陶淦 石靖峰 何成軍 林文濤 趙曉青 武景濤

摘要：? 針對(duì)家庭總線系統(tǒng)（home bus system，HBS）通訊回路采用黑盒測(cè)試其可靠性存在測(cè)評(píng)工作量大的問(wèn)題，本文主要對(duì)HBS通訊回路硬件電路進(jìn)行仿真分析。通過(guò)對(duì)HBS通訊回路的技術(shù)研究，利用專業(yè)的仿真軟件Stspice，建立HBS通訊回路3個(gè)核心仿真模型，提出一種新的白盒測(cè)試方式。測(cè)試結(jié)果表明，采用白盒測(cè)試方法，將HBS通訊回路的評(píng)測(cè)工作量縮減50%，其測(cè)試方法遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的黑盒測(cè)試方式，而且該方法能夠有效定位硬件電路的故障區(qū)域，解決了HBS通訊回路在不同商用空調(diào)基板上應(yīng)用的適應(yīng)性問(wèn)題。該研究對(duì)多聯(lián)機(jī)中央空調(diào)HBS回路的可靠性評(píng)價(jià)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：? 家庭總線系統(tǒng); 仿真模型; 白盒測(cè)試; 可靠性評(píng)價(jià); 定位; 適應(yīng)性

中圖分類號(hào)： TP368.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

收稿日期： 20210224; 修回日期： 20210415

作者簡(jiǎn)介：? 陶淦（1978），男，學(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)橹醒肟照{(diào)。 Email： taogan@hisensehitachi.com

隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的企業(yè)和家庭安裝使用多聯(lián)機(jī)中央空調(diào)，而HBS通訊方式在中央空調(diào)產(chǎn)品中具有最廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，對(duì)HBS通訊的研究較多，任兆亭[1]研究了基于RS_232_485與Hom_省略_s總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊;趙連池[2]主要對(duì)HBS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在多聯(lián)式空調(diào)器中的應(yīng)用進(jìn)行研究;劉洋[3]基于HBS總線設(shè)計(jì)了商用空調(diào)系統(tǒng)GSM遠(yuǎn)程控制器;李文陽(yáng)[4]對(duì)小型水源多聯(lián)式空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行研究;宋濤[5]研究了基于HBS的溫室空調(diào)控制器;馬艷崢[6]對(duì)基于HBS協(xié)議的智能家庭控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì);何惠湘[7]研究了HBS在多聯(lián)中央空調(diào)中的應(yīng)用;石靖峰等人[8]設(shè)計(jì)了PIC32MX單片機(jī)的無(wú)同步時(shí)鐘電路HBS通信。以上研究重點(diǎn)是軟件架構(gòu)和不同場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)方式，李志希等人[911]的專利布局也是針對(duì)軟件架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于軟件載體硬件電路的研究和仿真甚少。硬件電路對(duì)空調(diào)控制系統(tǒng)性能的穩(wěn)定具有重要意義，任何小的改動(dòng)都需要大量的性能測(cè)試和兼容性測(cè)試，整改驗(yàn)證過(guò)程往往需要1年以上。目前，由于通訊應(yīng)用場(chǎng)景的快速變化，要求通訊電路不斷提升負(fù)荷和抗干擾能力，但驗(yàn)證過(guò)程太耗時(shí)，影響技術(shù)的更新速度。因此，本文主要對(duì)HBS通訊回路硬件電路進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明，在不同通訊距離和不同頻率等因素影響下，該測(cè)試方法可以快速驗(yàn)證電路，通訊信號(hào)符合標(biāo)準(zhǔn)，加快了HBS通訊電路的技術(shù)更新速度。該研究對(duì)空調(diào)控制系統(tǒng)的性能穩(wěn)定具有重要意義。

