Высокопроизводительный беспроводной интерфейс WMBus для интеллектуальных счётчиков


PDF версия

В статье подробно описана реализация интеллектуального счетчика с интерфейсом беспроводного обмена данными, приведены схемы и таблицы, поясняющие изложенный материал. Статья представляет собой сокращенный перевод [15].

Введение

Принимая во внимание директиву EU 2020, рыночные перспективы интеллектуальных счётчиков в Европе в ближайшем десятилетии можно оценить как огромные. В связи с этим возрастает важность недорогих микроконтроллеров (МК) с высоким уровнем интеграции аналоговых компонентов в сочетании с современными модулями радиосвязи, которые необходимы для создания полнофункциональных интеллектуальных счётчиков. Технические требования примерно одинаковы для всех типов счётчиков: низкая стоимость, сверхнизкое энергопотребление (счётчики работают от аккумулятора, за исключением счётчиков электроэнергии), точность измерений и поддержка различных телекоммуникационных интерфейсов, например, инфракрасный порт, проводная или беспроводная связь.

Возможно наиболее важной особенностью новых интеллектуальных электронных счётчиков является поддержка функций обмена информацией. Это является необходимым условием для введения новых услуг, таких как гибкие тарифы или контроль энергопотребления в реальном времени. Широкое распространение недорогих КМОП-приёмопередатчиков и множество протоколов радиосвязи обеспечивают развёртывание крупномасштабных измерительных систем, которые объединяют счётчики, повторители и устройства сбора данных.

Стандарт WMBus в европейских нормативах EN13757-3/4/5

В настоящее время существует большое количество стандартов радиосвязи, важно выбрать наиболее подходящий для различных измерений. Скорее всего, на этот вопрос нет простого ответа, но в ряде стран для считывания показаний беспроводных счётчиков уже выбран стандарт WMBus, что определено в спецификациях OMS [12] и NTA8130 [13].

WMBus — это расширенная версия широко распространённого в Европе стандарта проводной связи M-Bus (норматив EN13757-2). WMBus фактически поддерживает физический уровень Wireless KNX (Konnex), соответствующий режиму «S» в WMBus.

Стандарт EN13757-4 является основным регламентирующим документом WMbus, он определяет обмен данными между счётчиком и другими устройствами в сети по прямому двухточечному радиоканалу в диапазоне SRD (868…870 МГц). Следует отметить, что в качестве альтернативы, если это допустимо местными правилами, может использоваться диапазон 433 МГц. Предполагается, что в обновлённую версию стандарта EN13757-x для увеличения дальности связи и снижения энергопотребления в измерительных системах будет добавлен недавно открытый в Европе диапазон 169 МГц (см. ETSI30220-1 вер. 2.3.1). На текущий момент в EN13757-4 определены три рабочих режима: «S», «T» и «R» (см. табл. 1).

Таблица 1. Режимы WMBus (из EN 13757-4:2005)

Режим

Направление

Скорость передачи данных и используемый код

«S» (стационарный):

S1; S1-m;S2

«S1» — однонаправленный

«S2» — двунаправленный

Передача (TX): 32 килоцикла/с, манчестерский

Приём (RX): 32 килоцикла/с, манчестерский

«T» (частая передача):

«T1»; «T2»

«T1» — однонаправленный

«T2» — двунаправленный

Передача (TX): 100 килоциклов/с, 3 из 6

Приём (RX): 32 килоцикла/с, манчестерский

«R» (частый приём)

«R2»

«R2» — двунаправленный

Передача (TX): 4,8 килоциклов/с, манчестерский

Приём (RX): 4,8 килоциклов/с, манчестерский

Режим «S» использует более низкую скорость передачи данных по сравнению с режимом «T» и поэтому является менее экономичным с точки зрения расходования заряда аккумулятора. В режиме «R» приёмник всегда включён и получает сигнал запуска из длинной последовательности, что делает его неэффективным для применения в системах, получающих питание от аккумулятора.

