一种基于MSP430和nRF401的家用射频无线自动抄表系统设计

向抄表中心返回异常信号。

下层模块收到上层模块发来的抄表命令，首先检查地址。如果地址不符，说明命令是发给其它模块的，则丢弃命令，继续等待。数据正常接收完毕后，模块按照与仪表的协议检验数据，数据出现错误，则重新向仪表发送命令，如果正确则向上层发送数据，之后重新进入等待状态。

MSP430F123只有一个串口，而上下两层的模块需要两个串口。第二个串口由定时器A的捕获/比较功能实现。发送特性的实现采用比较功能将数据从输出单元的引脚移出的方法，波特率用比较数据及中断来获得。接收特性的实现采用捕获/比较功能将引脚数据经SCCIx位移入内存。

3.2 无线通讯协议

本系统是一个简单的点对多点通讯，所以通讯协议分为三层即可。第一层为物理层，由nRF401模块硬件实现；第二层为数据链路层；第三层为应用层。

数据链路层的功能是提供可靠的无线数据传输。发送数据时，将应用层发来的比较长的数据帧拆分为短的数据帧，并加上包头和校验和，重新打包后发送出去。接收数据时，将接收到的数据解包并重新组合成完整的长数据，移交给应用层。

数据链路层的数据帧格式为：

每帧包括两个字节的起始帧头，一个字节的地址，一个字节的帧类型，一个字节的帧编号，十个字节的数据和两个字节的校验和。无线通讯容易受到干扰，一次发送的数据越长，受干扰的可能性越大。所以应该把比较长的数据分成小的数据包分别发送。本系统每个数据包的有效数据长度为十个字节，原始数据不足时用0补足。

因为nRF401是高灵敏度的，在没有进行数据传输时，它的数据输出脚会有杂波输出，这些杂波会被MCU的串口接收并处理。nRF401的ANT1和ANT2引脚是接收时低噪声接收放大器LNA的输入，以及发送时发射功率放大器PA的输出。连接nRF401的天线可以以差分方式连接到nRF401，一个50Ω的单端天线也可以通过一个差分转换匹配网络连接到nRF401。四个字节的0xCC加一个字节的0xF0就可以确保在有效数据帧到达前双方通讯实现同步。为了区分干扰杂波与有效数据，需要数据帧加上帧头。因为干扰杂波基本是随机的，如果使用一个字节的帧头，则可能无法区分干扰和有效数据。因此本系统协议使用两个字节的帧头，为两个0x55。0x55加上起始位和停止位，实际发送的是0101010101，杂波产生连续两个0x55的概率很小很小，可以确保有效数据的确认。数据帧的类型包括抄表命令、正常返回数据、出错要求重发、仪表异常信号、正确接收确认等，用一个字节来标示以便接收方分类处理。因为将较长的数据分成短的数据帧发送，所以每帧需要一个编号，以便接收方检查是否丢帧。在十个字节的数据之后是校验和，使用16位crc校验，检验数据传输的正确性。接收方同样计算crc后与校验和比较，如果不同，即为传输中出现错误。接收方记下错误帧的编号，待全部数据发送完毕后，将错误编号返回，要求发送方重新发送这些帧。如果全部数据正常接收，则发回正确接收确认。

下层模块的应用层的功能是使仪表抄取与无线通讯相结合。对于不同的水表、电表或煤气表，可能有不同的抄取协议或抄取方法。应用层接收数据链路层发来的抄表命令，完成对仪表的抄取，并将数据打包发给数据链路层。上层模块的应用层负责与中心的链接。将中心发来的数据校验处理后转发给数据链路层，将数据链路层发来的抄表结果打包处理后发给中心。

因为协议是分层的，相邻层之间的联系只是调用发送接收函数，因此实现了各层是独立的。更换仪表或更换无线传输模块所需做的改动都不会影响其它层，提高了系统的灵活性。

4 系统的低功耗设计

系统中MSP430在等待时处于LPM1状态。在此状态下，Vcc=3V时工作电流低于50μA。系统中的485芯片使用MAXIM公司的MAX3485，在关断模式下，所需电流小于1μA。系统低功耗设计的重点是nRF401的控制。当它处于接收状态时，工作电流为10mA左右，如果始终处于接收状态，整个系统的功耗就会过大，电池的电量将会很快耗荆所以应尽量使nRF401处于休眠状态。但是休眠状态中的nRF401是无法收到数据的。为了解决这个矛盾，可使nRF401间歇性地工作在接收状态。nRF401从休眠到接收状态的转换时间为3ms，所以处于接收状态的时间不能少于3ms；因为nRF401处于接收状态，并且空中无有效信号时，会有杂波干扰，所以正常唤醒至少需要收到两个字节的唤醒码。因为本系统使用9600的波特率，发送两个字节，加起始位与停止位共20bit。所以接收时间为2.08ms。为了确保能够唤醒，应再适当延长。本系统使用8ms。处于休眠的时间因仪表抄送反映速度的要求而定。如仪表反映时间要求不严格，可加