一种基于MSP430和nRF401的家用射频无线自动抄表系统设计

传统的抄表收费方式存在许多弊端，出错率高，漏抄，麻烦，成本高，已经跟不上现代化社会的需求。自从有了自动抄表系统，中间省去了很多环节，提高工作效率，降低成本。为了在已建成的小区中方便地使用自动抄表系统，免除家庭内部重新布线的不便，设计了一个应用于家庭内部的短距离无线抄表系统。

1 系统的总体结构

图1为短距离无线抄表系统的总体结构，它可用于家庭内部三表或多表数据的抄送。系统下层直接与水表、电表、煤气表等连接，上层可以通过电话、以太网、GSM或GPRS等与抄表中心连接，实现数据的远程抄送。

系统一般使用被动抄表方式。上层模块接收到仪表中心的抄表命令时，通过无线方式向下层模块发送抄表指令。下层模块接收到指令后通过485总线采集三表的数据，将数据打包后通过无线通讯芯片发送出去。上层模块收到数据后，将数据解包，发送给抄表中心。系统也可采用主动抄表，即下层模块定时采集三表数据，发送到上层模块，再由上层模块发送到仪表中心。

2 系统的硬件实现

2.1 系统硬件结构

图2为系统的硬件结构。系统的MCU使用TI公司MSP430系列中的F123型，通过nRF401芯片实现无线数据收发，并通过MAX3485芯片及485总线与三表或电话、网络等连接。如果需要与232总线或仪表总线等连接，只需更换转换芯片即可方便地连接。通过液晶和简易键盘，用户可以查看三表的数据并对仪表地址进行设定。

2.2 主要系统器件介绍

无线通讯使用Nordic公司的单片收发芯片nRF401。nRF401是Nordic公司研制的单片UHF无线收发芯片，工作在433MHz ISM（Industrial, Scientific and Medical）频段。它采用FSK调制解调技术，抗干扰能力强，并采用PLL频率合成技术，频率稳定性好，发射功率最大可达10dBm，接收灵敏度最大为－105dBm，数据传输速率可达20Kbps，工作电压在+3～5V之间。nRF401无线收发芯片所需外围元件较少，并可直接单片机串口。

nRF401芯片内包含有发射功率放大器（PA）、低噪声接收放大器（LNA）、晶体振荡器（OSC）、锁相环（PLL）、压控振荡器（VCO）、混频器（MIXFR）、解调器（DEM）等电路。在接收模式中，nRF401被配置成传统的外差式接收机，所接收的射频调制的数字信号被低噪声较大器放大，经混频器变换成中频，放大、滤波后进入解调器，解调后变换成数字信号输出（DOUT端）。在发射模式中，数字信号经DIN端输入，经锁相环和压控振荡器处理后进入到发射功率放大器射频输出。由于采用了晶体振荡和PLL合成技木，频率稳定性极好；采用FSK调制和解调，抗干扰能力强。

nRF401可以通过串行接口与单片机直接相连，无需复杂的编码，所需的外围器件很少，使用简单。其电路原理图如图3所示。

系统的MCU使用TI公司的MSP430系列，是一种具有超低功耗特性的功能强大的16位单片机。当运行在1MHz时钟条件下时，工作电流可因工作模式不同在0.1μA～200μA（2.2V）之间，工作电压为1.8V～3.6V。其高效率精简16位指令结构可以确保任何任务的快速执行，大多数指令可以在一个时钟周期内完成；它还具有高级语言编程的能力，可以加速软件的开发。

本系统使用的是该系列的F123型，具有8KB+256Byte Flash Memory和256Byte RAM以及一个串口和一个定时器。

485芯片使用MAX公司的MAX3485芯片，不需485总线传输时可工作在关断模式下，在该模式下所需的电流小于1μA。

2.3 硬件设计中的注意事项

射频电路部分会受到数字电路部分的干扰。天线到射频芯片的输入信号可能小于1μV,所以数字信号与射频信号强度之间的差别可以达到100万倍（120dB）。射频部分对电压的波动非常敏感，所以电源的噪声会严重影响传输性能。

因此，射频部分电路的设计就显得非常重要。在设计中应遵循以下原则：首先一定要有一个可靠的地平面，电源地应该直接与射频部分的地相连；其次，与地平面的连接越短越好。与地连接的焊盘应该在附近设置一个过孔，并且两个接地焊盘不可以共用一个过孔。解耦电容应该尽量靠近需要解耦的引脚，每个需要解耦的节点单独使用一个解耦电容。电源要采用星形布线，即不同部分的电源线分别直接从总电源引出，并且分别解耦，如图4所示。这样可以有效地防止电源噪声的干扰。

3 系统的软件设计

3.1 软件流程

系统软件分上层模块软件和下层模块软件两部分，图5和图6分别为系统上、下层模块软件流程图。

上层模块收到抄表中心的命令后，通过射频无线通讯方式向下层模块发送命令，同时开始计时。如果下层模块没有数据返回，超时后上层模块会重新发送命令。如果超过三次仍未有数据返回，则认为是下层模块工作异常，