Поскольку стандарт WMBUS рассчитан на диапазон ISM (868…870 МГц), использующие его устройства должны также соответствовать требованиям стандартов ETSI EN 300220 и CEPT/ERC/REC 70-03. Документ ETSI рассматривает среди прочего такие темы как излучение гармоник, максимальная мощность передатчика, ограничения рабочего цикла и требования к мощности в переходном режиме. CEPT/REC70-03 определяет ограничения рабочего цикла (например, 0,1%) для периодов нахождения в состояниях «вкл» и «выкл» (например, максимум 5 сеансов передачи длительностью 0,72 с в час). Наиболее важные радиотехнические параметры радиоканала WMBUS в режимах «S» и «T» приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2. Параметры радиоканала для режима «S»

Общие параметры радиоканала (режим «S»)

Мин.

Норма

Макс.

Ед. изм.

Комментарий

Частотный диапазон

868,0

868,3

868,6

МГц

600 кГц на канал

Модуляция

2-FSK

Параметры передающей части

Мин.

Норма

Макс.

Ед. изм.

Комментарий

Частота несущей (счётчик)

868,278

868,3

868,322

МГц

± 25 миллионных долей

Частота несущей (другие устройства)

868,25

868,3

868,35

МГц

± 60 миллионных долей

Девиация частоты

± 40

± 50

± 80

кГц

Скорость передачи данных

32,768

кбод

Дрейф скорости передачи данных

± 1,5%

Параметры принимающей части

Мин.

Норма

Макс.

Ед. изм.

Комментарий

Чувствительность (частота ошибок по битам < 10–2 )

–100

–105

дБм

Скорость передачи данных

32,768

кбод

Дрейф скорости передачи данных

± 2%

Блокирование смежного канала

40

дБ

Дополнительное требование в WMBUS

Блокирование ± 2 МГц

–69

дБм

Для кодирования данных в WMBus применяется либо манчестерский код (1/2 скорости передачи данных при использовании радиоканала в режиме «S»), либо специальный код «3 из 6» (2/3 скорости передачи при использовании радиоканала в режиме «T»). В режиме «S» полезная скорость передачи данных равна 16384 бит/с, а в режиме «T» — 66667 бит/с.

Таблица 3. Параметры радиоканала для режима «T»

Общие параметры радиоканала (режим «T»)

Мин.

Норма

Макс.

Ед. изм.

Комментарий

Частотный диапазон

868,700

868,950

869,200

МГц

500 кГц на канал

Модуляция

2-FSK

Параметры передающей части

Мин.

Норма

Макс.

Ед. изм.

Комментарий

Частота несущей

868,90

868,95

869,00

МГц

± 60 миллионных долей

Девиация частоты

± 40

± 50

± 80

кГц

Скорость передачи данных

90

100

110

кбод

Дрейф скорости передатчика

± 1 %

Параметры принимающей части

Мин.

Норма

Макс.

Ед. изм.

Комментарий

Чувствительность (частота ошибок по битам <10–2 )

–100

–105

дБм

Скорость передачи данных

88

100

112

кбод

Дрейф скорости передачи данных

± 2%

Блокирование смежного канала

40

дБм

Дополнительное
требование в WMBUS

Блокирование ± 2 МГц

–69

дБм

WMBus — проблемы физического уровня для радиочастотных приёмопередатчиков

Как видно из таблиц 2 и 3, некоторые технические требования трудновыполнимы. Наибольшую сложность представляет обеспечение требуемого предела отклонений скорости передачи данных ±10% в режиме «T». Выполнение этого требования можно обеспечить только путём применения в радиочастотном демодуляторе специальной схемы, которой оснащены лишь немногие из радиочастотных приёмопередатчиков, имеющихся на рынке в настоящее время. Другая проблема заключается в необычном слове синхронизации длиной 10 или 18 бит. Нестандартный алгоритм кодирования «3 из 6» и специальный формат пакета FT3 (определённый в стандарте IEC60870-5-1), который позволяет размещать в одном кадре данных несколько телеграмм, не поддерживаются аппаратными средствами представленных на рынке радиочастотных устройств, но легко реализуются программными средствами, и таким образом, не создают затруднений.