1 HBS通訊回路硬件電路組成及工作原理

家庭總線系統(tǒng)（home bus system，HBS）的概念是由日立、三菱、松下和東芝等日系企業(yè)聯(lián)合提出，由日本電子工業(yè)聯(lián)合會(huì)/無(wú)線工程電子協(xié)會(huì)HBS標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)。HBS以雙絞線或同軸電纜為通訊介質(zhì)，控制通道最多可以有64個(gè)節(jié)點(diǎn)[12]。

HBS驅(qū)動(dòng)芯片多采用日本Mitsumi公司的MM1192[13]芯片，它是Mitsumi公司較新的HBS IC，控制相對(duì)簡(jiǎn)單，且符合HBS標(biāo)準(zhǔn)，具有DATA收發(fā)功能。信號(hào)收發(fā)信號(hào)波形采用交替?zhèn)魈?hào)反轉(zhuǎn)碼[14]（aliernate mark inversion code，AMI）方式，用于與雙絞線的連接。上海芯龍半導(dǎo)體在MM1192的基礎(chǔ)上，推出了HH1198驅(qū)動(dòng)芯片，減少了芯片外圍的電路[15];美國(guó)美信半導(dǎo)體也推出了類似的MAX22088[16]驅(qū)動(dòng)芯片，與MM1192爭(zhēng)奪市場(chǎng)。

HBS總線上的信號(hào)采用脈寬編碼方式。由于選用HBS通信芯片要求傳輸信號(hào)的頻率最大在10 kHz左右，所以采用50 μs低電平，50 μs高電平表示邏輯“0”，104 μs高電平表示邏輯“1”，采用這種方式抗干擾能力強(qiáng)。接收端通過(guò)計(jì)算兩個(gè)下降沿之間的時(shí)間，判斷邏輯“0”和邏輯“1”。

HBS通訊硬件回路圖如圖1所示。圖1中，調(diào)制回路、解調(diào)回路以及基板之間互聯(lián)的回路是HBS通訊的3個(gè)關(guān)鍵回路。

2 調(diào)制回路理論建模

調(diào)制回路是由通訊時(shí)鐘CLK與通訊數(shù)據(jù)Data進(jìn)行AMI編碼合成，最終生成一組差分信號(hào)，并輸入到MM1192第6腳[17]。采用專業(yè)仿真軟件STspice，參考相應(yīng)的數(shù)據(jù)應(yīng)用手冊(cè)[18]，對(duì)調(diào)制回路進(jìn)行建模，調(diào)制回路仿真模型如圖2所示。V1是模擬供電回路的5 V電壓源，V3是模擬通訊時(shí)鐘CLK信號(hào)（初始電平為低電平，占空比50%，周期為104 μs），V2是模擬Data信號(hào)（初始電平為高電平，占空比為25.24%，周期為412 μs）。模擬的Data和CLK信號(hào)分別通過(guò)三極管Q2和Q1進(jìn)行或非門處理，經(jīng)過(guò)Q3輸入到MM1192第6腳。

3 硬件電路仿真分析

3.1 調(diào)制回路硬件電路仿真分析

當(dāng)CLK或Data為高電平時(shí)，I1=5 V/1 kΩ=5 mA，電容放電公式為

I1Δt=CΔU（1）

式中，C=0.022 μF，ΔU=5 V，計(jì)算可得Δt=4 μs。

當(dāng)CLK和Data同時(shí)為低電平時(shí)，5 V通過(guò)R5（1 kΩ）給電容C1充電，充電時(shí)間常數(shù)為

τ=RC（2）

Von=5×（1-（-t/τ））（3）

式中，τ為R5（1 kΩ電阻）和C1（0.022 μF）電容充電的時(shí)間常數(shù);Von為三極管Q3的開啟電壓;是自然對(duì)數(shù);t為充電時(shí)間，s。

C1兩端電壓達(dá)到Von=1.4 V以上（其通過(guò)R6和R7兩個(gè)10 kΩ電阻分壓），即可達(dá)到Q3的開啟電壓0.7 V。根據(jù)式（2）和式（3），計(jì)算t=6.6 μs。

