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來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 對(duì)于電力、水、天然氣和社區(qū)熱力管網(wǎng)的智能儀表而言，無線連接至關(guān)重要，但從零開始設(shè)計(jì)一款無線收發(fā)器是一項(xiàng)頗具挑戰(zhàn)性的工作，而且非常耗時(shí)。智能儀表應(yīng)用需要高性能的無線解決方案，以滿足各種國際標(biāo)準(zhǔn)要求，包括美國 FCC 第 15 部分和第 90 部分、歐洲 ETSI EN 300 220 和 ETSI EN 303 131、日本 ARIB STD T67 和 T108 以及中國 SRRC 標(biāo)準(zhǔn)。這些解決方案需要支持高達(dá) 500 kbps 的數(shù)據(jù)速率，并且必須包括安全加密和認(rèn)證功能，而且結(jié)構(gòu)緊湊，能夠在高達(dá) +85°C 的挑戰(zhàn)性環(huán)境中運(yùn)行。許多應(yīng)用還要求長達(dá)數(shù)年的電池續(xù)航時(shí)間。 為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)智能儀表應(yīng)用的需求，選擇射頻收發(fā)器集成電路或完整的射頻收發(fā)器模塊。射頻收發(fā)器 IC 可保證射頻鏈路預(yù)算超過 140 dB，輸出功率高達(dá) +16 dBm，并且支持 SIGFOX™、無線 M-Bus、6LowPAN 和 IEEE 802.15.4g 網(wǎng)絡(luò)連接。射頻模塊則可支持無線 M-Bus 協(xié)議棧或多種無線電調(diào)制，如 LoRa、(G)FSK、(G)MSK 和 BPSK；可選擇自適應(yīng)帶寬、擴(kuò)頻因子、發(fā)射功率和編碼率，以滿足各種應(yīng)用需求，并符合眾多國際法規(guī)的要求，包括 ETSI EN 300 220、EN 300 113、EN 301 166；FCC CFR 47 第 15、24、90、101 部分以及 ARIB STD-T30、T-67、T-108。這些模塊是完整的射頻系統(tǒng)，只需要一根天線，并且包括安全加密和認(rèn)證功能，其超低功耗模式可實(shí)現(xiàn)更長的電池續(xù)航時(shí)間。 本文回顧了無線智能儀表設(shè)計(jì)人員所面臨的連接挑戰(zhàn)，并探討了可能的解決方案。然后介紹了一系列選擇，包括 STMicroelectronics、Move-X 和 Radiocrafts 的射頻收發(fā)器 IC 和射頻模塊，以及在集成天線時(shí)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。 設(shè)計(jì)人員面臨的首要決策之一是選擇通信協(xié)議。常見的選擇包括近場(chǎng)通信 (NFC)、藍(lán)牙、智能藍(lán)牙、用于物聯(lián)網(wǎng)的 Wi-Fi (Wi-Fi for IoT) 和亞吉赫茲 (SubGHz) 通信協(xié)議。需要考慮四個(gè)重要因素： · 所需的數(shù)據(jù)吞吐量 · 低功耗模式 · 所需的傳輸范圍 · 網(wǎng)絡(luò)訪問需求 對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸需求最大化的應(yīng)用而言，用于物聯(lián)網(wǎng)的 Wi-Fi 可能是最佳選擇，但其功耗要求也是最高的。雖然 SubGHz 只需中等功耗而且能提供最大傳輸范圍，但其他通信協(xié)議提供了不同的性能權(quán)衡組合（圖 1）。 
圖 1：用于物聯(lián)網(wǎng)的 Wi-Fi 具有最大的吞吐量和功耗，而 SubGHz 則以中等功耗需求提供了最大的傳輸范圍。（圖片來源：STMicroelectronics） 許多智能儀表應(yīng)用要求電池續(xù)航時(shí)間長達(dá)數(shù)年，這讓用于物聯(lián)網(wǎng)的 Wi-Fi 技術(shù)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，這些應(yīng)用的數(shù)據(jù)吞吐量要求也相對(duì)有限，可以從使用 NFC、智能藍(lán)牙、藍(lán)牙或 SubGHz 技術(shù)中獲益。雖然 NFC 的低能耗頗具吸引力，但其數(shù)據(jù)吞吐量和傳輸范圍同樣不如人意，因而被排除在智能儀表應(yīng)用的考慮范圍之外。 此外，在確定功耗方面，智能電表的整體設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。使設(shè)備盡可能長時(shí)間地保持低功耗狀態(tài)，并且盡可能地縮短需要進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間量，這是延長無線智能儀表電池續(xù)航時(shí)間的關(guān)鍵因素之一。