Texas Instruments уже несколько лет поставляет недорогой высокопроизводительный радиочастотный приёмопередатчик CC1101. CC1101 — это один из немногих приёмопередатчиков, способных удовлетворить требование по ограничению отклонений скорости передачи данных уровнем ±10%. Кроме того, в этом устройстве реализованы встроенные в микросхему цифровые функции — обнаружение слова синхронизации, побитное и побайтное восстановление данных и хранение данных в приёмном FIFO-буфере размером 64 байт, которые значительно разгружают МК и экономят энергию.

Отклонение скорости передачи данных ±10% в режиме «T» и синхронизация

Гибкость применения и отличные рабочие характеристики CC1101 обеспечиваются встроенным радиочастотным демодулятором, который удерживает отклонения скорости передачи данных в пределах до ±12,5% таким образом, что требование WMBus по ограничению этого показателя на уровне ±10% выполняется без затруднений. Использование оптимизированных параметров регистра обеспечивает получение характеристик, которые необходимы для модулей WMBus, совместимых с требованиями класса 1.

При использовании 18-битного слова синхронизации CC1101 запускает процедуру обработки после обнаружения последних 16 бит. При использовании короткого 10-битного слова синхронизации к нему добавляются последние 6 бит преамбулы (010101), чтобы получить 16-битное слово синхронизации для подсистемы обработки пакетов. Поскольку в слове синхронизации не используется манчестерский код, чтобы обнаружить это слово и использовать соответствующий обработчик пакетов для сохранения данных в приёмном FIFO-буфере, CC1101 должен запускаться в режиме NRZ (без возврата к нулю).

Последующее декодирование данных (закодированных с помощью кода «3 из 6» или манчестерского кода) выполняется МК с помощью таблиц поиска и операций сдвига битов.

Оснащение счётчика интерфейсом WMBus

Характеристики CC1101 допускают применение радиочастотных модулей с наивысшим классом характеристик в соответствии с требованиями EN13757-4 (чувствительность приёмника лучше –100 дБм при частоте ошибок в пакетах [PER] = 20% в режиме «T»). Для получения более высоких характеристик рекомендуется добавить внешний малошумящий усилитель и/или усилитель мощности, такой как CC1190 Texas Instruments. Комбинированный усилитель (малошумящий усилитель + усилитель мощности) может улучшить чувствительность приёмника приблизительно на 6 дБм (благодаря встроенному малошумящему усилителю) и повысить мощность передатчика до +27 дБм (благодаря встроенному усилителю мощности).

Составные элементы модуля WMBus уже описаны, но как встроить их в счётчик? Как следует из блок-схемы счётчика газа (см. рис. 1), это очень просто — в качестве интерфейса между радиочастотным модулем (WMBus) и МК (синий блок) в большинстве случаев используется обычный универсальный асинхронный приёмопередатчик (UART) или реже — последовательный периферийный интерфейс (SPI), в зависимости от сегментации программного обеспечения.

Рис. 1. Блок-схема счётчика газа с микроконтроллером MSP430 и разными вариантами радиочастотного интерфейса

 

 

При разработке системы на базе WMbus главное решение заключается в том, где должен располагаться стек WMBus — он может быть размещён либо на главном измерительном МК, либо на другом МК или в микросхеме периферийного устройства WMBus. Идея объединения стека радиоканала и функций обработки измерений на одном МК на первый взгляд может показаться очень заманчивой и позволяющей снизить цену, но это не так. Сертификация метрологической части вместе со стеком WMBus сделает невозможными последующие изменения в ПО и аппаратных средствах радиоканала (иначе сертификат утратит свою силу).

