CN205039810U - 无线通信电路和用该电路制成的计量仪表 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无线通信电路，包括电源与接口电路、控制器和控制器电路、信号调制电路、天线阻抗匹配电路和天线；电源与接口电路与控制器连接，用于给控制器提供电源，并将控制器与外界通讯提供接口电路；信号调制电路与控制器连接，用于将控制器发出的信号进行调制；天线阻抗匹配电路与信号调制电路连接，用于对调制后的电路信号进行滤波和阻抗匹配；天线与天线阻抗匹配电路连接，用于将最终的调制信号进行发送；本实用新型还公开了包含所述无线通信电路的计量仪表。本实用新型由于采用一路串行外设接口电路和计量仪表的控制芯片通信，因此能够嵌入已有的计量仪表并将数据通过无线发送；本实用新型电路简单，成本低廉，占用的资源较少。

Description

无线通信电路和用该电路制成的计量仪表

技术领域

本实用新型具体涉及一种无线通信电路和用该电路制成的计量仪表。

背景技术

随着智慧城市和能源互联网概念的兴起，无线通讯已经越来越普及，现在能源计量远程监测与控制也逐渐演变成一种趋势。现在已经使用的居民能量计量仪表，绝大多数暂不支持数据远传。而现有的无线通信电路，往往电路复杂，且成本较高，嵌入计量仪表时，而且需要占用能量计量仪表的控制芯片较多资源。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于提供一种电路简单、成本低廉、且占用控制芯片资源较少的无线通信电路。

本实用新型的目的之二在于提供一种应用所述的无线通信电路制成的计量仪表。

本实用新型提供的这种无线通信电路，包括电源与接口电路、控制器电路、信号调制电路、天线阻抗匹配电路和天线；电源与接口电路与控制器连接，用于给控制器提供电源，并将控制器与外界通讯提供接口电路；信号调制电路与控制器连接，用于将控制器发出的信号进行调制；天线阻抗匹配电路与信号调制电路连接，用于对调制后的电路信号进行滤波和阻抗匹配；天线与天线阻抗匹配电路连接，用于将最终的调制信号进行发送。

所述的控制器与外界通讯的接口电路为串行外设接口电路。

所述的信号调制电路的工作频率为433MHz。

所述的电源与接口电路包含第一滤波电容和第一隔离电感；电源与接口电路主要是隔离主芯片数字电源和模拟电源，第一隔离电感连接在数字电源和模拟电源之间，第二滤波电容并联在模拟电源和地线之间；接口电路通过串行外设接口与外部进行通信。

所述的控制器电路包括第一主芯片、第一晶振、第一基准电阻、第二滤波电容和第三滤波电容；主芯片的17号引脚通过第一基准电阻接地；主芯片的8号和10号引脚与第一晶振连接，主芯片的14、15号引脚通过第二滤波电容与地连接；主芯片的5号引脚通过第三滤波电容与地连接。

所述的信号调制电路包括第一一阶电感-电容滤波器、第二一阶电感-电容滤波器、第一换相电容和第一稳压管；信号调制线路与控制器通过射频负极信号和射频正极信号连接，并通过一路信号与后端所述的天线阻抗匹配电路连接；当控制器处于接收模式时，所述的天线阻抗匹配电路输出433MHz信号，通过并联的第一一阶电感-电容滤波器后输入控制器的射频负极信号，同时经过第一换相电容换相后，同样通过并联的第二一阶电感-电容谐振滤波器后，输入控制器的射频正极；控制器内部接收器收到的两路信号相差第一换相电容的相位角，第一稳压管用于稳定控制器的射频正极信号为0.75V。

