羅永剛，鄒志遠

(1.山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255000；2.山東淄博貝林電子有限公司，山東 淄博 255000)

目前，我國城市居民的水表和熱量表數(shù)據(jù)基本上都是人工抄收，然后月底結算。這種方式不僅要消耗大量的人力物力，而且抄收時間長、精度低，不利于管理部門實時掌握用戶的用水或用熱情況，因此需要一種智能的抄表系統(tǒng)，完成對表內數(shù)據(jù)的實時采集[1]。集中器在抄表系統(tǒng)中占有非常重要的地位，現(xiàn)有市場上的集中器大部分帶負載能力差，每個通信線路負載帶有60個，一個集中器有2路MBUS最多帶120個表。隨著高層建筑越來越多，每戶使用的表計數(shù)量不斷增加，集中器帶負載能力差的缺點越來越突出，這大大增加了抄表系統(tǒng)的設備成本，因此設計一種帶負載能力強的集中器非常有必要。本文設計的集中器帶有4路MBUS總線，每路至少可帶100個負載。

1 集中器工作原理

集中器主要完成定時抄表和直抄兩個功能。定時抄表是指集中器在設定抄表時間啟動抄表程序，并把抄收的數(shù)據(jù)存儲到外部存儲器中，等待上位機查詢。直抄是指當集中器接收到來自上位機的抄表命令之后立刻開始抄收指定地址的表計，將抄收的表數(shù)據(jù)返回給上位機。圖1是集中器系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)主要由主控制器、時鐘模塊、電源模塊、GPRS模塊、RS485模塊、MBUS主站模塊、存儲模塊組成。主控制器采用PIC16F946,該芯片有10位8通道的A/D轉換器;2個帶8位可編程可預分頻的8位定時器/計數(shù)器和1個16位增強型的定時器/計數(shù)器;2個捕捉、比較和PWM模塊;寬工作電壓范圍[2]。系統(tǒng)中時鐘模塊為系統(tǒng)提供時間,以便于定時抄表。GPRS模塊提供集中器和上位機的無線通信，RS485電路用來完成集中器的級聯(lián)功能，當集中器與集中器距離很近時，通過RS485總線完成級聯(lián)，共用一個GPRS模塊，以便節(jié)省成本。存儲模塊用于存儲抄表數(shù)據(jù)信息及系統(tǒng)參數(shù)。4路MBUS主站模塊用于集中器和表計連接，完成對表計的數(shù)據(jù)抄收。

圖1 集中器系統(tǒng)框圖

2 MBUS總線

由于水表或者熱量表都是電池供電，為了延長電池使用壽命，表內主電路使用光電隔離器與通信電路隔離。通信電路由總線供電。水表或熱表抄表系統(tǒng)通信大部分采用MBUS總線，它是一種二線制無序總線，既給表計提供電源又用來傳輸信號,大大節(jié)省了布線成本。圖2是MBUS總線連接圖,通信系統(tǒng)分為從站和主站，從站并接到總線上。

圖2 MBUS總線連接圖

MBUS總線協(xié)議規(guī)定了通信協(xié)議的物理層，對其他通信層沒有涉及。它是一種半雙工通信總線,通信時采用主從方式。MBUS總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位定義如下:(1)由主站向從站傳輸?shù)男盘柌捎秒妷褐档淖兓瘉肀硎?即主站向從站發(fā)送的數(shù)據(jù)碼流是一種電壓脈沖序列,用+36 V表示邏輯1，用+24 V表示邏輯 0。在穩(wěn)態(tài)時,線路將保持邏輯1狀態(tài),圖3(a)所示是由主站向終端從站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼流圖。(2)從站向主站傳輸?shù)男盘柌捎秒娏髦档淖兓瘉肀硎?即由從站向主站發(fā)送的數(shù)據(jù)碼流是一種電流脈沖序列,通常用1.5 mA的電流值表示邏輯1,當傳輸0時,由從站控制使電流值增加 11～20 mA。圖3(b)所示是由從站向主站傳輸數(shù)據(jù)的碼流圖[3]。

3 主站信號收發(fā)電路

由于總線需要給從站節(jié)點供電，因此電源需要有足夠的驅動能力。如果每個節(jié)點消耗2～3 mA，當100個節(jié)點時需要的電流在 0.2～0.3 A。