調(diào)制回路仿真波形T1=3.48 μs，T2=6.6 μs，該結(jié)果與計(jì)算數(shù)據(jù)相近，調(diào)試回路各結(jié)點(diǎn)仿真波形如圖3所示。

圖3中，CLK是通訊時(shí)鐘信號(hào)，其頻率為9 600 kHz，占空比為50%，仿真時(shí)需要用電壓源V3來(lái)設(shè)置。具體仿真命令[18]是（0 5 52 μ 10 n 10 n 52 μ 104 μ 5），其中，0代表初始電壓為0 V，5代表高電平是5 V，52 μ代表Toff時(shí)間是52 μs，10 n代表上升時(shí)間是10 ns，10 n代表下降時(shí)間是10 ns，104 μ代表周期是104 μs，5代表5個(gè)時(shí)鐘周期。

Data的設(shè)置與CLK類似，仿真命令是（0 5 0 10 n 10 n 104 μ 412 μ 2）。

圖3中，Vout是仿真輸出;

C1是CLK和Data結(jié)合在一起的仿真波形;

T1是電容放電仿真時(shí)間，T1=3.48 μs;T2是電容充電時(shí)間，T2=6 μs。

3.2 解調(diào)回路仿真分析

解調(diào)回路的核心是把HBS通訊回路的波形濾除雜波，把信號(hào)無(wú)損的傳遞給單片機(jī)（micro controller unit，MCU）。A點(diǎn)是通訊回路經(jīng)過(guò)MM1192解調(diào)后第一腳的輸出，二極管D1的作用是當(dāng)A點(diǎn)為低電平時(shí)，瞬間把輸出波形拉到低電平（對(duì)應(yīng)圖5中Data和Vout下降沿波形）;D2的作用是濾除雜波，提供一個(gè)上升沿為38 μs左右的延時(shí)。解調(diào)回路的建模如圖4所示。

3.2.1 解調(diào)回路硬件電路分析

1） 當(dāng)Data第1次為高電平時(shí)，充電時(shí)間常數(shù)τ=RC=（R5+R8）C1=242 μs。A點(diǎn)的電壓只有達(dá)到1.4 V以上，Vout才會(huì)有輸出，根據(jù)對(duì)前文調(diào)制回路的分析，時(shí)間常數(shù)只有達(dá)到0.3τ才會(huì)有輸出，0.3τ=72.6 μs，所以在第一個(gè)52 μs的周期，Vout沒(méi)有輸出。

2） 當(dāng)A點(diǎn)電平為0 V，B點(diǎn)電平為0.7 V，以后每次充電時(shí)，B點(diǎn)電平從0.7 V充到1.4 V，根據(jù)式（3），Von=0.7 V，計(jì)算充電時(shí)間t=33.88 μs。

3.2.2 解調(diào)回路仿真波形

仿真時(shí)間T3=38 μs，該結(jié)果與理論計(jì)算近似。解調(diào)回路各節(jié)點(diǎn)仿真波形如圖5所示。

圖5中，Data是頻率為9 600 kHz，占空比為50%的通訊數(shù)據(jù)信號(hào)，仿真時(shí)需要用電壓源V5來(lái)設(shè)置。具體仿真命令是（0 5 52 μ 10 n 10 n 52 μ 104 μ 5），其中，0代表初始電壓是0 V，5代表高電平是5 V，52 μ代表Toff時(shí)間是52 μs，10 n代表上升時(shí)間是10 ns，10 n代表下降時(shí)間是10 ns，104 μ代表周期是104 μs，5代表5個(gè)時(shí)鐘周期。