所述的天线阻抗匹配电路包括π型滤波器和电感-电容滤波器。

所述的天线阻抗匹配电路包括第一π型滤波器、第一电感-电容谐振滤波器、第一高频耦合电容、第一阻抗调节电容和第一保护管；依据天线阻抗50Ω的匹配原则，利用第一π型滤波器进行阻抗匹配，既可以增大天线增益，减少信号反射系数，又可以实现滤波的功能；第一电感-电容谐振滤波器共有两组，包括第一谐振电感、第一谐振电容组成的第一组电感-电容谐振滤波器，以及由第二谐振电感、第二谐振电容组成的第二组电感-电容谐振滤波器；第一电感-电容谐振滤波器和第一高频耦合电容用于减少信号耦合和天线噪声；第一阻抗调节电容用于调节天线阻抗匹配电路的阻抗特性，使与外置的天线进行阻抗匹配；第一保护管用于电路的静电和信号保护。

所述的信号调制电路的工作频率为915MHz。

所述的电源与接口电路包含第二隔离电感和第四滤波电容；电源与接口电路主要是隔离主芯片数字电源和模拟电源两种供电电源，第二隔离电感连接在数字电源和模拟电源之间，第四滤波电容并联在模拟电源和地线之间；接口电路通过串行外设接口与外部进行通信。

所述的控制器电路包括第二主芯片、第二晶振、第二基准电阻、第五滤波电容和第六滤波电容；第二主芯片的17号引脚通过第二基准电阻接地；第二主芯片的8号和10号引脚与晶振连接，第二主芯片的14、15号引脚通过第五滤波电容与地连接，第二主芯片的第5号引脚通过第六滤波电容与地连接。

所述的信号调制电路包括差分信号T型滤波器、第一一阶振荡滤波电路、第二一阶振荡滤波器、第七滤波电容、储能电容和二极管；信号调制线路与控制器通过射频负极信号和射频正极信号连接，并通过一路信号与后端所述的天线阻抗匹配电路连接；当控制器处于接收模式时，所述的天线阻抗匹配电路输出915MHz信号，通过并联的第一一阶振荡滤波器后，和串联的第二一阶振荡滤波器后，形成一组有相位角差的差分信号，相位角的差值与所述的串联的第二一阶振荡滤波器的电容容值有关；该差分信号再经过一组差分信号T型滤波器后分别输入到射频负极和射频正极；当控制器处于发送模式时，差分信号分别经过一个差分信号T型滤波器和第一一阶振荡滤波器之后，信号输出到天线阻抗匹配电路，二极管为射频发送大电流整流二极管。

所述的天线阻抗匹配电路包括T型滤波器和谐振滤波器。

所述的天线阻抗匹配电路包括T型滤波器、第八滤波电容、第九滤波电容、高频耦合电容、阻抗调节电感和第二稳压管；T型滤波器依据天线阻抗50Ω匹配原则，既可以增大天线的增益，减少信号反射系数，又可以实现接收和发送无线信号的滤波；第八滤波电容、第九滤波电容的截止频率为1.1GHz，抑制天线高频谐波干扰；高频耦合电容用于无线915MHz信号的耦合，减少天线噪声对射频接收电路的影响；阻抗调节电感用于调节50Ω阻抗特性，使其与外置天线的阻抗50Ω达到匹配，同时该电感也用于无线915MHz信号低通滤波；第二稳压管用于保护电路器件。

一种应用所述的无线通信电路制成的计量仪表，该计量仪表能够通过所述的无线通信电路与外接件进行无线通信，方便采用无线通信的方式进行数据采集。

本实用新型提供的这种无线通信电路，仅通过一路串行外设接口便能接收数据，因此本实用新型能够与任何具备串行外设接口的控制芯片连接并接收所需的数据，同时通过无线通信的方式向外发送数据；本实用新型通用性好，电路简单，成本低廉，占用的资源较少。

本实用新型由于仅采用了一路串行外设接口电路和计量仪表的控制芯片通信，因此本实用新型能够嵌入已有的计量仪表中，仅占用计量仪表控制芯片的一路串行外设接口资源，便能实现计量仪表的数据通过无线发送；本实用新型电路简单，成本低廉，占用的资源较少。

