智能電表是打造智能家居的核心。能夠測量家庭的整體用電量并將該數據反饋給公用事業公司是管理公用電網負載并最終減少消費者賬單的關鍵要素。

　　使用最新的射頻模塊為電表添加無線連接相對簡單。這些提供了經認證可在特定地區使用的所有射頻連接。但是，這些模塊需要連接到儀表才能直接獲取數據，或者連接到正在獲取電流消耗的傳感器。這可以通過一個低成本的 8 位微控制器相對容易地完成。

　　使用未調節的低于 1 GHz 的頻段對智能電表設計具有許多優勢。較低的頻率為較長的距離傳輸較低的數據速率，為系統設計人員提供了顯著的優勢。智能電表每天只需發送幾次少量數據，因此數據速率較低。這允許使用更長的范圍，并且與 ZigBee 等可以在 2.4 GHz 傳輸更多數據的協議有很大不同。使用 sub 1 GHz 頻段還可以避免來自 2.4 GHz 源（如 Wi-Fi、藍牙和微波爐）的潛在干擾，這進一步降低了建立可靠無線鏈路所需的功率。

　　德州儀器 （TI） 的最新射頻芯片已被證明可以在這些較低頻率下在長達 10 公里的距離內傳輸低速率數據（幾 kbyte/s）。這有兩個優點：可以將更多設備連接到單個集線器或集中器，或者可以顯著降低射頻收發器的功耗。這允許系統架構師優化功耗和覆蓋范圍的平衡。例如，可以通過低于 1 GHz 的鏈路將多條房屋街道連接到街道上的集中器，從而避免每個家庭都需要寬帶集線器。

　　根據系統架構，模塊支持不同的無線網絡拓撲，例如點對點、點對多點、對等和網狀網絡。網狀網絡允許相鄰單元連接在一起并承載數據，從而大大擴展了覆蓋范圍。這會影響數據速率，但對于智能電表網絡而言，對于節省成本而言，覆蓋范圍遠比數據速率更重要，并且有足夠的余量來支持網狀網絡。

　　RF 模塊 Anaren

　　的A1101R04C是一個很好的 1 GHz 以下 RF 模塊示例，可用于智能電表設計，將晶體、內部穩壓器、匹配電路和濾波集成到表面貼裝設計中，可輕松實現安裝在板上。

　　9 x 12 x 2.5 mm 模塊通過 U.FL 連接器使用外部天線，適用于 433.05 至 434.79 MHz 的歐洲頻段，非常適合實現低功耗無線連接，而無需處理大量的射頻設計和法規遵從性，以及提供快速的上市時間。

　　圖 1：A1101R04C 低于 1 GHz 的射頻模塊。

　　這些模塊經過 100% 測試以提供一致的性能，并且模塊化認證允許 OEM 將帶有批準天線的模塊放置在成品中，而無需對有意輻射器進行昂貴的監管測試。

　　天線設計

　　對于將設備安裝在家庭中的智能電表等應用，全向天線方向圖允許設備在任何方向上同樣良好地工作。類似地，對于點對點或點對多點應用程序，需要全向模式，以便所有節點都有公平的通信機會。A1101R04C 具有經過批準的近全向單極天線，但需要注意的是，末端輻射方向圖不僅取決于天線，還取決于接地平面、外殼和安裝環境。

　　天線匹配為發射放大器提供正確的負載以實現最高輸出功率，以及為接收低噪聲放大器 （LNA） 提供正確的負載以實現最佳靈敏度和所需范圍。模塊中的電源管理確保了內部功能的穩定供電，并提供了低功耗睡眠模式的手段（在這種情況下，大部分收發器都處于關閉狀態）。

　　界面

　　物理層提供數據、符號和射頻信號之間的轉換，而 MAC 層是邏輯鏈路層的一部分，提供幀處理、尋址和介質訪問服務。物理層和 MAC 層的寄存器和命令都通過 SPI 串行接口暴露給微控制器，這可以由Microchip PIC12等 8 位微控制器處理。下面詳細討論如何使用 PIC12 以及如何實現 SPI 接口。

　　物理層和 MAC 層功能通過 SPI 總線通過可尋址寄存器和執行命令進行訪問。接收或發送的數據也通過 SPI 總線訪問，并作為 FIFO 寄存器實現（Tx 和 Rx 各 64 字節）。

　　傳輸時，將一幀數據放入 FIFO；這可能包括目標地址。給出一個發送命令，它將根據寄存器的初始設置發送數據。要接收數據，會給出一個接收命令，該命令使單元能夠“監聽”傳輸，并在發生傳輸時將接收到的幀放入 FIFO。當既不需要發送也不需要接收時，器件可以進入空閑模式，從中可以快速重新進入接收或發送模式，或者進入低功耗睡眠模式，在發送或接收操作之前也需要晶體啟動。

　　使用模塊

　　該模塊基于德州儀器的CC1101收發器 IC. 收發器的所有控制線都在模塊級別提供，以完全控制其操作。

　　圖 2：A1101R04C 低于 1 GHz 射頻模塊中的 CC1101 收發器。

　　在寄存器的初始設置之后，模塊可以以幾種不同的方式運行。對于不頻繁數據傳輸的應用，收發器將處于“睡眠”模式以節省功率 （200 nA）。從那里它會醒來，然后進入“空閑”模式。作為喚醒過程的一部分，晶體振蕩器啟動（大約 240 μs）并且微控制器接口上電。在發送或接收之前，需要啟動頻率合成器（“FS_Wakeup”），并且在關閉電源（或空閑一段時間）后，需要校準 VCO/PLL 的控制環路。