圖3 MBUS物理層信號

系統(tǒng)采用12 V直流供電,通過LM7805降壓到5 V直流；將12 V直流升壓到36 V,通過78M24得到24 V。升壓電路采用電壓芯片F(xiàn)P5138，配合幾個元器件就可以升壓到36 V。該芯片輸入電壓1.8～15 V。提供高精度的電壓輸出，輸出誤差在 2%以內。工作頻率在 50 kHz～1 MHz,并且有短路保護功能。

升壓電路如圖4所示，OUT引腳為PWM波形輸出，直接驅動MOS管；FB引腳為電壓反饋輸入；CTL引腳為輸出電流大小控制，電阻越大，輸出電流越小，當斷開時，芯片不工作，可以用該電阻控制芯片處于正常工作模式或待機模式；SCP引腳外接電容電阻來決定內部振蕩頻率；COMP引腳用來對內部比較器補償；COSC引腳連接電容，用于電源的軟啟動，系統(tǒng)上電后開始給電容C2充電，當充電電壓到達0.8 V時，引腳OUT開始輸出。圖4中輸出電壓為:

集中器的主要功能是通過MBUS總線連接智能表計，采集儀表內存儲的數(shù)據(jù)，因此能否正確與表計通信是整個系統(tǒng)的核心。發(fā)送電路如圖5所示。

圖5中，Vout為12 V直流升壓后得到的35 V直流，然后通過78M24轉換為24 V。TXD為單片機串行口發(fā)送引腳，當TXD為高電平時，三極管Q102導通，場效應管Q105導通，總線上輸出35 V直流，為邏輯高電平。當TXD為低電平時，Q102不導通而 Q105截止，24 V直流經(jīng)過D102連接總線，總線為邏輯低電平。MBUS采用兩線制，MBUS發(fā)送電路接一根線，另外一根線連接MBUS接收電路。

圖4 升壓電路

圖5 MBUS主站信號發(fā)送電路

MBUS從站到主站發(fā)送的數(shù)據(jù)碼流是一種電流脈沖序列。邏輯1對應的最大電流可達到1.5 mA的穩(wěn)態(tài)電流，邏輯0對應的電流是在邏輯1對應的穩(wěn)態(tài)電流基礎上額外增加11～20 mA。如何識別電流脈沖序列是成功接收從機回傳數(shù)據(jù)的關鍵。

MBUS接收電路如圖6所示。接收電路中MBUS總線經(jīng)過R5、R6電阻分壓之后連接到單片機的AD1引腳，單片機通過測量分壓點的電壓得到穩(wěn)態(tài)時比較器反相端2引腳的電壓。比較器的同相端3引腳連接電容然后通過R1連接單片機的PWM引腳，并通過電阻R2、R3分壓后接單片機的AD2引腳，用于測量比較器同相端3引腳的電壓。

圖6 MBUS主站信號接收電路

系統(tǒng)上電后，總線給從機通信電路供電，由于負載的個數(shù)以及負載的特性等原因,在R7上的壓降會有所不同，這也是很多MBUS接收電路當負載特性或個數(shù)有變化時不能正確抄收數(shù)據(jù)的原因。該電路上電后，先測量R4與R7之間的電壓，計算出比較器2引腳的電壓。然后控制PWM輸出給電容C1充電，并不斷采集AD2點的電壓，使比較器3引腳電壓大于比較器2引腳電壓，而略小于當總線中傳輸數(shù)字0時比較器2引腳的電壓。該電壓作為比較器的基準電壓?；鶞孰妷焊鶕?jù)AD1點的電壓不同而不同，建立一個表格存儲到單片機存儲器中，以備查詢。當從站返回電流脈沖序列時，改變了比較器2引腳的電壓，通過與基準電壓相比較，OUT1引腳輸出電壓脈沖序列。經(jīng)過電平轉換為0～5 V信號后，接單片機的串口接收引腳。由于軟件根據(jù)AD1點的電壓實時調整比較器3引腳的基準電壓，使該接收電路適應能力大大增強[4]。

在通信過程中，因為AD1點電壓值不斷改變，因此當集中器通過總線向表計發(fā)送數(shù)據(jù)前，停止AD1點的電壓采樣。當接收到從站數(shù)據(jù)返回之后，重新啟動對AD1點的電壓采樣。每隔1 s根據(jù)AD1點不同的電壓，更新一次基準電壓。

