CN218217686U - 一种单芯片节点设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种单芯片节点设备。该节点设备包括：一个主控芯片以及多个射频芯片；所述主控芯片通过多个串行外设接口分别与多个所述射频芯片通信；一个所述串行外设接口与一个所述射频芯片相对应；所述主控芯片运行嵌入式实时操作系统。本实用新型降低了成本及功耗，实现了数据的快速响应处理。

Description

一种单芯片节点设备

技术领域

本实用新型涉及芯片开发应用领域，特别是涉及一种单芯片节点设备。

背景技术

对电网重要一次设备的状态监测已经有近二十年的发展历程，这个过程中，百花齐放、百家争鸣，涌现出了无数的厂家和优秀的在线监测设备，为电力设备的正常运转进行保驾护航。

但是，各个厂家间，传感器监测数据上传方式多样，数据也不统一，导致不同厂家间设备无法实现互联互通。造成了一类传感器监测数据需要一个数据接收设备，一个变电站有数十个种类传感器，就有数十个数据接收单元，每个数据接收单元还需要和数据中心链接，这就造成了数据接收设备浪费，数据中心链接数量大，压力大。甚至设备升级维护也只能原厂家维护。

《输变电设备物联网节点设备无线组网协议》明确规范了边端设备间的无线通信标准。该标准的全面实施，促进了设备间的互联互通。

规范《输变电设备物联网节点设备无线组网协议》中的节点设备就是实现边端设备互联互通的重要纽带。协议中明确指出，节点设备在通信方面具备如下功能：

组网数据上传、组网数据下传、低功耗传感器数据交互、微功率业务数据接收以及微功率控制报文数据交互。

上述5类数据均保持常连接，即要求保持无线通信链路不能断开，每类数据连接均需要单独的射频芯片来处理，图1为节点设备数据交互拓扑图，如图1所示。

常规/以往厂家在实现节点设备时，采用如下方式：

厂家在实现节点设备时，采用了6个处理器，5个射频芯片来实现，其中，一个单片机/MCU和一个射频芯片构成一组通信模组，模组内，MCU和射频芯片采用SPI接口通信该模组实现一路节点通信链路的链路层数据。五个模组就实现了上述节点设备需要的5个独立无线通信链路。最后，由一个arm/MCU通过串口对上述五个通信模组的数据处理，即实现MAC层通信和部分网络层信息处理。Arm/MCU一般运行Linux操作系统。

因此，常规的节点设备存在如下缺陷：

成本较高：处理器价格在芯片中，相对价格较高，动则几十人民币，尤其是现在芯片危机下，一个国外大厂处理器一般价格在三四百人民币。6个处理器价格就是两千多人民币，这无疑大大提高了厂家的生产成本和芯片的浪费。

功耗较大：由于6个处理器需要一直运行，平均功耗大于10mA，整体的MCU运行功耗会大于100mA。占据设备功耗的2/3，整体功耗会大于5W。节点设备运行在输电线路上时，由于输电线路的在线监测设备能源来源于太阳能。设备功耗增加，意味着需要更大的太阳能板和更大的储能电池。按照5W的设备功耗，行业标准的储能电池60天无充电前提下的功能需求，需要600AH的储能电池，在价格和体积上均是一个巨大的挑战。

数据处理及时性较差：无线通信模组的数据收发通过主控arm/MCU完成，主控arm/MCU通过串口和模组MCU通信，整个通信时长约10ms，同时，主控MCU运行Linux系统，Linux非抢占式操作系统，整个通信延时时间不可控。综上所述，无线通信模组数据不能及时的数据收发，对一些对时间要求较高的通信数据，如传感器同步采集等，这个延时是非常致命的。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种单芯片节点设备，以解决常规的节点设备成本高、功耗大以及数据处理及时性差的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种单芯片节点设备，包括：一个主控芯片以及多个射频芯片；

所述主控芯片通过多个串行外设接口分别与多个所述射频芯片通信；一个所述串行外设接口与一个所述射频芯片相对应；

所述主控芯片运行嵌入式实时操作系统。

可选的，一个所述串行外设接口与一个所述射频芯片之间设有第一信号线以及第二信号线；

所述第一信号线用于实现射频芯片的快速休眠唤醒；所述快速休眠唤醒为休眠唤醒时间小于第一设定间隔的休眠唤醒行为；

所述第二信号线用于实现射频芯片中数据来临的快速中断；所述快速中断为中断时间小于第二设定间隔的终端行为。

可选的，所述嵌入式实时操作系统为Free RTOS；所述Free RTOS为抢占式实时操作系统。

可选的，所述射频芯片包括5个；所述串行外设接口包括5个。

可选的，所述单芯片节点设备的平均功耗为0.5W。

可选的，所述嵌入式实时操作系统的任务时间片为1ms。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：本实用新型提供了一种单芯片节点设备，只采用一个主控芯片与射频芯片进行通讯，与传统方案的6个处理器相比，大大降低了成本；且只运行单主控芯片，节省了5个控制芯片的功耗；此外，本实用新型的主控芯片运行嵌入式实时操作系统，任务时间片低，数据传输省掉了串口通信流程，节约了时间，及时数据处理，实现数据的快速响应处理。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为节点设备数据交互拓扑图；

