基于PICl6F628A芯片的無(wú)線(xiàn)遠傳水表設計方案

　隨著(zhù)社會(huì )和經(jīng)濟的進(jìn)步，住宅商品化發(fā)展迅速，住宅水、電、氣、熱表的抄表和收費問(wèn)題日益突出。如何有效解決入戶(hù)抄表收費的技術(shù)問(wèn)題，提供一個(gè)合理、完整、系統的實(shí)施管理方案，需要企業(yè)、科研和公用事業(yè)管理部門(mén)共同努力。目前，住宅水、電、氣、熱表遠程抄表系統形式多樣，但市場(chǎng)比較混亂，技術(shù)上尚不成熟，沒(méi)有一個(gè)被市場(chǎng)認可的完整系統實(shí)施管理方案。傳統的有線(xiàn)抄表系統布線(xiàn)復雜、可靠性差、維護困難，難以實(shí)現管理升級，不能滿(mǎn)足舊樓系統改造的市場(chǎng)要求；而新興GPRS、短信GSM網(wǎng)絡(luò )抄表方式使用成本昂貴，不適宜大面積推廣。

　　無(wú)線(xiàn)智能遠傳水表系統以其安裝便利、維護快捷、不受安裝環(huán)境和布線(xiàn)限制等優(yōu)點(diǎn)，成為了水表行業(yè)智能管理的主導系統。該系統一般由四部分組成，即自來(lái)水公司微機數據管理系統、現場(chǎng)數據下載器（手抄機）、數據集中器、無(wú)線(xiàn)遠傳智能水表。其中無(wú)線(xiàn)智能遠傳水表是整個(gè)系統的基礎部分，是信息的產(chǎn)生單元。它一般是在原基表的基礎上，加裝新型傳感器和控制電路板構成。

　　1 無(wú)線(xiàn)智能遠傳水表實(shí)現的功能

　　無(wú)線(xiàn)通信在用戶(hù)的使用環(huán)境中容易受到外界環(huán)境的影響，比如說(shuō)小區樓棟之間的環(huán)境，小區樓層的高矮，樓棟之間的距離，城市無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境的干擾源，小區房型結構等都有很大程度上的影響。因此，表具的安裝，樓棟集中器的安裝，小區集中器的安裝，特別是樓棟集中器的無(wú)線(xiàn)通信天線(xiàn)，小區集中器無(wú)線(xiàn)通信天線(xiàn)。如果采用手抄器抄取樓棟集中器，樓棟集中器可安裝在樓道內，天線(xiàn)可引道戶(hù)外。如果采用小區集中器采取樓棟集中器，樓棟集中器建議安裝在樓頂。安裝在樓頂的集中器可采用太陽(yáng)能或220V市電供電。

　　通過(guò)分析確定無(wú)線(xiàn)智能遠傳水表應實(shí)現以下功能：自動(dòng)定時(shí)或定量上報水量功能；根據集中器命令控制水表閥門(mén)開(kāi)關(guān)功能；自動(dòng)報告遠傳水表被破壞或受干擾、用水量異常（過(guò)大或過(guò)�。�、電池電能不足的功能；按管理部門(mén)的需要進(jìn)行參量設制功能。

　　2 硬件電路的設計

　　無(wú)線(xiàn)智能遠傳水表的無(wú)線(xiàn)通信頻率選擇公用頻段（ISM頻段）。該表采用電池供電，保證市電停電時(shí)，不影響表具對信息的采集和存儲。根據行業(yè)標準的要求，電池的使用壽命大于6年，因此整個(gè)產(chǎn)品的設計要充分考慮耗電量問(wèn)題。電池選擇高能鋰電池，通過(guò)選擇低功耗器件、設定精密的微功耗工作方式來(lái)確保電池的使用壽命。通過(guò)采用雙傳感器、軟件糾錯、抗干擾技術(shù)、加密技術(shù)來(lái)保障數據采集、存儲、傳輸的準確度。

　　2.1 無(wú)線(xiàn)智能遠傳水表的組成單元及功能

　　無(wú)線(xiàn)智能遠傳水表主要包括以下單元：?jiǎn)纹瑱C、輸入采集、無(wú)線(xiàn)數傳、電源、閥門(mén)控制、電壓檢測單元。其構成框圖如圖1所示。 