　　數據幀被加載到發送 FIFO 并進入 TX 模式。收發器將傳輸數據并在完成后進入“空閑”模式。發送完成后，進入 RX 模式等待確認幀。一旦接收到一幀，收發器將再次進入“空閑”模式。如果在給定的超時時間內沒有接收到確認幀，則將重新傳輸數據幀。如果確認幀表明數據已收到，則將發送下一個數據幀。最后一個數據幀發送成功后，收發器將再次進入“睡眠”模式。

　　為了符合歐洲的輸出功率限制，如果模塊以 10% 的占空比運行，則最大輸出功率為 10 mW （10 dBm）。如果需要 100% 占空比，全時運行，那么對于帶寬小于 250 kHz 的信號，輸出功率應限制為 1 mW （0 dBm），對于大于 250 kHz 的信號，輸出功率應限制為 -13 dBm/10 kHz千赫。

　　需要注意的是，模塊的輸出功率會隨著環境溫度的變化而變化。為了獲得最佳范圍并同時保持認證合規性，可以根據溫度調整輸出功率，以在整個溫度范圍內保持近似恒定的輸出功率。如果未實施溫度相關控制，用戶必須對所有溫度使用最低功率值，以將功率保持在認證限制內。

　　與智能電表接口

　　模塊與系統其余部分之間的鏈接是 SPI 串行，這可以通過相對簡單的微控制器（例如 Microchip PIC12）來處理。如果儀表已經是數字的，這可以從儀表中獲取數據，或者使用集成的模數轉換器來轉換來自霍爾效應電流傳感器（例如Melexis MLX91205或Allegro Microsystems ACS711 ）的信號。這些可以直接從現有的儀表系統測量功率。

　　PIC12微控制器

　　PIC12 使用具有 49 條指令的增強型中檔 8 位 CPU 內核、具有自動上下文保存功能的中斷功能以及具有上溢和下溢復位功能的 16 級硬件堆棧。為了提高編碼的靈活性，提供了直接、間接和相對尋址模式，并且兩個文件選擇寄存器 （FSR） 提供了讀取程序和數據存儲器的能力。

　　圖 3：PIC12 微控制器顯示了用于連接射頻模塊的 SPI 接口，以及用于連接霍爾效應電流傳感器等外部設備的模數接口塊。

　　SPI 接口

　　SPI 接口是將射頻模塊連接到系統其余部分的關鍵。該同步協議允許主設備發起與從設備的通信以交換數據。它通過一個稱為同步串行端口或主同步串行端口的硬件模塊在 PICmicro MCU 中實現。該模塊允許兩個或多個設備之間的高速串行通信，并且相當容易實現。

　　圖 4：PIC12 微控制器的內核顯示了 SSP 和 MSSP 模塊。

　　時鐘信號由主機提供以提供同步并控制數據何時可以更改以及何時可以讀取。由于 SPI 是同步的，它與數據一起具有時鐘脈沖，這使其不同于 RS-232 和其他不使用時鐘脈沖的異步協議，因此需要準確的時序。這意味著時鐘可以在不中斷數據的情況下發生變化，因為數據速率只會隨著時鐘速率的變化而變化。當微控制器的時鐘不精確時，這使得 SPI 非常理想，例如通過低成本 RC 振蕩器。

　　傳輸數據時，必須先讀取傳入數據，然后再嘗試再次傳輸。如果輸入的數據沒有被讀取，那么數據將會丟失并且 SPI 模塊可能因此被禁用。始終在傳輸發生后讀取數據，即使數據在應用程序中沒有用處。每個設備都有兩條數據線，一條用于輸入，一條用于輸出，但數據始終在 SPI 設備之間交換 - 沒有設備可以只是“發送器”或“接收器”。這些數據交換由主設備控制的時鐘線 SCK 控制。數據通常在 SCK 的上升沿或下降沿發生變化。

　　通常，從設備選擇信號將控制何時訪問設備。當系統中存在多個從機時，必須使用此信號，但當電路中僅存在一個從機時，該信號是可選的。該從設備選擇 （SS） 信號向從設備指示主設備希望在該從設備與其自身之間啟動 SPI 數據交換。該信號通常是低電平有效，因此這條線上的低電平表示 SPI 處于活動狀態，而高電平表示不活動。它通常用于提高系統的抗噪能力。它的功能是復位 SPI 從機，使其準備好接收下一個字節。

　　SSP 或 MSSP 控制器模塊允許實現 SPI 或 I2C。MSSP 中的“M”代表“Master”，與它如何處理 I2C 數據有關，因此它不會影響其 SPI 性能，因此 MSSP 或 SSP 模塊均可用于 SPI。

　　SSPSR 是 SPI 模塊的移位寄存器，將數據移入和移出器件。數據循環傳送到下一個移位寄存器，從 PIC12 的 SDO 引腳移出并進入 RF 模塊的 SDI 引腳。一旦兩個器件之間交換了一個字節的數據，它就會被復制到 SSPBUF 寄存器中。SSPBUF 然后由用戶軟件讀取。

　　儀表的使用日期由用戶代碼寫入 SSPBUF，然后自動傳輸到 SSPSR。

　　以 PIC 作為主機，此過程將啟動數據傳輸。從機選擇信號通過拉低以啟動 SPI 傳輸來激活，一旦完成一個字節傳輸就返回高狀態。

　　結論

　　低于 1 GHz 的免許可頻段為智能電表的低成本、低功耗鏈路開辟了機會。避免 2.4 GHz 頻段的干擾以及更大的穿透力，可實現更長的覆蓋范圍和更低的功耗，這兩者都有助于降低系統成本。借助預先批準的射頻模塊，這些無線鏈路可以輕松添加到電表設計中。然后可以使用低成本、簡單的微控制器來處理模塊與儀表其余部分以及其他傳感器之間的 SPI 接口。所有這些結合起來為智能電網提供了堅固、可靠的系統設計。