍物料，優(yōu)化了電路設(shè)計(jì)。它支持多種數(shù)據(jù)包格式及解碼方式，使得它可以靈活滿足各種應(yīng)用的需求。另外，CMT2219B還支持64-byte Rx FIFO，豐富的GPIO及中斷配置，Duty-Cycle運(yùn)行模式，信道偵聽，高精度RSSI，低電壓檢測(cè)等功能，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化設(shè)計(jì)。

2.2.1 接收模塊電路原理

CMT2219B芯片采用LNA+MIXER+IFFILTER+LIMITTER+PLL的低中頻結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)1 G以下頻率的無線接收功能。

CMT2219B內(nèi)建一個(gè)超低功耗、高性能低中頻OOK、FSK接收器。天線感應(yīng)進(jìn)來的射頻信號(hào)，通過低噪聲放大器放大以后，通過正交混頻器下變頻至中頻，由鏡像抑制濾波器濾波，限幅放大器進(jìn)一步放大后送入數(shù)字域，做數(shù)字解調(diào)處理。在上電復(fù)位（POR）的時(shí)候每一個(gè)模擬模塊都會(huì)被校準(zhǔn)到內(nèi)部的參考電壓。這使得芯片能更好地工作在不同的溫度和電壓底下?；鶐V波和解調(diào)由數(shù)字解調(diào)器完成。當(dāng)芯片工作在大帶外干擾信號(hào)的環(huán)境時(shí)，通過LNA旁邊的寬帶功率檢測(cè)器及衰減網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)增益控制環(huán)路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的增益，以獲得最佳的系統(tǒng)線性度，選擇性，靈敏度等性能。

基于CMT2219B的無線數(shù)據(jù)傳輸裝置的數(shù)據(jù)接收模塊電路原理圖如圖2所示。其中，晶體振蕩器用于為鎖相環(huán)提供基準(zhǔn)時(shí)鐘，為數(shù)字模塊提供系統(tǒng)時(shí)鐘。晶振2端的電容選15 pF，以使晶體準(zhǔn)確振蕩在26 MHz。

圖2 無線數(shù)據(jù)傳輸裝置接收器模塊電路

2.2.2 發(fā)射模塊電路原理

CMT2119B發(fā)射器是基于射頻頻率直接綜合的發(fā)射器。其載波頻率是由一個(gè)低噪聲小數(shù)分頻頻率綜合器產(chǎn)生。調(diào)制數(shù)據(jù)由一個(gè)高效的單端功率放大器（PA）發(fā)射出去。輸出功率可以通過寄存器讀寫，以1 dB的步進(jìn)從-10 dBm配置到+20 dBm。

當(dāng)PA快速開關(guān)時(shí)，其改變的輸入阻抗瞬間干擾VCO的輸出頻率，此效應(yīng)成為VCO牽引，它會(huì)在所需載波附近產(chǎn)生頻譜的雜散和毛刺。通過緩慢升降PA輸出功率，PA的瞬時(shí)毛刺可以減到最小。CMT2119B內(nèi)建PA緩慢升降的機(jī)制，當(dāng)PA Ramp打開時(shí)，PA輸出功率可以按設(shè)置的速率緩慢升降至所需的幅度，以降低不需要的頻譜成分。

基于CMT2119B的無線數(shù)據(jù)傳輸裝置的數(shù)據(jù)發(fā)射模塊電路原理圖如圖3所示。

圖3 無線數(shù)據(jù)傳輸裝置發(fā)射器模塊電路

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 CMT2119B和CMT2219B運(yùn)行模式

MCU和芯片之間的通訊是通過4線SPI接口進(jìn)行的。低有效的CSB意味著MCU要訪問芯片的寄存器。低有效的FCSB意味著MCU要訪問芯片的FIFO。CSB和FCSB不能同時(shí)為低。SCLK是串口時(shí)鐘。數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿發(fā)射，上升沿采樣。SDIO是一個(gè)雙向的數(shù)據(jù)管腳。地址和數(shù)據(jù)總是從MSB開始發(fā)送。

當(dāng)訪問寄存器的時(shí)候，需要發(fā)一個(gè)R/W（讀/寫）位，隨后是7位寄存器地址。在送入R/W位之前，MCU必須將CSB拉低至少半個(gè)SCLK周期。當(dāng)發(fā)送最后一個(gè)SCLK下降沿以后，MCU必須至少等待半個(gè)SCLK周期才能再將CSB拉高。

CMT2119B和CMT2219B有3個(gè)GPIO，每個(gè)GPIO都可以配置成不同的輸入或者輸出；它們都有2個(gè)中斷口，可以配置到不同的GPIO輸出。

2.3.2 CMT2119B和CMT2219B的數(shù)據(jù)格式

CMT2119B和CMT2219B采用了比較典型靈活的數(shù)據(jù)包格式，可以分為可變包（Length在Node ID前面）、可變包（Length在Node ID后面）和固定包3種。本文采用如圖4所示的固定包的數(shù)據(jù)格式。

圖4 固定數(shù)據(jù)包格式

數(shù)據(jù)模式指的外部MCU通過什么模式來獲取接收數(shù)據(jù)，CMT2119B和CMT2219B支持直通模式和包模式兩種。本文的數(shù)據(jù)模式采用包模式。在包模式中，從解調(diào)器輸出的數(shù)據(jù)會(huì)先被移送至包處理機(jī)中進(jìn)行解碼，然后填入FIFO。包處理機(jī)提供多種解碼引擎和判斷數(shù)據(jù)有效性的選項(xiàng)，這些可以減輕用戶的MCU資源。典型的包模式的Rx工作順序如下：（1）通過 CUS_IO_SEL （Addr=0x65） 配 置 GPIO；（2） 通 過CUS_INT1_CTL（Addr=0x66），CUS_INT2_CTL（Addr=0x67）和CUS_INT_EN（Addr=0x68）設(shè)置中斷；（3）發(fā)送go_rx命令；（4）根據(jù)相關(guān)的中斷狀態(tài)讀取FIFO；（5）發(fā)送go_sleep/go_stby/go_rfs命令以節(jié)省功耗；（6）通過CUS_INT_CLR1/2（Addr=0x6A/B）清除包中斷狀態(tài)。

2.3.3 軟件代碼

以SPI方式寫入和讀取一個(gè)16位數(shù)據(jù)的參考代碼如圖5所示。

圖5 寫入和讀取數(shù)據(jù)參考代碼

3 結(jié)束語

本文使用無線數(shù)據(jù)傳輸裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)家用電梯的隨行電纜，避免了布置隨行電纜帶來的諸多不便。采用高性價(jià)比的CMT2119B和CMT2219B無線數(shù)據(jù)發(fā)射芯片和接收芯片，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠，參數(shù)修改和設(shè)備維護(hù)都比較方便。比較而言，同等條件下，使用無線數(shù)據(jù)傳輸裝置代替隨行電纜，能夠節(jié)約大約15%左右的人力和財(cái)力，完全滿足家用電梯的使用要求。