　　2.2 各單元電路的硬件設計

　　2.2.1 輸入信號采集單元

　　傳感器選擇接觸阻抗低、無(wú)待機功耗、可靠性好的小型干簧管。作為磁傳感器，在磁鐵進(jìn)入干簧管吸合臨界區的時(shí)候，干簧管會(huì )產(chǎn)生多次吸合，導致重復計量。為了提高計量的準確性和抗干擾性，在產(chǎn)品中采用雙傳感器設計。無(wú)論單個(gè)傳感器吸合多少次都按照吸合一次計算，只有兩個(gè)傳感器各吸合一次才算是一次有效計量。本設計計量單位為0.1t.當兩個(gè)傳感器同時(shí)吸合時(shí)，認為是外界強磁干擾，水表執行關(guān)閉閥門(mén)動(dòng)作。設置單片機RB0、RB4引腳作為檢測端。

　　2.2.2 單片機的設計

　　單片機選擇的是是Microchip公司生產(chǎn)的功耗低、抗干擾能力強、編程調試方便、價(jià)格低的PICl6F628A芯片。該單片機為精簡(jiǎn)指令集型處理器（RISC），共有35條匯編指令，使用起來(lái)簡(jiǎn)捷有效。PICl6F628A共有18個(gè)引腳，標準工作電壓為5 V,外接晶振最大可以達到20 MHz.其內部資源非常豐富，含有2 KB的Flash程序存儲器、224B的數據存儲器、2個(gè)模擬比較器、1個(gè)PWM控制器、1個(gè)16位的定時(shí)器/計數器，1個(gè)8位定時(shí)器/計數器，1個(gè)8位定時(shí)器，以及上電啟動(dòng)電路、掉電復位電路和看門(mén)狗電路等。PICl6F628A還能夠響應定時(shí)器、比較器、RB端口等多種硬件中斷合理地使用這些資源可以有效簡(jiǎn)化外圍電路，降低產(chǎn)品的成本。為了降低整機的功耗，定時(shí)器1的時(shí)鐘脈沖選擇片外晶體振蕩電路，晶體頻率是32.768k,配諧電容為22p,內部采用8分頻，這樣當脈沖個(gè)數為24225個(gè)時(shí)（5FH,0FFH），定時(shí)時(shí)間達到10s.

　　2.2.3 無(wú)線(xiàn)數傳單元的設計

　　無(wú)線(xiàn)數傳芯片選擇的是高集成度、多通道的RF收發(fā)芯片CC1100,該芯片控制方便、功能強大、體積小、價(jià)格低、功耗低、抗干擾性強。CC1100的引腳SPI_SCK連接單片機引腳RAl（輸出）；SPI_SI連接單片機RA2引腳（輸出）；SPI_SO連接單片機RA3引腳（輸入）；SPI_CS連接單片機RA6引腳（輸出）；GDO0連接單片機RA7引腳（輸入）。

　　CC1100的軟件設計主要是利用TI公司提供的對該芯片的內部寄存器設置軟件Smart Studio對CC1100控制寄存器進(jìn)行設置，在軟件參數配置時(shí)要注意選擇輸出功率為10dBm,中心頻率為433.92MHz,數據傳輸速率為10kbps,將這些主要參數輸入后，專(zhuān)用配置軟件將CCll00所有的控制寄存器的參數值自動(dòng)換算到該芯片的最優(yōu)化設置，將這些參數通過(guò)單片機，按照約定的地址寫(xiě)入到CC1100特定寄存器，就可保證CCll00穩定可靠地工作。在程序設計中要定期刷新CC1100控制寄存器的設置，防止寄存器中的內容在強烈外界干擾環(huán)境中改變，使芯片不能正常工作。CC1100的軟件設計要注意，在無(wú)線(xiàn)數據傳輸過(guò)程中要關(guān)閉其它附屬設備的工作狀態(tài)，保持傳輸數據的可靠性和穩定性。 

2.2.4 閥門(mén)控制單元的設計

　　驅動(dòng)電磁閥開(kāi)關(guān)的芯片選擇的是L9110芯片。該芯片有兩個(gè)TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個(gè)輸出端能直接驅動(dòng)電機的正反向運動(dòng)，它具有較大的電流驅動(dòng)能力，每通道能通過(guò)800mA的持續電流，峰值電流能力可達1.5A;同時(shí)它具有較低的輸出飽和壓降；內置的鉗位二極管能釋放感性負載的反向沖擊電流，驅動(dòng)性能安全可靠。單片機RB5引腳設置為關(guān)閥控制；RB3引腳設置為開(kāi)閥控制；RB2引腳設置閥門(mén)開(kāi)到位判斷；RBl引腳設置閥門(mén)關(guān)到位判斷。

