【成功案例】UPD78F0 MCU+Si4432无线收发芯片的无线抄表终端系统设计方案，可达极限1500米传输距离

时间： 2018-11-01 来源：世强

技术问答

随着城市化的进程的不断加快，日常生活中的水、电、气等的计量设备也朝着智能化方向快速发展。鉴于过去的人工挨家挨户的抄表所带来的低效率、漏抄、误抄以及其它的各种人为错误，目前的抄表也朝着无人化、自动化、智能化的方向发展，各种有线、无线抄表的方式得到极大的应用，因此本文介绍一种基于RENESAS公司的UPD78F0526 MCU、微功率无线收发芯片Si4432的无线抄表终端。

方案概述：

现在的无线抄表系统，大多采用无线集抄的方式，这种方式一般是在一个区域放置一台分区主机，然后在用户的计量设备上安装无线抄表终端，抄表终端将抄表数据传输给分区主机，再由分区主机处理之后上传到控制中心，这种方式在无线传输距离、功耗、数据传输量等多方面都可以称得上最好的选择，既能降低成本，也能保证抄表终端的续航。本设计的无线抄表终端系统就从适配RS485通讯的计量设备着手，设计一款无线抄表终端，用于与计量设备的RS485接口进行通讯获取相关计量数据，同时需要将远程控制中心的相关控制命令转发给计量设备，让计量设备可以实现诸如“通、断水电”等功能，具体系统工作流程如下图1所示：

图1 无线集抄系统工作流程图

从图1可看出，在整个无线集抄系统中，本设计的无线抄表终端在整个系统中处于最基础，也是最重要的环节，要实现以上功能，无线抄表终端需要有RS485通讯接口和无线传输模组。考虑到计量设备抄表数据的数据量较小，对实时性要求也不高，因此综合无线通讯距离、传输速率等因素，选择使用低频的传输模组，本设计中选择SILICON LABS的Si4432微功率无线收发芯片模组实现本终端的无线通讯；完成以上选型之后，我们选用Renesas公司的UPD78F0526型MCU作为抄表终端的主控芯片，再加上电源管理系统（直接从计量仪表获取DC电源来给整个无线抄表终端供电），即可实现无线抄表终端的主要硬件系统设计，无线抄表终端的主要硬件系统框图如下图2所示：

图2 无线抄表终端硬件系统框图

在设计抄表终端的各部分电路的时候，我们需要考虑各部分电路需要的工作电压，UPD78F0526型MCU是一款8位的芯片，指令最短执行时间可以在高速（0.1uS：高速时钟频率20MHz）和超低速（122uS：副系统时钟的操作频率为32.768KHz）之间改变，工作电压范围是1.8V~5.5V；Si4432型无线芯片的工作电压范围则是1.8~3.6V；RS485通讯接口则是采用5V隔离电源的工作方式，因此几种芯片之间需要不同的电压；根据通讯速率不同，UPD78F0526主控芯片和Si4432无线芯片采用3.3V供电，RS485接口则使用隔离5V供电，因此RS485通讯芯片与主控芯片之间需要加上电平转换电路。

完成各部分器件选型之后，接下来先设计出UPD78F0526的相关电路，根据数据手册，UPD78F0526只需要加上少量的外围元器件即可完成其基本工作电路的设计。在Si4432无线的设计中，考虑到射频阻抗、稳定性等因素，本设计中选择直接使用如下图3的基于Si4432设计的成品模组：

图3 Si4432无线模组

上图3中所选的使用Si4432芯片设计的模组，工作于420MHz~450MHz的频率范围，工作电压范围1.8~3.6V，接收电流18.5mA，发射功率+20dBm的工作电流90mA，掉电模式时电流仅为0.1uA，采用4线SPI通讯接口方式，每次可以传输1~64Byte的数据，完全可以满足本无线抄表终端的数据传输需求，配套本通讯模组使用的高性能弹簧天线，可以达到极限1500米的通讯距离，可以满足一定区域范围内无线抄表终端与分区主机的组网通讯需求。

接下来就需要设计无线抄表终端与计量设备的通讯接口，考虑到不同的计量设备的485接口设计各不相同，是否设计有隔离接口也不能确定，因此本抄表终端采用隔离RS485通讯设计方案，采用DC-DC隔离电源给485通讯芯片供电，并选用ADI的ADM2483型隔离RS485通讯芯片作为本抄表终端的RS485通讯接口芯片，设计出如下图4的RS485通讯电路：