選擇使用基于模塊的通信實(shí)現(xiàn)，還是分立射頻 (RF) 通信實(shí)現(xiàn)，是設(shè)計(jì)成功的另一個(gè)因素。在做出這個(gè)決定時(shí)，需要考慮性能、解決方案的尺寸、封裝靈活性、認(rèn)證、上市時(shí)間和成本要求。 使用射頻模塊的益處 一個(gè)射頻模塊便是一個(gè)完整的通信子系統(tǒng)。它可能包括射頻集成電路、振蕩器、濾波器、功率放大器和各種無源元器件。使用模塊解決方案不需要射頻專業(yè)知識(shí)，這讓設(shè)計(jì)人員能夠?qū)Ｗ⒂谥悄軆x表設(shè)計(jì)的其他方面。典型的射頻模塊在到手時(shí)已按照所需的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)和認(rèn)證。此外，該模塊還會(huì)包括網(wǎng)絡(luò)匹配電路，以方便集成天線，并最大限度減少任何信號(hào)損失。模塊解決方案可以采用內(nèi)置或外置天線。 模塊易于集成到設(shè)計(jì)中。從設(shè)計(jì)集成到制造工藝流程都很簡單，因?yàn)橹挥幸粋�(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板 (PCB) 的模塊，而沒有復(fù)雜的分立射頻器件需要處理。模塊制造商已經(jīng)處理了集成射頻系統(tǒng)的所有細(xì)微差別。使用模塊可以減少與分立射頻設(shè)計(jì)相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，如獲得認(rèn)證、達(dá)到所需的效率和整體性能水平，以及加快上市速度。 分立 IC 實(shí)現(xiàn)的益處 雖然分立 IC 設(shè)計(jì)更復(fù)雜，但可以在成本、解決方案尺寸和外形尺寸方面提供重要的好處。大多數(shù)情況下，模塊解決方案比基于 IC 的解決方案更昂貴。在大批量使用射頻子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的情況下，基于 IC 的解決方案的額外設(shè)計(jì)成本將因制造成本的降低而得到補(bǔ)償。也可以在多個(gè)無線智能儀表平臺(tái)上使用通用的射頻子系統(tǒng)，從而增加整體生產(chǎn)量并進(jìn)一步降低長期成本。 基于分立 IC 的設(shè)計(jì)幾乎總是比基于模塊的解決方案更小。在空間受限的應(yīng)用中，這可能是一個(gè)重要的考慮因素。除了占用的空間較小外，分立 IC 設(shè)計(jì)更容易塑形，以適應(yīng)可用的空間。 Sub-GHz 射頻收發(fā)器 IC 設(shè)計(jì)人員如果需要基于分立 IC 的 SubGHz 頻帶解決方案，則可以借助于 S2-LP，這是一款高性能的超低功耗射頻收發(fā)器 IC，工作溫度范圍為 -40℃ 至 +105℃，采用 4 x 4 mm QFN24 封裝（圖 2）。基本設(shè)計(jì)在工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 免許可頻帶及短距裝置 (SRD) 頻帶 433、512、868 和 920 MHz 運(yùn)行。可以對(duì) S2-LP 進(jìn)行選擇性編程，以便在其他頻帶，如 413-479、452-527、826-958 和 904-1055 MHz 上工作。可以實(shí)現(xiàn)各種調(diào)制方案，包括 2(G)FSK、4(G)FSK、OOK 和 ASK。S2-LP 的射頻鏈路預(yù)算 > 140 dB，適用于遠(yuǎn)程通信，符合美國、歐洲、日本和中國的監(jiān)管要求。
圖 2：該射頻 IC 的指定工作溫度高達(dá) +105°C，采用 4 x 4 mm QFN24 封裝。（圖片來源：STMicroelectronics） 為了簡化使用 S2-LP 時(shí)的集成過程，設(shè)計(jì)人員可以使用 BALF-SPI2-01D3 超微型平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，其標(biāo)稱輸入為 50Ω，與 S2-LP 共軛匹配，適合在 860-930 MHz 頻率下工作。它集成了一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)和諧波濾波器，并在非導(dǎo)電玻璃基底上使用集成無源器件 (IPD) 技術(shù)，以提供優(yōu)化的射頻性能。 可以使用 X-NUCLEO-S2868A2 擴(kuò)展板（圖 3）開發(fā)采用 S2-LP 并在 868 MHz ISM 頻段工作的設(shè)計(jì)。X-NUCLEO-S2868A2 使用串行外設(shè)接口 (SPI) 連接和通用輸入輸出 (GPIO) 引腳與 STM32 Nucleo 微控制器連接。在電路板上添加或移除電阻器可以改變一些 GPIO。此外，該板與 Arduino UNO R3 和 ST Morpho 連接器兼容。