　　2.2.5 電源電壓檢測元件的選擇與設計

　　電壓檢測芯片選擇的是小功率的MCPlll芯片。當電源電壓高于檢測電壓時(shí)，MCPlll輸出保持高電平；若低于檢測電壓時(shí)輸出將變?yōu)榈碗娖�，提醒電源電量的不足。設置單片機引腳RA5為電源電壓檢測輸入引腳，低電平有效。該產(chǎn)品設定MCPlll的檢測電壓為3V;在檢測到電池電壓低提出報警后，仍能保證控制電路板正常工作三個(gè)月以上，為更換電池提供時(shí)間余量。

　　無(wú)線(xiàn)智能遠傳水表連接示意圖如圖2所示。

　　3 軟件設計

　　智能無(wú)線(xiàn)遠傳水表的軟件采取模塊化設計，程序主要有以下主子程序組成：主程序模塊、定時(shí)中斷處理程序模塊、水量采樣處理程序模塊、接收無(wú)線(xiàn)數據處理程序模塊、數據發(fā)射程序模塊。

　　3.1 主程序設計

　　智能無(wú)線(xiàn)遠傳水表上電后，系統軟件逐個(gè)檢測各個(gè)功能模塊的工作狀態(tài)。主要包括傳感器模塊檢測、定時(shí)器模塊檢測、閥門(mén)執行機構檢測、特別是對CCll00的工作參數設置以及設置完成的結果檢測，這些模塊檢測正常后系統檢測燈熄滅，系統進(jìn)入低功耗工作狀態(tài)。進(jìn)入低功耗工作的系統只有靠中斷才能開(kāi)啟。開(kāi)啟系統由低功耗進(jìn)入工作狀態(tài)的方式有兩種：一種是當有傳感器信號進(jìn)入時(shí)，傳感器信號開(kāi)啟中斷系統；另一種是定時(shí)器時(shí)間到后開(kāi)啟中斷系統。開(kāi)啟后的系統執行完中斷的操作后回到低功耗模式。

　　3.2 定時(shí)中斷處理程序設計

　　定時(shí)啟動(dòng)時(shí)間是10s一次，啟動(dòng)以后主要功能是：開(kāi)啟接收機接收查看是否有無(wú)線(xiàn)電信號進(jìn)來(lái)。如果沒(méi)有，進(jìn)入低功耗狀態(tài)，如果有，則判斷是不是協(xié)議規定的命令。如果是規定的命令執行相應的操作，否則關(guān)閉接收機，進(jìn)入低功耗。定時(shí)24小時(shí)自動(dòng)發(fā)射數據一次，定時(shí)一個(gè)月"洗閥"一次。

　　3.3 水量采樣處理程序設計

　　當水表的傳感器有信號來(lái)的時(shí)候，經(jīng)軟件濾波后判斷是否為有效信號。若是無(wú)效信號則直接退出中斷，若為有效信號時(shí)就進(jìn)行計數和水量運算，運算后將數據存儲在單片機內部的存儲器內。分析是否達到發(fā)射水量，達到發(fā)射水量則發(fā)射數據，否則退出中斷。

　　3.4 接收無(wú)線(xiàn)數據處理程序設計

　　設置CC1100為接收狀態(tài)，若有接收信號，則等待接收數據，讀CC1100寄存器中的接收數據。讀完規定字節數的數據后，進(jìn)行數據解碼，判斷數據的正確性。數據正確，依據規定的命令進(jìn)行相應的操作；否則退出接收狀態(tài)。

　　4 結論

　　通過(guò)對無(wú)線(xiàn)遠傳智能水表進(jìn)行的供電參數、無(wú)線(xiàn)電性能、信號輸出測試、控制功能測試、水表性能測試，其主要參數全部達標，實(shí)現了設計時(shí)要求的技術(shù)指標和性能。本系統方案采用無(wú)線(xiàn)數據傳輸方式，可方便實(shí)現戶(hù)內儀表的數據出戶(hù)、集中及統一管理，系統成本低、可靠性高、易于擴展、方便實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化管理，有效地解決了住宅水、電、氣、熱表的抄表和收費問(wèn)題，具有很高的經(jīng)濟和社會(huì )效益。

基于PICl6F628A芯片的無(wú)線(xiàn)遠傳水表設計方案