4 從站信號收發(fā)電路

從站MBUS信號的收發(fā)主要由集成芯片TSS721A完成。TSS721A是TI公司專為MBUS總線開發(fā)的從站收發(fā)芯片,執(zhí)行異步半雙工通信協(xié)議,波特率最大為9 600 b/s。發(fā)送器的通信電流大小可通過電阻編程來調節(jié)。如圖7所示，JP1連接MBUS總線，VDD引腳輸出3.3 V電壓。當總線有數(shù)據(jù)到來時，芯片將識別電壓脈沖序,從TX引腳輸出數(shù)字信號，然后通過光電隔離器隔離后，連接單片機的串口接收引腳RXD1。當從站發(fā)送數(shù)據(jù)時，信號從單片機串口發(fā)送引腳TXD1輸出，通過隔離后連接到TSS721A的接收引腳RX,然后通過TSS721A內部轉換為電流脈沖序列輸出。

圖7 從站收發(fā)電路

5 無線GPRS通信

GPRS模塊采用深圳有方的M590E,它是一款多功能無線通信模塊，支持 GSM850/1 900 MHz頻段,支持頻段自動選擇，支持標準的AT指令和增強的AT指令。內嵌TCP/IP協(xié)議,具有語音短消息和無線通信功能。M590E與單片機通過串口連接，只需要通過簡單的AT指令就可以完成對模塊的初始化和數(shù)據(jù)的傳輸。通信過程可以分為兩部分，一部分是初始化過程，第二是輸出傳輸過程。系統(tǒng)上電后，先給模塊ON/OFF管腳輸入低電平并保持電平300 ms以上，這時模塊開始啟動，模塊串口會輸出“MODEM STARTUP”提示,然后模塊 ON/OFF管腳輸入高電平或者懸空。這時模塊開始正常工作，輸入“AT”指令，通過回碼判斷模塊是否已經(jīng)工作。然后開始初始化工作，以下是初始化和數(shù)據(jù)發(fā)送的步驟：

(1)at+csq模塊信號強度;

(2)at+ccid模塊是否識別到SIM卡;

(3)at+cgsn查詢模塊的IMEI;

(4)at+creg?查詢模塊是否注冊上網(wǎng)絡;

(5)at+xisp=0設置模塊用內部協(xié)議棧;

(6)at+cgdcont=1,"ip","cmnet"設置模塊的APN;

(7)at+xiic=1建議PPP連接;

(8)at+xiic?查詢模塊分配到的IP地址;

(9)at+tcpsetup=0,222.134.87.126,5000連接服務;

(10)at+tcpsend=0,20請求發(fā)送20個字節(jié)的數(shù)據(jù)包;

(11)1234567890098764321發(fā)送數(shù)據(jù)[5]。

在實際應用中，如果服務器發(fā)命令通過GPRS傳輸?shù)竭_集中器，然后集中器把命令通過MBUS總線轉發(fā)給表計，表計數(shù)據(jù)按照原路返回，這樣通信會有很大延時，因此正常集中器工作在定時抄收模式。集中器中設計有時鐘電路，給集中器設置抄表時間以及該集中器管理的表計表號，當?shù)竭_抄表時間時，開始抄收該集中器管理的表計，然后存儲到數(shù)據(jù)存儲器中，服務器讀取的是數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)。

集中器電路中還有時鐘模塊和RS485模塊，這些電路都是常用的電路。時鐘模塊采用PCF8563，給整個系統(tǒng)提供日歷時鐘服務。RS485采用MAX485芯片完成集中器的級聯(lián)。詳細電路不再敘述。

本文介紹了集中器的工作原理以及MBUS總線的特點，著重闡述了MBUS收發(fā)電路以及電源電路。由于系統(tǒng)根據(jù)MBUS穩(wěn)態(tài)電壓動態(tài)地調整比較器基準電壓，從而避免了由于負載個數(shù)或負載特性導致的MBUS負端壓降變化的弊端，使接收電路的適應性大大增強。本設計已經(jīng)在抄表系統(tǒng)中應用，運行表明該設計穩(wěn)定性好，可靠性高，收到了良好的效果。

[1]張愷，李祥珍，張晶.自動抄表系統(tǒng)應用模式的探討[J].電網(wǎng)技術，2008,25(5):42-33.

[2]PIC16F系列參考手冊.MICROCHIP Technology Inc[Z].2008.

[3]楊景民，宋延民，裴君，等.基于 M-BUS接口電路的研究[J].天津職業(yè)技術師范大學學報，2011,3(21):24-27.

[4]譚立志，吳桂清，宋愛國，等.基于 M-Bus的數(shù)據(jù)集中器的設計[J].低壓電器，2012(14):43-46.

[5]深圳市有方科技有限公司.M590E資料手冊[Z].2008.