附图说明

图1为本实用新型的功能模块图。

图2为本实用新型的工作频率为433MHz时的电源与接口电路的电路原理图。

图3为本实用新型的工作频率为433MHz时的控制器电路的电路原理图。

图4为本实用新型的工作频率为433MHz时的信号调制电路的电路原理图。

图5为本实用新型的工作频率为433MHz时的天线阻抗匹配电路的电路原理图。

图6为本实用新型的工作频率为915MHz时的电源与接口电路的电路原理图。

图7为本实用新型的工作频率为915MHz时的控制器电路的电路原理图。

图8为本实用新型的工作频率为915MHz时的信号调制电路的电路原理图。

图9为本实用新型的工作频率为915MHz时的天线阻抗匹配电路的电路原理图。

具体实施方式

如图1所示为本实用新型的功能模块图：包括电源与接口电路、控制器、信号调制电路、天线阻抗匹配电路和天线；电源与接口电路与控制器连接，用于给控制器提供电源，并将控制器与外界通讯提供接口电路，接口电路为通用的串行外设接口（SPI接口）；信号调制电路与控制器连接，用于将控制器发出的信号进行调制；天线阻抗匹配电路与信号调制电路连接，用于对调制后的电路信号进行滤波和阻抗匹配；天线与天线阻抗匹配电路连接，用于将最终的调制信号进行发送。

如图2所示为本实用新型的工作频率为433MHz时的电源与接口电路的电路原理图：电源与接口电路包含滤波电容（图中标示C9、C10和C14）和隔离电感（图中标示L8）；电源与接口电路主要是隔离主芯片数字电源（图中标示VDD）和模拟电源（图中标示VCC），隔离电感连接在数字电源和模拟电源之间，滤波电容并联在模拟电源和地线之间。

如图3所示为本实用新型的工作频率为433MHz时的控制器电路的电路原理图：包括主芯片（图中标示D1）、晶振（图中标示XL1）、基准电阻(图中标示R1)和滤波电容（图中标示C8、C14、C15）；主芯片的17号引脚通过基准电阻接地；主芯片的XOSC1和XOSC2引脚与晶振连接，主芯片的14、15号引脚通过滤波电容C14与地连接；主芯片的5号引脚通过滤波电容与地连接。

主控芯片采用CC110L型号的芯片。

主芯片工作频段是315/433MHz的ISM/SRD频段，符合频率范围25MHz~1GHz之间，传输功率在500mW（27dBm）以内的技术规范。

主芯片内部集成调制解调器，支持多种调制格式，如2-FSK、4-FSK、GFSK和OOK等，具有高达200kbps的可配置通信数据速率。

主芯片内部集成自动增益运算放大器，通信速率范围是0.6kbps至200kbps，接收灵敏度低至-108dBm（在0.6kbps数据速率下）。

主芯片内部集成可编程输出功率放大器，最大发射功率可到+12dBm。

主芯片内部集成MCU内核，支持CRC自动校验，拥有64个字节接收和发送FIFO、4个字节的接收缓存器、4个字节的发送缓存器，支持应用接口自定义开发，支持分组处理、数据缓冲和突发传输等功能。

主芯片外部晶体采用26-27MHz，精度为±20ppm，无需外部匹配电容器的晶体，芯片内部匹配负载电容器2.5pF。

如图4所示为本实用新型的工作频率为433MHz时的信号调制电路的电路原理图：信号调制电路包括第一电容（图中标示C5）、第二电容（图中标示C6）、第三电容（图中标示C7）、第一电感（图中标示L3）、第二电感（图中标示L4）和稳压管（图中标示V2）；信号调制线路与控制器通过射频负极信号（图中标示RFN）和射频正极信号（图中标示RFP）连接，并通过一路信号（图中标示ANT）与后端所述的天线阻抗匹配电路连接；当控制器处于接收模式时，所述的天线阻抗匹配电路输出433MHz信号，通过并联一阶电感-电容滤波器后输入控制器的射频负极信号，同时经过电容器换相后，同样通过并联的一阶电感-电容谐振滤波器后，输入控制器的射频正极；控制器内部接收器收到的两路信号相差第一电容的相位角，稳压管用于稳定控制器的射频正极信号为0.75V。

