基于无线通信芯片Si4438抄表模块的研究

杨阳 侯思祖 杨国旗

摘 要：电力行业的管理对数据的采集和传输手段要求越来越高，如何在低功耗、低成本、小型化情况下实现无线数据通信的可靠传输，保障有效通信距离成为非常重要的研究课题。本文主要研究和设计无线抄表系统的下行通信系统，即实现用户电表的数据在数据采集器和集中器之间传输。采用DL/T645-2007协议作为集中器与采集器之间的通信协议。使用性能优异的射频芯片Si4438和低功耗的C8051F930单片机。

关键词：无线抄表；Si4438；C8051F930；通信协议

1 系统总体设计

自动抄表系统的整体结构主要包括管理中心站、集中器、数据采集器和采集终端四部分。其中管理中心站为上位机，下位机系统由集中器、数据采集器和采集终端构成。管理中心站负责对抄表系统进行设置命令发送、系统运行状态检测和显示以及与抄表集中器的数据通信。作为自动抄表系统的通信中枢，集中器负责管理中心站指令的接收、用户用电数据的采集、计算数据的统计，充当管理中心站和电表之间沟通纽带的角色。集中器通过与管理中心站进行通信，获得管理中心站发出的数据，并根据管理中心站的要求向中心站发送数据；对电表的数据进行定时抄读或设置电表参数，并将数据转发给中心站或存储到内部存储单元，由集中器与电表进行通信完成。

集中器在整个抄表系统中起着非常重要的作用，它不仅要收集电表的数据并上传给主站，而且要根据主站发来的命令控制所管辖的电表，因此，集中器要能够同时与主站和电表进行通信。集中器与主站的通信是通过GPRS方式进行的，与电表则是采用无线的方式进行通信，因此集中器应具有GPRS模块，同时集中器还应带有无线通信模块。

2 无线通信单元设计

2.1 硬件设计

无线射频收发系统的结构框图如图1所示，无线数据的收发由C8051F930单片机控制Si4438实现。

在发送模块中，C8051F930将数据传送给Si4438进行编码处理，并以特定的格式经天线发送给接收模块。接收模块再对接收到的射频信号进行放大、解调之后，将数据发送给主控制器C8051F930以进行相应的处理，如送液晶显示等。系统提供了按键和液晶等人机交互界面，同时RS232接口可以完成与PC机间的通信。

2.2 软件设计

模块主要是完成对单片机和Si4438以及SPI的初始化配置，实现与主机通信的功能；根据Si4438所要完成的功能要求，配置相应的寄存器，完成无线数据的发送和接收。软件采用中断驱动模式，从而能够最大限度地使功耗降低，即在没有任何外部中断的情况下，单片机将进入空闲模式；否则，将被唤醒，执行相关的操作，在完成执行当前操作后，再次进入空闲模式。

3 协议选择

3.1 645协议介绍

协议采用DL/T645-2007协议。645协议规定采用半双工通信方式完成电表和采集设备之间的通信。采集设备为主站，电表为从站。系统内的每个电表都有唯一的编码地址。主站通过发出信息指令对通信链路的建立和解除进行控制。地址域由6个字节组成，表示电表的通信地址。系统的广播地址为999999999999H，用来对所辖电表进行系统校时和发送冻结指令。地址域可以通过高位补AAH用作通配字节，读取电表数据可通过对低位进行缩位寻址来实现，电表应答时回复实际的通信地址。控制码的格式如图5所示，低5位用来代表帧的功能，主要包括读、写数据，读、写地址，数据清零，数据冻结等。数据长度域L代表数据域的字节总数，读数据的时候数据域长度不能大于200，写数据的时候数据域长度不能大于50。在发送前数据帧对数据按字节进行加33H操作处理，对数据在接收时按字节进行减33H处理。传输时发送方对字节做加33H操作，接收方对字节做减33H操作。数据帧中校验码之间的数据的字节的模256和为校验码。

3.2 645协议程序设计

当集中器接收到电表数据帧后，首先要检验数据包长度，然后查找帧头、帧尾、和帧长度等是否正确。检测项若不正确，则将舍弃数据包，若正确则继续对数据进行模256验证，之后对数据进行-33H处理。再按照功能码对数据进行分类解析。在对数据帧的处理过程中，如果出现错误，则抄表失败，置抄表失败标志位，等待补抄任务。

4 总结

作为我国最具发展潜力的现代应用技术之一，人们对无线抄表系统的研究不断加深。而微功率无线抄表技术已经成为该领域的研究热点。本文采用新型的Si4438无线射频芯片，Si4438技术方案可达20dB的发射功率，保证射频信号可以穿透整个建筑物。可采集500个节点的数据，满足一幢大楼的需求。Si4438收发器专为425-525MHz ISM频段设计，符合严格的中国智能电表470-510MHz频段操作监管要求，是为中国智能电表市场量身定制的无线收发器。

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