图2为本实用新型所提供的单芯片节点设备结构图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种单芯片节点设备，降低了成本及功耗，实现了数据的快速响应处理。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图2为本实用新型所提供的单芯片节点设备结构图，如图2所示，一种单芯片节点设备，包括：一个主控芯片(图2中为主控ARM/MCU)以及多个射频芯片；所述主控芯片通过多个串行外设接口分别与多个所述射频芯片通信；一个所述串行外设接口与一个所述射频芯片相对应；所述主控芯片运行嵌入式实时操作系统。

在实际应用中，一个所述串行外设接口与一个所述射频芯片之间设有第一信号线(图2中为信号线1)以及第二信号线(图2中为信号线2)；所述第一信号线用于实现射频芯片的快速休眠唤醒；所述快速休眠唤醒为休眠唤醒时间小于第一设定间隔的休眠唤醒行为；所述第二信号线用于实现射频芯片中数据来临的快速中断；所述快速中断为中断时间小于第二设定间隔的终端行为。

在实际应用中，所述嵌入式实时操作系统为Free RTOS；所述Free RTOS为抢占式实时操作系统；所述嵌入式实时操作系统的任务时间片为1ms。

在实际应用中，所述射频芯片包括5个；所述串行外设接口包括5个。

在实际应用中，所述单芯片节点设备的平均功耗为0.5W。

本实用新型只采用了一个主控MCU，这个主控MCU分别和5个射频芯片分别采用5个串行外设接口(Serial Peripheral interface，SPI)通信，实现节点设备的5路无线链接，但由于一个MCU对应5个射频芯片，对主控MCU的外设资源、处理能力均由较高要求，同时MCU软件复度度会大幅度增加。

同时，射频芯片和主控MCU间采用了两条信号线连接，信号线分别实现射频芯片的快速休眠唤醒、数据来临的快速中断。

本实用新型主要具有如下优点：

成本更低：单主控MCU，价格是传统方案价格的1/4。

功耗更低：单主控MCU运行，相较于传统方案，节省5个MCU功耗。同时，组网数据的下行，传感器控制信道这两个无线链路在需要时工作，平时进行休眠，能节约更多功耗。本发明节点设备的平均功耗为0.5W。在输电线路上，实现60天无充电供能的要求下，需要储能电池可以低到60AH，相较于600AH电池，体积更小，成本更低，需要的太阳能板更小。

响应时间更快：首先，数据传输省掉了串口通信流程，节约时间约10MS；其次，操作系统任务时间片为1ms，根据任务优先级，实现数据的快速响应处理。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (6)

1.一种单芯片节点设备，其特征在于，包括：一个主控芯片以及多个射频芯片；

所述主控芯片通过多个串行外设接口分别与多个所述射频芯片通信；一个所述串行外设接口与一个所述射频芯片相对应；

所述主控芯片运行嵌入式实时操作系统。

2.根据权利要求1所述的单芯片节点设备，其特征在于，一个所述串行外设接口与一个所述射频芯片之间设有第一信号线以及第二信号线；

所述第一信号线用于实现射频芯片的快速休眠唤醒；所述快速休眠唤醒为休眠唤醒时间小于第一设定间隔的休眠唤醒行为；

所述第二信号线用于实现射频芯片中数据来临的快速中断；所述快速中断为中断时间小于第二设定间隔的终端行为。

3.根据权利要求1所述的单芯片节点设备，其特征在于，所述嵌入式实时操作系统为Free RTOS；所述Free RTOS为抢占式实时操作系统。

4.根据权利要求1所述的单芯片节点设备，其特征在于，所述射频芯片包括5个；所述串行外设接口包括5个。

5.根据权利要求1所述的单芯片节点设备，其特征在于，所述单芯片节点设备的平均功耗为0.5W。

6.根据权利要求1所述的单芯片节点设备，其特征在于，所述嵌入式实时操作系统的任务时间片为1ms。

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