如图5所示为本实用新型的工作频率为433MHz时的天线阻抗匹配电路的电路原理图：天线阻抗匹配电路包括π型滤波器（图中标示C3、C4和L1）、电感-电容谐振滤波器（图中标示C2、C12、L2和L9）、高频耦合电容（图中标示C11）、阻抗调节电容器（图中标示C1）和保护管（图中标示V1）；依据天线阻抗50Ω的匹配原则，利用π型滤波器进行阻抗匹配，既可以增大天线增益，减少信号反射系数，又可以实现滤波的功能；电感-电容谐振滤波器共有两组，包括第一谐振电感（图中标示L2）、第一谐振电容（图中标示C12）组成的第一组电感-电容谐振滤波器，以及由第二谐振电感（图中标示L9）、第二谐振电容（图中标示C2）组成的第二组电感-电容谐振滤波器；电感-电容谐振滤波器和高频耦合电容用于减少信号耦合和天线噪声；阻抗调节电容器用于调节天线阻抗匹配电路的阻抗特性，使与外置的天线进行阻抗匹配；保护管用于电路的静电和信号保护。

如图6所示为本实用新型的工作频率为915MHz时的电源与接口电路的电路原理图：电源与接口电路包含隔离电感（图中标示L28）、滤波电容（图中标示C211、C212），电源与接口电路主要是隔离主芯片数字电源（图中标示VDD）和模拟电源（图中标示VCC）两种供电电源，隔离电感连接在数字电源和模拟电源之间，滤波电容并联在模拟电源和地线之间。

如图7所示为本实用新型的工作频率为915MHz时的控制器电路的电路原理图：包括主芯片（图中标示D21）、晶振（图中标示XL21）、基准电阻(图中标示R21)和滤波电容（图中标示C28、C214、C215）；主芯片的17号引脚通过基准电阻接地；主芯片的XOSC1和XOSC2引脚与晶振连接，主芯片的14、15号引脚通过滤波电容与地连接；主芯片的5号引脚通过滤波电容与地连接。

主控芯片采用CC110L型号的芯片。

主芯片工作频段是868/915MHz的ISM/SRD频段，符合频率范围25MHz~1GHz之间，传输功率在500mW（27dBm）以内的技术规范，该电路是CC1101收发器芯片的升级版本。

主芯片内部集成调制解调器，支持多种调制格式，如2-FSK、4-FSK、GFSK、MSK和OOK等，具有高达600kbps的可配置通信数据速率。

主芯片内部集成自动增益运算放大器，通信速率范围是0.6kbps至600kbps，接收灵敏度低至-116dBm（在0.6kbps数据速率下）。

主芯片内部集成可编程输出功率放大器，最大发射功率可到+20dBm。

主芯片内部集成MCU内核，支持CRC自动校验，拥有64个字节接收和发送FIFO、4个字节的接收缓存器、4个字节的发送缓存器，支持应用接口自定义开发，支持分组处理、数据缓冲和突发传输等功能。

主芯片外部晶体采用26-27MHz±20ppm，无需外部匹配电容器的晶体，芯片内部匹配负载电容器2.5pF。

如图8所示为本实用新型的工作频率为915MHz时的信号调制电路的电路原理图：信号调制电路包括一组差分信号T型滤波器（图中标示L24、L26和C28）、两组一阶振荡滤波电路（图中标示L25、L27、C26和C27）、滤波电容（图中标示C29）、储能电容（图中标示C215）和二极管V22；信号调制线路与控制器通过射频负极信号（图中标示2RFN）和射频正极信号（图中标示2RFP）连接，并通过一路信号（图中标示2ANT）与后端所述的天线阻抗匹配电路连接；当控制器处于接收模式时，所述的天线阻抗匹配电路输出915MHz信号，通过并联一阶电感-电容谐振滤波器（图中标示L5、C6）后，和串联的一阶电感-电容谐振滤波器（图中标示L7、C7）后，形成一组有相位角差的差分信号，相位角的差值与所述的串联一阶电感-电容谐振滤波器的电容（图中标示C7）容值有关；该差分信号再经过一组差分信号T型滤波器后分别输入到射频负极和射频正极；当控制器处于发送模式时，差分信号分别经过一个二阶T型滤波器和一阶电感-电容谐振滤波器之后，信号输出到天线阻抗匹配电路，二极管为射频发送大电流整流二极管。