Обработка измерений и обмен данными по радиоканалу — это задачи, жёстко привязанные ко времени, и иногда, когда МК должен одновременно выполнить обе задачи, это обстоятельство превращается в проблему. Возможности снижения цены и/или улучшения характеристик одновременно для МК и радиоканала очень ограничены. Схема с разделением МК и радиоканала позволяет сделать более гибким поиск наиболее подходящего устройства для решения каждой задачи.

По этим причинам многие заказчики предпочитают разделять функции измерений и обмена данными, получая взамен более широкие возможности выбора аппаратной реализации МК и радиоканала. В этом случае можно независимо оптимизировать оба устройства по цене и/или характеристикам. Кроме того, намного проще модернизировать МК и радиоканал по отдельности, используя совместимые по разъёму устройства, чем полностью переделывать аппаратную платформу со встроенным радиоканалом.

Реализация WMBus в виде отдельного модуля или встроенной подсистемы

Рассмотрим сам интерфейс WMBus и различные варианты его реализации. Из показанных в таблице 4 вариантов реализации модуля WMBus можно выделить два общих варианта:

– решение на двух микросхемах (МК + радиоканал);

– решение на одной микросхеме (объединение МК и радиоканала).

Таблица 4. Три варианта реализации WMBus с использованием устройств Texas Instruments

Решение

Уровень

MSP430 + CC1101

Одна микросхема

(8051)

Одна микросхема

(MSP430)

Приложение

(EN13757-3 или -1)

WMBus приложение для DLMS

WMBus приложение для DLMS

WMBus приложение для DLMS

МК

(MSP430 для 8051)

MSP430

(F2/4/5/6xx)

SoC 8051,

AES-128

CC430Fxx

AES-128, LCD

Нижний уровень (EN13757-4)

WMBus

WMBus

WMBus

Физический уровень

(WMBus R, S и T-режимы)

CC1101

CC1110/1 (USB), RF CC1101 ядро

RF CC1101 ядр

На рынке представлен широкий спектр устройств Texas Instruments для реализации обоих вариантов. Для заказчиков, которые предпочитают ядро 8051 или встроенный USB-интерфейс и хотели бы использовать аппаратное шифрование AES-128, Texas Instruments предлагает несколько микросхем CC1110 и CC1111, где имеется достаточный объём флэш-памяти для размещения стека WMBus.

Аппаратная архитектура радиочастотного модуля WMBus

Рассмотрим схему модуля WMBus. Это решение на двух микросхемах (отдельные устройства для МК и радиоканала) с дополнительным модулем, включающим малошумящий усилитель и усилитель мощности (см. рис. 2). Объединив приёмопередатчик CC1101 и подсистему аппаратного шифрования/дешифрования AES 128 с МК MSP430, имеющим сверхнизкое энергопотребление, компания Texas Instruments представила новую серию устройств CC430 с драйвером ЖКИ и высокоточным 12-разрядным АЦП.

Рис. 2. Блок-схема модуля радиоканала WMBus на двух микросхемах

Вместо CC430 можно использовать недорогую серию CC111x. В таблице 5 приведено краткое сравнение этих устройств, которое показывает преимущества и недостатки их архитектур.

Таблица 5. Сравнение технических характеристик CC430 и CC111x

CC1110 (CC1111)

CC430

Ядро МК

Модифицированное ядро 8051 (1 цикл на команду), 8-разрядное

Ядро MSP430x2 (1 цикл на команду), 16 разрядное

Объём флэш-памяти

16 или 32 кбайт

16 или 32 кбайт

Объём ОЗУ

2 или 4 кбайт

2 или 4 кбайт

Шифрование/дешифрование

AES-128

AES-128

Поддержка RTC (аппаратная)

нет

да

Прямой доступ к памяти (DMA)

да

да

Интерфейсы

UART/SPI (USB на CC1111)