图4 485通讯接口电路原理图

完成以上各部分电路设计之后，本抄表终端的主要功能已经可以实现，接下来再设计相应的电源转换电路，完成无线抄表终端的电源供电设计；本抄表终端主要用于与带RS485通讯接口的24V供电计量设备连接完成远程抄表，因此本抄表终端直接使用计量仪表的24V供电电源系统，通过DC-DC完成DC-24V到DC-5V的转换，使用LDO芯片完成DC-5V到DC-3.3V的转换，然后使用DC-DC隔离电源模块，完成DC-5V到DC-5V的隔离电源设计，至此完成整个无线抄表终端的电源管理设计；这里我们选用TI的TPS5430型DC-DC芯片设计出DC-24V转DC-5V电源转换电路如下图5所示：

图5 DC-24V转DC-5V电路原理图

本无线抄表终端的主控芯片和无线通讯模组均使用3.3V供电，无线模组在发射功率为+20dBm的时的发射电流是90mA，综合主控芯片和无线模组的供电需求，这里选择圣邦微电子（SGMICRO）的SGM2019型可控LDO芯片，这个LDO芯片采用的是SOT-23-5封装，输入电压范围2.5V~5.5V，可以提供最大300mA的供电电流，完全可以满足本抄表终端的供电需求。

完成以上设计之后，因RS485通讯芯片是5V供电，而主控芯片是3.3V供电，因此我们需要在主控芯片和RS485通讯芯片之间加上接口电平转换电路，考虑到这里的接口通讯速率较低，因此我们直接使用N-MOS来搭建接口电平转换电路，这里选用AO3402型N-MOS并设计如下图6所示电路：

图6 接口电平转换电路

至此，完成整个无线抄表终端的所有硬件电路设计，下图7附上本无线抄表终端的整体电路设计图：

图7 无线抄表终端整体电路设计原理图

发送到邮箱 |
+1 赞 0
收藏
评论 25
| 转发至：

本文由sdlibin007提供，版权归世强硬创平台所有，非经授权，任何媒体、网站或个人不得转载，授权转载时须注明“来源：世强硬创平台”。

全部评论（25）

pp Lv4 资深工程师 2018-11-26

我们也用的是SI4432的方案,已经出来很多年了，生命周期如何，听说有停产的风险，不知道是不是真的。
- ID001_世强回复：正式停产会发PCN，建议先开发SI4438、SI4463或者SI1061等作为备案。
  查看全部10条回复
wylfdx Lv6. 高级专家 2018-12-31

学习
用户76906928 Lv7. 资深专家 2018-12-28

收藏待用
开心快乐 Lv6. 高级专家 2018-12-27

学习一下
技工 Lv5. 技术专家 2018-12-24

学习了

周鑫 Lv8. 研究员 2018-12-24

不错的方案
pp Lv4. 资深工程师 2018-11-24

我们也用的是SI4432的方案,已经出来很多年了，生命周期如何，听说有停产的风险，不知道是不是真的。
- 世小强回复：小强帮你问问哈
用户86910647 Lv5. 技术专家 2018-11-14

不错
强也是强抢抢墙 Lv4. 资深工程师 2018-11-13

学习学习
HillGao Lv4. 资深工程师 2018-11-07

学习了

展开更多评论

【应用】Sub-G通讯的Si4463无线收发芯片用于无线测温模块，采用私有协议、小于50nA的待机功耗

本文主要介绍目前大量无线测温模块上使用的无线Sub-G通讯方案，特别是Silicon Labs的无线收发芯片Si4463方案，相对于其他无线技术方案，其特点在于芯片工作在Sub-G频段，通讯距离远；采用私有协议，产品开发更加灵活；待机功耗在50nA以下，功耗极低。

应用方案发布时间 : 2020-04-01

【应用】低功耗小体积无线收发芯片用于温控器，宽工作频率284~960MHz，输出功率达13dBm

温控器的工作过程是先根据温度传感器测得的温度数据，跟预先设定的温度条件做比较后，控制热水阀和冷水阀的开度，从而实现温度的控制。芯科科技（Silicon Labs）的无线收发芯片SI4455-C2A-GMR用在温控器的设计上有高性能、低功耗和体积小等特点。

应用方案发布时间 : 2021-09-26

【应用】芯科无线收发芯片SI4438应用于路灯控制器，工作频段425–525MHz，实现业界领先的144dB链路预算

智慧城市智能路灯是将城市中的路灯串联起来，实现对路灯的远程控制和管理，控制各个路灯的开与关，而同时能控制上千个路灯实现这一功能我们管它叫路灯控制器，里面用到的主要器件无线收发芯片，本文推荐在这块有大量应用的Silicon Labs的SI4438。

应用方案发布时间 : 2022-08-19

【经验】Silicon Labs无线收发芯片Si4463如何区分芯片版本号？

Si4463是Silicon Labs设计的支持Sub-G频段的无线收发芯片。目前Si4463芯片有B1和C2两种版本，这两个版本芯片radio驱动代码的si446x_patch.h和radio_config.h文件有差别。本文主要介绍Si4463芯片区分芯片版本号的方法。