圖5中C點(diǎn)是圖4中三極管Q2的仿真波形;Vout是仿真輸出;T3是仿真Vout與Data的延遲時(shí)間，T3=38 μs。

3.3 基板之間互聯(lián)仿真分析

基板之間互聯(lián)回路的核心是發(fā)送端數(shù)據(jù)要無(wú)損的傳遞到接收端，基板互聯(lián)回路之間仿真模型如圖6所示。圖6中，R7是基板之間的終端匹配電阻;R5和R6是基板之間通訊線的內(nèi)阻。2#基板接收部分把MM1192芯片接收部分簡(jiǎn)化成一個(gè)基準(zhǔn)源和一個(gè)比較器，C3和C4的作用是吸收信號(hào)線的雜波，R1和R2的作用是調(diào)節(jié)信號(hào)幅值。

3.4 基板互聯(lián)回路硬件電路分析

1） 1#基板發(fā)送部分，其可簡(jiǎn)化為1個(gè)5 μ電容（2個(gè)10 μ串聯(lián)）和1個(gè)75 Ω電阻串聯(lián)，其時(shí)間常數(shù)τ=75×5=375 μs。在通訊過(guò)程中，1個(gè)周期為52 μs，根據(jù)RC回路，放電為

Von=5×（1-（-t/τ））（4）

解得Von=4.3 V（高電平大于3.6 V以上），滿足使用要求。

2） 2#基板接收部分，R1和R3具有調(diào)節(jié)信號(hào)相位的作用，由于T3=38 μs，所以接收部分要超前38 μs，即T4=38 μs，說(shuō)明發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)一致?；逯g互聯(lián)仿真波形如圖7所示。仿真時(shí)間T4=38 μs，與

解調(diào)時(shí)間T3=38 μs一致。

V2和V8是圖6中AC耦合電路仿真模型，其相關(guān)仿真命令為V2（0 5 52 μ 10 n 10 n 52 μ 208 μ 5）和V8（0 5 114 μ 10 n 10 n 52 μ 208 μ 5）;V4是MM1192回路內(nèi)部的2.5 V基準(zhǔn)源，U3是把MM1192內(nèi)部的恒流源比較器簡(jiǎn)化成一個(gè)運(yùn)放的仿真模型;Data是V2仿真信號(hào)和V8仿真信號(hào)相減的差分信號(hào);Vout是仿真輸出。由圖7可以看出，Vout的輸出比Data信號(hào)提前38 μs。

4 白盒測(cè)試

黑盒測(cè)試（blackbox testing）是把產(chǎn)品當(dāng)成一個(gè)黑匣子，對(duì)其施加各種應(yīng)力，以求在一定應(yīng)力條件下暴露一些產(chǎn)品的可靠性隱患，這些測(cè)試統(tǒng)稱為黑盒測(cè)試。但要想知道產(chǎn)品內(nèi)部發(fā)生了哪些變化，在平靜的表面下是否已經(jīng)隱藏了未知風(fēng)險(xiǎn)，硬件白盒測(cè)試就是為了解決此需求。

白盒測(cè)試（whitebox testing）是把產(chǎn)品的外殼打開，真實(shí)地測(cè)量每一根信號(hào)線、每一個(gè)電源、每一個(gè)接口的信號(hào)和時(shí)序及每一個(gè)電路，除了常規(guī)的波形觀察外，對(duì)波形的各項(xiàng)指標(biāo)和時(shí)序的各項(xiàng)指標(biāo)均進(jìn)行測(cè)試，分析波形是否符合設(shè)計(jì)預(yù)期，同時(shí)根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果，判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。白盒測(cè)試的10個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)如圖8所示。