UART/SPI

Поддержка CC1190

Встроенный интерфейс

Встроенный интерфейс

Встроенное устройство согласования

Johanson 0896BM15A0001

Johanson 0896BM15A0001

Эффективность объёма кода

100%

до 145%

Драйвер ЖКИ

нет

Встроенный (96 сегментов)

Аналоговые периферийные устройства

АЦП 7 — 12 бит

АЦП 12 бит (с регистром последовательной аппроксимации — SAR)

Согласующие устройства для радиоканала

Следующий важный шаг в разработке модуля WMBus после выбора варианта аппаратной реализации — выбор антенны и согласующего устройства, размещаемого между приёмопередатчиком и антенной. Предполагается, что будет использоваться несимметричная антенна с сопротивлением 50 Ом, чаще всего реализуемая в виде микросхемы, или антенна на печатной плате. Такая конструкция требует наличия фильтрующе-согласующего устройства (ФСУ) между приёмопередатчиком и антенной. Согласующее устройство — это схема, преобразующая симметричный сигнал (дифференциальный, 2 провода) в несимметричный (1 провод). На рисунке 3 показана рекомендуемая схема отдельного ФСУ для CC1101, работающего в диапазоне 868/915 МГц.

Texas Instruments предлагает множество базовых моделей CC1101, подходящих для реализации обоих вариантов ФСУ: в виде отдельного устройства или интегрированной схемы. Решение с отдельным ФСУ является традиционным — в нём используются многослойные печатные катушки индуктивности по наименьшей цене. Это решение имеет хорошие характеристики, однако его можно значительно улучшить за счёт применения катушек индуктивности с проволочной обмоткой. При замене печатных катушек индуктивности на катушки с проволочной обмоткой можно достичь улучшения на 2 дБ в направлении передачи и около 1 дБ в направлении приёма.

На рынке представлено множество вариантов катушек индуктивности с проволочной обмоткой. Для улучшения характеристик радиосистемы Texas Instruments использует в качестве элементов L121-124, L131 и L132 катушки Murata LQW15A. Однако аналогичные катушки индуктивности предлагают и другие изготовители — Wuerth, KOA, Coilcraft, Johanson, ABC. Катушки всех этих компаний удовлетворяют требования последней версии стандарта ETS 300220. По сравнению с катушками Murata у этих катушек наблюдается небольшое снижение мощности передачи (0,1…0,5 дБ в зависимости от типа), но это можно использовать для снижения стоимости спецификации используемых изделий благодаря возможности выбора среди нескольких поставщиков.

Второй вариант реализации ФСУ — схема, встроенная в единый корпус. Такое решение требует согласования с конкретным радиочастотным устройством для получения лучших характеристик, а также опыта в области проектирования и изготовления радиосистем.

Компания Johanson Technology решила разработать оптимизированное ФСУ CC11xx на одной микросхеме, которая совместима по выводам с контактными площадками микросхем CC1101, CC1110 и CC430. Это ФСУ (0896BM15A0001) уже производится, и его можно найти в нескольких оценочных комплектах Texas Instruments, включая часы Chronos [14].

Для создания антенн Texas Instruments предлагает множество базовых аппаратных решений, рассчитанных на частоты ниже 1 ГГц, на печатных платах разных размеров. В случае ограниченного места на печатной плате разумным компромиссом может стать использование антенны в виде микросхемы с короткой согласующей дорожкой.

Оценка потребляемого тока и времени работы от аккумулятора

При сравнении различных аппаратных решений следует рассматривать всю систему — от источника питания до антенны. Основными потребителями являются источник питания (DC/DC или LDO), МК со сверхнизким энергопотреблением и приёмопередатчик.

Пример расчёта энергопотребления системы, состоящей из МК с программным стеком и приёмопередатчика приведён в [1]. Если использовать эти результаты в качестве отправной точки, то для реальной подсистемы WMBus приёмопередатчик CC2500 следует поменять на CC1101, а микроконтроллер MSP430F2274 — оставить. На рынке имеется несколько модулей сторонних производителей, которые используют сочетание МК MSP430F225x/7x и приёмопередатчика CC1101 для получения недорогих готовых систем WMBus с отличными характеристиками.