如图9所示为本实用新型的工作频率为915MHz时的天线阻抗匹配电路的电路原理图：天线阻抗匹配电路包括T型滤波器（图中标示L23、L22和C25）、滤波器（图中标示C22、L21）、高频耦合电容（图中标示C23、C24）、阻抗调节电感（图中标示L29）和稳压管（图中标示V21）；T型滤波器依据天线阻抗50Ω匹配原则，既可以增大天线的增益，减少信号反射系数，又可以实现接收和发送无线信号的滤波；滤波器的截止频率为1.1GHz，抑制天线高频谐波干扰；高频耦合电容用于无线915MHz信号的耦合，减少天线噪声对射频接收电路的影响；阻抗调节电感用于调节50Ω阻抗特性，使其与外置天线的阻抗50Ω达到匹配，同时该电感也用于无线915MHz信号低通滤波。

本实用新型提供的无线通信电路，能够与任何具备串行外设接口的控制芯片连接并接收所需的数据，同时通过无线通信的方式向外发送数据；因此本实用新型适用于任何采用具备串行外设接口的控制芯片作为主控芯片的装置，并且能够将该装置的数据以无线通信的方式向外发送。

特别地，本实用新型提供的无线通信电路，也适用于能量计量行业。由于仅采用了一路串行外设接口电路和计量仪表的控制芯片通信，因此本实用新型能够嵌入已有的计量仪表中，仅占用计量仪表控制芯片的一路串行外设接口资源，便能实现计量仪表的数据通过无线发送；本实用新型电路简单，成本低廉，占用的资源较少。

Claims (15)

1.一种无线通信电路，其特征在于包括电源与接口电路、控制器和控制器电路、信号调制电路、天线阻抗匹配电路和天线；电源与接口电路与控制器连接，用于给控制器提供电源，并将控制器与外界通讯提供接口电路；信号调制电路与控制器连接，用于将控制器发出的信号进行调制；天线阻抗匹配电路与信号调制电路连接，用于对调制后的电路信号进行滤波和阻抗匹配；天线与天线阻抗匹配电路连接，用于将最终的调制信号进行发送。

2.根据权利要求1所述的无线通信电路，其特征在于所述的控制器与外界通讯的接口电路为串行外设接口电路。

3.根据权利要求1或2所述的无线通信电路，其特征在于所述的信号调制电路的工作频率为433MHz。

4.根据权利要求3所述的无线通信电路，其特征在于所述的电源与接口电路包含第一滤波电容和第一隔离电感；电源与接口电路主要是隔离主芯片数字电源和模拟电源，第一隔离电感连接在数字电源和模拟电源之间，第二滤波电容并联在模拟电源和地线之间。

5.根据权利要求3所述的无线通信电路，其特征在于所述的控制器电路包括第一主芯片、第一晶振、第一基准电阻、第二滤波电容和第三滤波电容；主芯片的17号引脚通过第一基准电阻接地；主芯片的8号和10号引脚与第一晶振连接，主芯片的14、15号引脚通过第二滤波电容与地连接；主芯片的5号引脚通过第三滤波电容与地连接。

6.根据权利要求3所述的无线通信电路，其特征在于所述的信号调制电路包括第一一阶电感-电容滤波器、第二一阶电感-电容滤波器、第一换相电容和第一稳压管；信号调制线路与控制器通过射频负极信号和射频正极信号连接，并通过一路信号与后端所述的天线阻抗匹配电路连接；当控制器处于接收模式时，所述的天线阻抗匹配电路输出433MHz信号，通过并联的第一一阶电感-电容滤波器后输入控制器的射频负极信号，同时经过第一换相电容换相后，同样通过并联的第二一阶电感-电容谐振滤波器后，输入控制器的射频正极；控制器内部接收器收到的两路信号相差第一换相电容的相位角，第一稳压管用于稳定控制器的射频正极信号为0.75V。