圖8中，CH1和CH9需使用差分探頭測(cè)試，其余測(cè)試點(diǎn)可以使用普通探頭測(cè)試。介于一般示波器只有4個(gè)通道，可以按照前文介紹的調(diào)制回路（CH3，CH4，CH6）、調(diào)制解調(diào)回路（CH1，CH2，CH3，CH5）和基板互聯(lián)回路（CH2，CH3，CH6）各組分別進(jìn)行測(cè)試。假如各個(gè)回路的波形與實(shí)際測(cè)試的波形差別較大，通常情況是某些器件出現(xiàn)故障，結(jié)合前期仿真模型，則能快速定位故障器件，使測(cè)試變得非常簡(jiǎn)單。例如：圖11中，在信號(hào)下降沿，接收比發(fā)送延遲10 μs，上升沿延遲38 μs，假如測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)上升沿延遲變成38 μs（見(jiàn)圖2），應(yīng)為C1電容用料錯(cuò)誤（規(guī)格是1 nF，可能焊接成47 nF）;假如測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)下降沿延遲變成10 μs（見(jiàn)圖4），應(yīng)為C1電容用料錯(cuò)誤（規(guī)格是22 nF，可能焊接成1 nF），這些錯(cuò)誤用料可以通過(guò)前面建立的仿真模型快速定位和分析。

調(diào)制回路白盒測(cè)試如圖9所示。圖9中，A點(diǎn)波形是通訊CLK的信號(hào)（占空比50%，頻率19.2 kHz），對(duì)應(yīng)的示波器測(cè)試通道是CH5，B點(diǎn)傳輸?shù)腄ata（數(shù)據(jù)）信號(hào)，對(duì)應(yīng)的示波器測(cè)試通道是CH3，C點(diǎn)是MM1192輸入的第6腳波形（A點(diǎn)和B點(diǎn)經(jīng)過(guò)電路合成后的數(shù)據(jù)信號(hào)），對(duì)應(yīng)的示波器測(cè)試通道是CH6，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)符合仿真測(cè)試結(jié)果。

調(diào)試解調(diào)回路如圖10所示，基板互聯(lián)回路白盒測(cè)試如圖11所示。

圖10中，CH2是主控基板單片機(jī)接收數(shù)據(jù)，CH3是MM1192第6腳的輸入數(shù)據(jù)，由圖10可以看出，CH2的波形是在CH3波形由低到高延遲33μs以后的整形波形，與仿真結(jié)果一致。通訊數(shù)據(jù)1幀包括11個(gè)字節(jié)，即1個(gè)起始位+8個(gè)數(shù)據(jù)位+1個(gè)校驗(yàn)位+1個(gè)停止位，每幀數(shù)據(jù)的起始位是0，停止位是1。

圖11中，CH3是主控基板傳輸?shù)腄ata（數(shù)據(jù)）信號(hào)，CH2是主控基板單片機(jī)接收數(shù)據(jù)，CH6是線控器回路接收數(shù)據(jù)。由圖11可以看出，線控器接收信號(hào)和主控基板接收信號(hào)波形一致，沒(méi)有延遲，符合仿真結(jié)果。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)HBS通訊回路硬件電路進(jìn)行建模和仿真分析，仿真波形與實(shí)際電路工作波形基本一致。不能把廠家給出芯片內(nèi)部的參考電路作為仿真模型的基礎(chǔ)，應(yīng)對(duì)電路模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，才能仿真出高質(zhì)量，有實(shí)際意義的波形。本研究也有難以解決的問(wèn)題，由于帶有直流載波HBS通訊技術(shù)的仿真需要增加一個(gè)差模和共模電感，而現(xiàn)有的仿真軟件難以對(duì)其精準(zhǔn)仿真，本研究在其實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用中，申請(qǐng)了跟其相關(guān)的2個(gè)發(fā)明專利，可以通過(guò)后續(xù)的深入研究，對(duì)直流載波通訊技術(shù)進(jìn)行仿真建模分析。該研究對(duì)HBS通訊回路的可靠性評(píng)價(jià)具有積極的參考意義，同時(shí)也可以推廣到使用MM1192通訊芯片的基板硬件測(cè)評(píng)和白盒測(cè)試。

參考文獻(xiàn)：

[1] 任兆亭. 基于RS_232/485與HomeBus總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 濟(jì)南： 山東大學(xué)， 2010.

[2] 趙連池. HBS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在多聯(lián)式空調(diào)器中的研究[D]. 濟(jì)南： 山東大學(xué)， 2010.