圖 3：X-NUCLEO-S2868A2 擴(kuò)展板可以加快開發(fā)使用 868 MHz ISM 頻段的設(shè)計(jì)。（圖片來源：Digi-Key） 射頻模塊簡化了集成 對(duì)于要求快速上市和低功耗的應(yīng)用，可以使用 MAMWLE-00 模塊簡化系統(tǒng)集成。它將一個(gè) 50 Ω 的 U.FL 連接器用于射頻輸出，在 16.5 x 15.5 x 2 mm 封裝內(nèi)有一個(gè) 48 MHz 的 Arm® Cortex® M4 32 位 RISC 內(nèi)核。該射頻模塊可以選擇多種低功耗工作狀態(tài)。它實(shí)現(xiàn)了多種無線電調(diào)制，包括 LoRa、(G)FSK、(G)MSK 和 BPSK，具有不同的帶寬、擴(kuò)展因子 (SF)、功耗和編碼率 (CR) 選項(xiàng)（圖 4）。嵌入式硬件加密/解密加速器可以實(shí)現(xiàn)多種標(biāo)準(zhǔn)，如高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES，包括 128 位和 256 位）以及適用于伽羅瓦域上的 Rivest-Shamir-Adleman (RSA)、Diffie-Hellmann 或橢圓曲線加密法 (ECC) 公鑰加速器 (PKA) 的 PKA 標(biāo)準(zhǔn)。
圖 4：MAMWLE-00 模塊允許設(shè)計(jì)人員選擇節(jié)能模式和各種射頻調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)。（圖片來源：Digi-Key） M-Bus 射頻模塊 使用 M-Bus 無線協(xié)議，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向 Radiocrafts 的 RC1180-MBUS 射頻收發(fā)器模塊，該模塊的尺寸為 12.7 x 25.4 x 3.7 mm，采用屏蔽式表面貼裝封裝（圖 5）。該射頻模塊有一個(gè)單針天線連接，以及一個(gè)用于配置和串行通信的 UART 接口。它符合無線 M-Bus 規(guī)范的 S、T 和 R2 模式，在 868 MHz 頻帶的 12 個(gè)信道中運(yùn)行，并根據(jù)歐洲無線電法規(guī)進(jìn)行了預(yù)先認(rèn)證，可以免許可使用。
圖 5：M-Bus 無線協(xié)議可通過 Radiocrafts 的 RC1180-MBUS 射頻收發(fā)器模塊來實(shí)現(xiàn)（圖片來源：Digi-Key） 借助 RC1180-MBUS3-DK 傳感器板與 M-Bus 無線電模塊開發(fā)套件，設(shè)計(jì)人員可以輕松、快速地評(píng)估板載傳感器模塊，調(diào)整應(yīng)用并建立原型。此開發(fā)套件包括兩根帶有 SMA 公頭連接器的 50Ω 四分之一波長單極天線、兩根 USB 電纜和一個(gè) USB 電源（圖 6）。它可以作為傳感器板的集中器、網(wǎng)關(guān)和/或接收器。
圖 6：此 M-Bus 開發(fā)套件包括兩根帶有 SMA 公頭連接器的 50Ω 四分之一波長單極天線、兩根 USB 電纜和一個(gè) USB 電源（圖中未顯示）。（圖片來源：Digi-Key） 天線集成 在將天線連接到射頻模塊時(shí)，Radiocrafts 建議將天線直接連接到射頻引腳，該引腳匹配 50 Ω。如果無法將天線連接到射頻引腳，那么射頻引腳和天線連接器之間的 PCB 印制線應(yīng)該是一條 50 Ω 的傳輸線。當(dāng)兩層 FR4 PCB 的介電常數(shù)為 4.8 時(shí)，微帶傳輸線的寬度應(yīng)該是電路板厚度的 1.8 倍。傳輸線應(yīng)該在 PCB 的頂面，地平面則在 PCB 的底面。例如，當(dāng)使用 1.6 mm 厚的標(biāo)準(zhǔn)兩層 FR4 PCB 時(shí)，微帶傳輸線的寬度應(yīng)該是 2.88 mm (1.8 x 1.6 mm)。 四分之一波長鞭形天線是最簡單的實(shí)現(xiàn)方式，當(dāng)在地平面上方使用時(shí)，其阻抗為 37 Ω，通常不需要 50 Ω 的匹配電路。或者，也可以使用銅印制線來制作 PCB 天線，并從 PCB 背面移除地平面。PCB 的其余部分應(yīng)該有一個(gè)地平面，最好與天線一樣大，以充當(dāng)配重。如果 PCB 天線短于四分之一波長，則應(yīng)增加一個(gè) 50 Ω 的匹配網(wǎng)絡(luò)。 總結(jié) 在選擇用于無線智能儀表的各種無線協(xié)議時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要考慮幾個(gè)因素，包括數(shù)據(jù)吞吐量、功耗、傳輸范圍和網(wǎng)絡(luò)訪問需求。此外，射頻集成電路與模塊之間的選擇還涉及解決方案的尺寸、成本、靈活性、上市時(shí)間、法規(guī)合規(guī)性和其他因素的權(quán)衡。確定適當(dāng)?shù)纳漕l協(xié)議后，在集成電路與模塊之間所做的選擇、設(shè)計(jì)的基本射頻系統(tǒng)以及天線集成，對(duì)于開發(fā)成功的無線智能儀表至關(guān)重要。 |