7.根据权利要求3所述的无线通信电路，其特征在于所述的天线阻抗匹配电路包括π型滤波器和电感-电容滤波器。

8.根据权利要求3所述的无线通信电路，其特征在于所述的天线阻抗匹配电路包括第一π型滤波器、第一电感-电容谐振滤波器、第一高频耦合电容、第一阻抗调节电容和第一保护管；依据天线阻抗50Ω的匹配原则，利用第一π型滤波器进行阻抗匹配，既可以增大天线增益，减少信号反射系数，又可以实现滤波的功能；第一电感-电容谐振滤波器共有两组，包括第一谐振电感、第一谐振电容组成的第一组电感-电容谐振滤波器，以及由第二谐振电感、第二谐振电容组成的第二组电感-电容谐振滤波器；第一电感-电容谐振滤波器和第一高频耦合电容用于减少信号耦合和天线噪声；第一阻抗调节电容用于调节天线阻抗匹配电路的阻抗特性，使与外置的天线进行阻抗匹配；第一保护管用于电路的静电和信号保护。

9.根据权利要求1或2所述的无线通信电路，其特征在于所述的信号调制电路的工作频率为915MHz。

10.根据权利要求9所述的无线通信电路，其特征在于所述的电源与接口电路包含第二隔离电感和第四滤波电容；电源与接口电路主要是隔离主芯片数字电源和模拟电源两种供电电源，第二隔离电感连接在数字电源和模拟电源之间，第四滤波电容并联在模拟电源和地线之间。

11.根据权利要求9所述的无线通信电路，其特征在于所述的控制器电路包括第二主芯片、第二晶振、第二基准电阻、第五滤波电容和第六滤波电容；第二主芯片的17号引脚通过第二基准电阻接地；第二主芯片的8号和10号引脚与晶振连接，第二主芯片的14、15号引脚通过第五滤波电容与地连接，第二主芯片的第5号引脚通过第六滤波电容与地连接。

12.根据权利要求9所述的无线通信电路，其特征在于所述的信号调制电路包括差分信号T型滤波器、第一一阶振荡滤波电路、第二一阶振荡滤波器、第七滤波电容、储能电容和二极管；信号调制线路与控制器通过射频负极信号和射频正极信号连接，并通过一路信号与后端所述的天线阻抗匹配电路连接；当控制器处于接收模式时，所述的天线阻抗匹配电路输出915MHz信号，通过并联的第一一阶振荡滤波器后，和串联的第二一阶振荡滤波器后，形成一组有相位角差的差分信号，相位角的差值与所述的串联的第二一阶振荡滤波器的电容容值有关；该差分信号再经过一组差分信号T型滤波器后分别输入到射频负极和射频正极；当控制器处于发送模式时，差分信号分别经过一个差分信号T型滤波器和第一一阶振荡滤波器之后，信号输出到天线阻抗匹配电路，二极管为射频发送大电流整流二极管。

13.根据权利要求9所述的无线通信电路，其特征在于所述的天线阻抗匹配电路包括T型滤波器和谐振滤波器。

14.根据权利要求9所述的无线通信电路，其特征在于所述的天线阻抗匹配电路包括T型滤波器、第八滤波电容、第九滤波电容、高频耦合电容、阻抗调节电感和第二稳压管；T型滤波器依据天线阻抗50Ω匹配原则，既可以增大天线的增益，减少信号反射系数，又可以实现接收和发送无线信号的滤波；第八滤波电容、第九滤波电容的截止频率为1.1GHz，抑制天线高频谐波干扰；高频耦合电容用于无线915MHz信号的耦合，减少天线噪声对射频接收电路的影响；阻抗调节电感用于调节50Ω阻抗特性，使其与外置天线的阻抗50Ω达到匹配，同时该电感也用于无线915MHz信号低通滤波；第二稳压管用于保护电路器件。

15.一种计量仪表，其特征在于包括权利要求1~14之一所述的无线通信电路。