[3] 劉洋. 基于HBS總線的商用空調(diào)系統(tǒng)的GSM遠(yuǎn)程控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 濟(jì)南： 山東大學(xué)， 2011.

[4] 李文陽(yáng). 基于小型水源多聯(lián)式空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法研究[D]. 濟(jì)南： 山東大學(xué)， 2012.

[5] 宋濤， 葛慧杰， 溫陽(yáng)， 等. 基于HBS的溫室空調(diào)控制器的研制[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2008（9）： 111113.

[6] 馬艷崢. 基于HBS協(xié)議的智能家庭控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2009， 13（300）： 189192.

[7] 何惠湘. HBS在多聯(lián)中央空調(diào)中的應(yīng)用[J]. 無(wú)線互聯(lián)科技， 2016（20）： 132134.

[8] 石靖峰， 王洪新. PIC32MX單片機(jī)的無(wú)同步時(shí)鐘電路HBS通信設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用， 2018（4）： 3942.

[9] 李希志， 曹銳， 張獻(xiàn)林， 等. 無(wú)時(shí)鐘同步信號(hào)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)Homebus總線通訊的方法： 中國(guó)， 201110256025. 4[P]. 20140402.

[10] 陶淦， 何成軍， 林文濤， 等. 一種通訊電路和空調(diào)器： 中國(guó)， 202011121576. 5[P]. 20210207.

[11] 陶淦， 何成軍， 林文濤， 等. 一種通訊電路和空調(diào)器： 中國(guó)， 202011121558. 7[P]. 20210207.

[12] 李玲. 基于 MM1192 的智能家居網(wǎng)絡(luò)的研究[J]. 信號(hào)與系統(tǒng)， 2009（7）： 3436.

[13] MITSUMI. HBScompatible driver and receiver monolithic IC MM1192[EB/OL]. [2003523]. https：∥www. alldatasheet. com/datasheetpdf/pdf/154842/MITSUMI/MM1192. html.

[14] Troutmon R R. Latchup in CMOS technology. kluwer acacamil[M]. New York： Springer Science Business， 1986： 2834.

[15] 李瑞平， 池偉， 劉彬， 等. 一種解碼電路及芯片： 中國(guó)， 202011226719. 9[P]. 20210202.

[16] Maxim. Home bus system （HBS） compatible transceiver IC MAX22088[EB/OL]. 2020. https：∥atasheets. maximintegrated. com/en/ds/MAX22088. pdf.

[17] 金國(guó)華. 通信芯片MM1192在多聯(lián)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版， 2009， 23（4）： 128132.

[18] 涉谷道雄. 活學(xué)活用LTspice電路設(shè)計(jì)[M]. 彭剛， 譯. 北京： 科學(xué)技術(shù)出版社， 2016.

HBS Communication Circuit Hardware Circuit Analysis and Simulation

TAO Gan， SHI Jingfeng， HE Chengjun， LIN Wentao， ZHAO Xiaoqing， WU Jingtao

（Qingdao Hisense Hitachi AirConditioning Systems Co.， Ltd.， Qingdao 266510， China）

Abstract：? Aiming at the problem that the reliability of the Home bus system （referred to as HBS） is tested by the Black box， This paper mainly carries on the simulation analysis to the hardware circuit of the HBS communication loop. Through the technical of HBS communication loop ， the three core simulation models of HBS communication loop are established by using the professional simulation software STSPICE， and a new box test method is proposed. The test results show that the Whiteboxing test method can reduce the evaluation amount of HBS communication loop by 50%. The test method is far superior to the Blackbox testing method， and can effectively locate the fault area of the hardware circuit， thus solving the adaptability problem of HBS communication loop applied to different commercial air conditioning substrates. The research has a certain guiding significance to the reliability evaluation of HBS circuit of multiline central air conditioning.

Key words： home bus system; simulation model; whitebox testing; reliability evaluating; located effectively; adaptation