设计经验发布时间 : 2021-01-12

【经验】使用Si4463或者Si4438无线收发芯片来解析其他无线设备通信速率的方法

本文使用EFR32FG23无线SoC芯片来模拟老产品，通过按键来触发EFR32FG23芯片发送无线数据包，然后使用Si4438芯片来捉取波形，并介绍使用Si4438无线收发芯片来解析其他无线设备通信速率的方法。

设计经验发布时间 : 2023-04-19

【经验】在芯科无线收发芯片Si4463开发板的工程中添加串口打印功能的方法

本文以芯科无线收发芯片Si4463开发板的Empty framework工程为例，介绍在Empty framework工程添加串口打印接收到的数据包功能的方法。

设计经验发布时间 : 2023-03-14

【经验】芯科科技Si4463无线收发芯片硬件设计使用射频开关和不使用射频开关的区别介绍

Si4463是Silicon Labs推出的支持Sub-G频段的无线收发芯片，频率范围142-1050 MHz，最大发射功率为+20dBm，接收灵敏度为-126dBm。在设计Si4463硬件的时候，有使用射频开关和不使用射频开关两种方案可以选择，本文主要介绍这两种方案区别，方便用户选择适合自己产品的方案。

设计经验发布时间 : 2020-06-30

【经验】Si4438无线收发芯片调试收发超长数据包的过程

本文介绍使用Silicon Labs无线收发芯片Si4438调试收发超长数据包的功能，介绍Si4438如何实现收发超长数据包的过程，方便用户快速实现超长数据包收发功能。

设计经验发布时间 : 2021-03-27

【经验】芯科Si4463无线收发芯片使用ADC读取芯片内部温度的方法

Silicon Labs的Si4463无线收发芯片内部有一个温度传感器，我们可以使用ADC来读取芯片内部的温度，本文主要介绍如何使用ADC读取Si4463芯片温度的方法。

设计经验发布时间 : 2022-11-02

Si446x 无线收发芯片实现空闲信道检查（CCA）的办法有哪些？

Si446x 无线收发芯片实现空闲信道检查（CCA）的办法有以下3种：方法1：任意选择Si446x的一个GPIOx引脚，配置成CCA输出模式，并设定RSSi阀值，只要信道的实时RSSi值超过了阀值，GPIO就会输出高电平，代表信道忙，反之信道空闲。这个方法完全由Si446x硬件完成，使用简单快速，推荐优先选择这种办法。办法2：主控MCU通过SPI执行GET_MODEM_STATUS命令，获取实时的RSSi值，然后通过软件代码判断这个RSSi是否超过阀值，如果大于阀值就表示信道忙。办法3：设定好Si446x的RSSi阀值，开启RSSi中断。如果实时的RSSi值超过了阀值，就会产生RSSi中断，通过查询RSSi中断也可以实现信道的闲忙检测。

技术问答发布时间 : 2016-10-25

【经验】32位MCU EFM32系列中断分组及优先级设置方式

Silicon Labs的32位MCU EFM32系列广泛应用于物联网、智能家居、无线抄表、智能照明、可穿戴设备等领域。中断是一个MCU中比较核心的部分，在实时性要求比较高、功耗低的场合经常需要中断的配合，中断优先级是根据中断事件的重要性和紧迫程度做出的一个设置，系统先响应优先级高的中断请求,再响应优先级低的中断请求。

设计经验发布时间 : 2019-12-24

【经验】如何通过无线收发芯片Si4438将数据发送到无线SOC芯片EFR32FG23

Silicon Labs推出的EFR32FG23是一款工作在1G赫兹频段以下的一款无线SOC芯片。它的射频参数及其工作频段可以通过软件进行配置，本次主要介绍如何通过Si4438将数据发送到EFR32FG23。

设计经验发布时间 : 2022-08-31

【经验】Si4438无线收发芯片使用同步直接模式收发数据的方法

Silicon Labs Si4438无线收发芯片在某些不适合使用FIFO模式的应用中，可以使用直接模式（direct mode）来收发无线数据。本文主要介绍Si4438如何使用同步直接模式收发数据的方法。

设计经验发布时间 : 2021-06-08

【经验】无线收发芯片Si4463收发无前导码数据包的实现方法

Si4463是Silicon Labs设计的支持Sub-G频段的无线收发芯片，在双向通信的无线门铃应用中，由于某些无线门铃使用OOK调制模式，私有协议的数据包，且这些数据包无前导码，所以要求Si4463芯片能够收发无前导码的数据包。本文以“Empty framework”工程为例，介绍Si4463芯片收发无前导码数据包的实现方法。

设计经验发布时间 : 2020-10-10