Второй подход заключается в сравнении технических характеристик МК и приёмопередатчика и в получении дополнительной информации о времени переходов реализованной машины состояний и об энергопотреблении у поставщиков этих микросхем.

В общем случае, наибольшее значение имеют два значения тока:

– ток в режиме «низкое энергопотребление»/«ожидание» или «отключено» — 99,9% времени система работает в этом режиме;

– пиковый ток (при передаче) — в этом состоянии система находится 0,1% времени (режим «T») или менее (0,02% в режиме «S»).

Рабочий цикл систем, работающих в диапазоне 868…869 МГц в режиме «T», составляет 0,1% (это определено в европейском стандарте ETSI 300220). Из этого можно сделать вывод, что ток, потребляемый системой в режиме ожидания (обычно, единицы мкА), является основной составляющей энергопотребления, даже если ток, потребляемый всем модулем WMBus в режиме передачи, равен 30…40 мА.

Очень малая длительность рабочего цикла делает полное отключение (или отключение питания) приёмопередатчика наилучшим решением, даже если в результате отключения питания пропадают значения параметров регистра и требуется повторная инициализация приёмопередатчика.

МК с крайне малым энергопотреблением, поддержкой RTC и малым временем запуска является лучшим вариантом для использования в качестве прикладного процессора. Это основное преимущество устройств Texas Instruments MSP430, которые обеспечивают гарантированное время запуска от 1 до 6 мкс (в худшем случае), в зависимости от используемой серии изделий.

Важно убедиться, что данные, используемые для расчёта энергопотребления, отражают худший случай (или являются максимальными величинами, указанными в технических характеристиках). Для многих устройств, представленных на рынке, указаны только типовые значения, которые не подходят для таких оценок. Например, для CC1101 в технических характеристиках указаны и типовое значение тока в режиме низкого энергопотребления, равное 0,2 мкА (уровень сохранения состояния всех регистров), и максимальное значение, равное 1 мкА. Этот пример (для КМОП-процесса с разрешением 0,18 мкм) показывает, что типовое и максимальное значения могут существенно отличаться друг от друга.

Литература

1. Texas Instruments: AN067 — Wireless MBUS Implementation with СС1101 and MSP430 (Rev. A).

2. Технические данные устройств Texas Instruments CC1101, CC1110, CC1111, MSP430FG4618, MSP430F6317.

3. Texas Instruments AN050: Using the CC1101 in the European 868 MHz SRD band.

4. Communication systems for and remote reading of meters. Part 3: Dedicated application layer//английская версия стандарта EN 13757-3:2004.

5. Communication system for meters and remote reading of meters. Part 4: Wireless meter readout//английская версия стандарта EN 13757-4:2005.

6. EN 13757-5:2005 Communication systems for meters and remote reading of meters — Part 5: Wireless relaying//английская версия стандарта EN 13757-5:2008.

7. Texas Instruments DN017: CC11xx 868/915 MHz RF Matching (swra168a.pdf).

8. Wireless Sensor Monitor Using the eZ430-RF2500 (slaa378b.pdf).

9. CC430: http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/cc430f6137.html.

10. Видеоролик Texas Instruments: http://e2e.ti.com/media/p/32625.aspx.

11. Видеоролик о сверхнизком энергопотреблении MSP430: http://www.youtube.com/watch?v=ZxGZIiyyxrM.

12. Спецификации OMS: http://www.zvei.org/index.php?id=4731.

13. Спецификации NTA8130: http://www.energiened.nl/_upload/bestellingen/publicaties/288_Dutch%20Smart%20Meter%20%20v2.1%20final%20Main.pdf.

14. Беспроводные часы eZ430-Chronos: http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/ez430-chronos.html.

15. Implementing low-cost, high performance WMBus RF Interface for smart meters.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *