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來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 對于電力、水、天然氣和社區熱力管網的智能儀表而言，無線連接至關重要，但從零開始設計一款無線收發器是一項頗具挑戰性的工作，而且非常耗時。智能儀表應用需要高性能的無線解決方案，以滿足各種國際標準要求，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 標準。這些解決方案需要支持高達 500 kbps 的數據速率，并且必須包括安全加密和認證功能，而且結構緊湊，能夠在高達 +85°C 的挑戰性環境中運行。許多應用還要求長達數年的電池續航時間。 為了應對這些挑戰，設計人員可以根據智能儀表應用的需求，選擇射頻收發器集成電路或完整的射頻收發器模塊。射頻收發器 IC 可保證射頻鏈路預算超過 140 dB，輸出功率高達 +16 dBm，并且支持 SIGFOX™、無線 M-Bus、6LowPAN 和 IEEE 802.15.4g 網絡連接。射頻模塊則可支持無線 M-Bus 協議棧或多種無線電調制，如 LoRa、(G)FSK、(G)MSK 和 BPSK；可選擇自適應帶寬、擴頻因子、發射功率和編碼率，以滿足各種應用需求，并符合眾多國際法規的要求，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，只需要一根天線，并且包括安全加密和認證功能，其超低功耗模式可實現更長的電池續航時間。 本文回顧了無線智能儀表設計人員所面臨的連接挑戰，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 的射頻收發器 IC 和射頻模塊，以及在集成天線時的設計注意事項。 設計人員面臨的首要決策之一是選擇通信協議。常見的選擇包括近場通信 (NFC)、藍牙、智能藍牙、用于物聯網的 Wi-Fi (Wi-Fi for IoT) 和亞吉赫茲 (SubGHz) 通信協議。需要考慮四個重要因素： · 所需的數據吞吐量 · 低功耗模式 · 所需的傳輸范圍 · 網絡訪問需求 對于數據傳輸需求最大化的應用而言，用于物聯網的 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，但其他通信協議提供了不同的性能權衡組合（圖 1）。 
圖 1：用于物聯網的 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） 許多智能儀表應用要求電池續航時間長達數年，這讓用于物聯網的 Wi-Fi 技術面臨嚴峻挑戰。幸運的是，這些應用的數據吞吐量要求也相對有限，可以從使用 NFC、智能藍牙、藍牙或 SubGHz 技術中獲益。雖然 NFC 的低能耗頗具吸引力，但其數據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，智能電表的整體設計也至關重要。使設備盡可能長時間地保持低功耗狀態，并且盡可能地縮短需要進入活動狀態的時間量，這是延長無線智能儀表電池續航時間的關鍵因素之一。選擇使用基于模塊的通信實現，還是分立射頻 (RF) 通信實現，是設計成功的另一個因素。在做出這個決定時，需要考慮性能、解決方案的尺寸、封裝靈活性、認證、上市時間和成本要求。 使用射頻模塊的益處 一個射頻模塊便是一個完整的通信子系統。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知識，這讓設計人員能夠專注于智能儀表設計的其他方面。典型的射頻模塊在到手時已按照所需的標準進行校準和認證。此外，該模塊還會包括網絡匹配電路，以方便集成天線，并最大限度減少任何信號損失。模塊解決方案可以采用內置或外置天線。 模塊易于集成到設計中。從設計集成到制造工藝流程都很簡單，因為只有一個基于標準印刷電路板 (PCB) 的模塊，而沒有復雜的分立射頻器件需要處理。模塊制造商已經處理了集成射頻系統的所有細微差別。使用模塊可以減少與分立射頻設計相關的風險，如獲得認證、達到所需的效率和整體性能水平，以及加快上市速度。 分立 IC 實現的益處 雖然分立 IC 設計更復雜，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設計的情況下，基于 IC 的解決方案的額外設計成本將因制造成本的降低而得到補償。也可以在多個無線智能儀表平臺上使用通用的射頻子系統，從而增加整體生產量并進一步降低長期成本。 基于分立 IC 的設計幾乎總是比基于模塊的解決方案更小。在空間受限的應用中，這可能是一個重要的考慮因素。除了占用的空間較小外，分立 IC 設計更容易塑形，以適應可用的空間。 Sub-GHz 射頻收發器 IC 設計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）。基本設計在工業、科學和醫療 (ISM) 免許可頻帶及短距裝置 (SRD) 頻帶 433、512、868 和 920 MHz 運行。可以對 S2-LP 進行選擇性編程，以便在其他頻帶，如 413-479、452-527、826-958 和 904-1055 MHz 上工作。可以實現各種調制方案，包括 2(G)FSK、4(G)FSK、OOK 和 ASK。S2-LP 的射頻鏈路預算 > 140 dB，適用于遠程通信，符合美國、歐洲、日本和中國的監管要求。
圖 2：該射頻 IC 的指定工作溫度高達 +105°C，采用 4 x 4 mm QFN24 封裝。（圖片來源：STMicroelectronics） 為了簡化使用 S2-LP 時的集成過程，設計人員可以使用 BALF-SPI2-01D3 超微型平衡不平衡轉換器，其標稱輸入為 50Ω，與 S2-LP 共軛匹配，適合在 860-930 MHz 頻率下工作。它集成了一個匹配網絡和諧波濾波器，并在非導電玻璃基底上使用集成無源器件 (IPD) 技術，以提供優化的射頻性能。 可以使用 X-NUCLEO-S2868A2 擴展板（圖 3）開發采用 S2-LP 并在 868 MHz ISM 頻段工作的設計。X-NUCLEO-S2868A2 使用串行外設接口 (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 擴展板可以加快開發使用 868 MHz ISM 頻段的設計。（圖片來源：Digi-Key） 射頻模塊簡化了集成 對于要求快速上市和低功耗的應用，可以使用 MAMWLE-00 模塊簡化系統集成。它將一個 50 Ω 的 U.FL 連接器用于射頻輸出，在 16.5 x 15.5 x 2 mm 封裝內有一個 48 MHz 的 Arm® Cortex® M4 32 位 RISC 內核。該射頻模塊可以選擇多種低功耗工作狀態。它實現了多種無線電調制，包括 LoRa、(G)FSK、(G)MSK 和 BPSK，具有不同的帶寬、擴展因子 (SF)、功耗和編碼率 (CR) 選項（圖 4）。嵌入式硬件加密/解密加速器可以實現多種標準，如高級加密標準（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 標準。
圖 4：MAMWLE-00 模塊允許設計人員選擇節能模式和各種射頻調制標準。（圖片來源：Digi-Key） M-Bus 射頻模塊 使用 M-Bus 無線協議，設計人員可以轉向 Radiocrafts 的 RC1180-MBUS 射頻收發器模塊，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）。該射頻模塊有一個單針天線連接，以及一個用于配置和串行通信的 UART 接口。它符合無線 M-Bus 規范的 S、T 和 R2 模式，在 868 MHz 頻帶的 12 個信道中運行，并根據歐洲無線電法規進行了預先認證，可以免許可使用。
圖 5：M-Bus 無線協議可通過 Radiocrafts 的 RC1180-MBUS 射頻收發器模塊來實現（圖片來源：Digi-Key） 借助 RC1180-MBUS3-DK 傳感器板與 M-Bus 無線電模塊開發套件，設計人員可以輕松、快速地評估板載傳感器模塊，調整應用并建立原型。此開發套件包括兩根帶有 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 USB 電源（圖 6）。它可以作為傳感器板的集中器、網關和/或接收器。
圖 6：此 M-Bus 開發套件包括兩根帶有 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 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，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 印制線應該是一條 50 Ω 的傳輸線。當兩層 FR4 PCB 的介電常數為 4.8 時，微帶傳輸線的寬度應該是電路板厚度的 1.8 倍。傳輸線應該在 PCB 的頂面，地平面則在 PCB 的底面。例如，當使用 1.6 mm 厚的標準兩層 FR4 PCB 時，微帶傳輸線的寬度應該是 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現方式，當在地平面上方使用時，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 的其余部分應該有一個地平面，最好與天線一樣大，以充當配重。如果 PCB 天線短于四分之一波長，則應增加一個 50 Ω 的匹配網絡。 總結 在選擇用于無線智能儀表的各種無線協議時，設計人員需要考慮幾個因素，包括數據吞吐量、功耗、傳輸范圍和網絡訪問需求。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、上市時間、法規合規性和其他因素的權衡。確定適當的射頻協議后，在集成電路與模塊之間所做的選擇、設計的基本射頻系統以及天線集成，對于開發成功的無線智能儀表至關重要。 |
