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电子仪表中通信技术
2007/2/10 11:50:00    

通常在电子仪表中使用通信技术,来配置仪表内的参数和传送存储的数据到主机。通信方式可以是有线(电话线和传输线等)或无线(IrDA和蜂窝无线网络等)。一旦采用了通信端口,设计者就需要采取措施来保护仪表的内容。通信软件应具有几个安全级别。例如,首先,软件应采用合理的方式只允许授权人员读取仪表内容;第二,仪表应具有几个访问级别。比如,允许第一个级别的用户读仪表,允许第二个级别的用户读取和清除仪表数据,允许第三个级别的用户配置仪表内的参数等等。


1、有线通信


(1)电话线

电话线可能是地球上应用最广的“网络”。电话线最常用于电表通信,因为电话线的入室点通常跟电表很近。水表很有可能位于街边,而气表一般在房子的其他地方,需要额外的设施才能使用电话线。

电话线需要一个调制解调器才能进行通信。嵌入式调制解调器波特率在1200到56K之间。MCU和嵌入式调制解调器间的接口是一个简单的串行端口和一些状态和控制线。嵌入式调制解调器通常使用标准AT命令集通信,该命令集可以很方便地安装在MCU上。诸如TDK Semiconductor、Xecom、Zoom和Wintec公司都提供调制解调器模块和分立的调制解调器IC,可用于嵌入式系统的设计中。

乍一看会觉得使用电话线通信是个好方法。但仪表中广泛采用的调制解调器需要使用本地号码拨号上网。但业主通常不喜欢仪表拨打长途电话。该方法还要求基础设施能处理这些拨入电话并与仪表通信,所以调制解调器必须能检测是否有其他通话拨入并中止当前通信(这对紧急拨叫非常重要)。

(2)传输线

本技术采用交流传输线作为通信介质。传输线通信模块通常位于电表内,便于与高压交流传输线连接。 本技术不能同用于室内而非室外通信的X-10混淆,它所面临的主要挑战是数据传输要通过交流变压器,该变压器用于将传输线上极高的电压(KV)降到240V入室电压。 这些变压器如同滤波器一样,所以在变压器间传送数据的技术非常重要,需要使用扩频或类似的通信技术。空调和冰箱会在传输线上产生大量的噪声,调制解调器必须能在这种环境中可靠地传输数据。

传输线通信要求基础设施能收集从室内传送过来的数据,通常是流经变压器的数据流。

这些收集“站”一般通过电话线将数据传回到数据存储设备。受技术限制,传输线调制解调器尚未成为主流技术,但AMRTech、Hunt Technologies和DCSI/TWACS公司都提供了基于该技术的解决方案。

Wi-Fi技术也属于有线技术,因为它需要一个类似于有线以太网的网络来连接和传输数据。不过,这些有线技术(如电缆调制解调器和以太网等)都没有用于仪表,主要是因为它们需要业主订购服务并需要安装额外的配线。


2、无线技术


(1)ZigBee/IEEE 802.15.4

ZigBee过去又称为HomeRF Lite、RF-EasyLink或FireFly无线电技术,是一种应用于短距离范围内,低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信标准。ZigBee是专为低速(通常20-40kbps)和短距离(<100米)通信而设计的,很适合将电表、气表和水表通过网络连在一起。

ZigBee协议栈使用IEEE 802.15.4无线收发器,目前,Chipcon、Atmel、Freescale、ZMD和Microchip等多家公司都可提供该产品。IEEE 802.15.4有3个频段,允许在全世界范围内工作:2.4GHz适用于全球,868MHz用于欧洲,而915MHz用于美洲。使用ZigBee的仪表需要使用IEEE 802.15.4收发器和运行ZigBee协议栈的MCU。

目前,Microchip可以提供2.4GHz收发器和免费ZigBee协议栈。其中,其PICDEM Z演示工具包是一个易于使用的ZigBee无线通信协议开发和演示平台,包括ZigBee协议栈和两块带有RF子板的PICDEM Z板(图3)。该演示板还带有一个6引脚标准连接器,用于直接与Microchip的MPLAB ICD 2在线调试器(DV164005)接口。使用MPLAB ICD 2,开发者可以在同一平台上重新编程或修改PIC18 MCU闪存存储器,开发和调试应用程序代码。

(2)Z-WAVE

Z-Wave是Zensys开发的专用协议,数据传输速率为9.6kbps,工作频率为868MHz或908MHz。Z-Wave广泛用于如照明、家用电器和HVAC控制等室内控制应用上。在功能上它与ZigBee 类似,适合连接水表、气表和电表。现在除了Zensys开发的模块外,还没有其他嵌入式模块。Zensys也提供单芯片器件。

(3)红外线

红外技术虽然经常会被忽略,但是因其低成本和技术成熟等突出优势目前已经广泛用于许多电表中,用于参数配置和数据传输。它遵循几个标准:ANSI C12.18是有关连接器安装物理尺寸的标准;IEC 62056规范是红外线通信相关的协议和目录。

目前这种类型的红外端口常用于读表系统。使读表器靠近电表,将探头放在连接器上,然后读取电表内部存储的数据。读表器一般是运行数据读取软件的手持PDA或类似设备。目前,数据读取软件有GE的MeterMate等。

(4)专用短距离无线通信

现在市场上充斥着大量短距离无线通信设备。这些设备覆盖314、433、868和915MHz频段,比特率最高可达100kbps。诸如Chipcon、Micrel和Microchip公司提供独立收发器和集成解决方案(收发器加MCU)。此类设计所面临的挑战是协议栈要由设计者创建。这样将一个原本很简单的应用程序分成了两个应用程序:主应用程序和RF协议。幸运的是有些制造商已经开发了简单协议,从而缩短了工程进度。

(5)GSM/GPRS/CDMA蜂窝式无线通信

另一个可行的技术是GSM/GPRS/CDMA调制解调器。它们非常适合远程计量应用。例如,用于灌溉庄稼的水泵可能需要一个水表和一个电表。由于水泵的远程特性,可能需要一个蜂窝式调制解调器将水泵信息传送给检测站。派专人去读取仪表数据是不切实际的,因为路途很远要花费很长的时间,所需费用远超过调制解调器硬件的成本。公共事业公司通常会有许多此类仪表,通过协商还能降低每月调制解调器的服务费。

嵌入式蜂窝调制解调器大多使用简单串行接口,并且使用标准AT命令集配置和使用电话。诸如Motorola、Sierra Wireless和Falcom等公司都制造基于GSM/GPRS和CDMA的嵌入式调制解调器。

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