陳渝薦，鄧成中，嚴(yán)玉雙，何紫楊

(西華大學(xué)機械工程學(xué)院，四川成都 610039)

0 引言

M-BUS是專門針對水、電、氣等消耗測量儀器設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸所提出的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。具有組網(wǎng)成本低、傳輸距離遠(yuǎn)、無極性、無需使用屏蔽電纜、總線供電等優(yōu)點[1-2]。一經(jīng)提出，便得以廣泛應(yīng)用，尤其是在遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，使其得到了長足的發(fā)展。

基于M-BUS上述優(yōu)點以及在公共事業(yè)中的廣闊應(yīng)用前景，對M-BUS的研究是很有必要的。M-BUS包含主機和從機2部分，目前，從機部分，已經(jīng)有類似TSS721等眾多滿足協(xié)議和用戶需求的從機收發(fā)集成芯片為核心的產(chǎn)品，主機部分暫時還沒有成熟的集成芯片產(chǎn)品問世，多是由企業(yè)或用戶根據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和實際應(yīng)用情況自行設(shè)計電路[3]。

目前市面上存在的主機方案中，主機發(fā)送電路部分，多采用開關(guān)元件對兩個電源進(jìn)行切換或是利用正負(fù)電源疊加的方式實現(xiàn)電壓調(diào)制，這兩種方式旨在增加電路的驅(qū)動能力和降低功耗，雖在一定程度上降低了驅(qū)動的后級電路的功耗，但都需要在主機的前級電路上增加電源轉(zhuǎn)換電路和復(fù)雜的場效應(yīng)管電壓切換驅(qū)動電路，導(dǎo)致主機電路復(fù)雜，以及增加了整個電路的靜態(tài)功耗。本方案利用三極管的射極跟隨特性，通過改變?nèi)龢O管基極電壓從而改變?nèi)龢O管射極的輸出電壓，達(dá)到電壓調(diào)制的目的，相比于前兩種方式，本方案只需單電源供電，驅(qū)動電路簡單，極大地簡化了電路，降低了成本，且沒有增加功耗的問題。

接收電路部分，多利用采樣電阻對總線上電流引起的電壓變化進(jìn)行直接的采樣放大比較后輸出的方式接收從機發(fā)送數(shù)據(jù)，這種方式存在自適應(yīng)能力和抗干擾能力弱的問題，從而限制了從機負(fù)載數(shù)量和增加了誤碼率。本方案參考文獻(xiàn)[4]中主機接收電路，利用電容和運算放大器對采樣電阻上電壓的動態(tài)變化進(jìn)行差分放大，這種方式可以有效避免前述方式中因從機數(shù)量增加導(dǎo)致采樣電阻靜態(tài)電壓增加，從而無法適應(yīng)運算放大器放大倍數(shù)的問題，克服了自適應(yīng)能力弱的問題，并通過施密特觸發(fā)電路，對信號進(jìn)行整形，極大增強了電路的抗干擾能力。

1 M-BUS通信原理

M-BUS的通信協(xié)議體系是建立在ISO-OSI參考模型上的一種半雙工主從串行通信方式，自下而上定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，可以在主從設(shè)備間以300～9 600 bps的通信速率雙向傳輸[1-2]。

M-BUS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主機是整個系統(tǒng)的中心，主要功能是給從機供電、對從機進(jìn)行監(jiān)控和管理以及采集從機發(fā)送的數(shù)據(jù)。M-BUS采用主機呼叫/從機應(yīng)答的方式進(jìn)行通信，從機只有收到主機的詢問信號后，才能發(fā)送數(shù)據(jù)，從機與從機之間相互獨立且互不通信。

圖1 M-BUS總線結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用總線供電的方式，主機在利用電源線給從機供電的同時完成對從機數(shù)據(jù)的采集。在物理層上M-BUS的主機和從機收發(fā)數(shù)據(jù)的方式有所不同，主機利用電壓調(diào)制的方式向從機發(fā)送數(shù)據(jù)，而從機采用電流調(diào)制的方式向主機發(fā)送數(shù)據(jù)[4]。

主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)示意圖如圖2所示，為了增強抗干擾能力，實際應(yīng)用中從機接收數(shù)據(jù)時往往是以2根數(shù)據(jù)線之間的電壓差作為依據(jù)而不是絕對電壓[5]。主機發(fā)送邏輯“1”時的高電平電壓通常可以在15～42 V之間，而發(fā)送邏輯“0”時的低電平電壓則至少要低于高電平12 V[3]。當(dāng)總線空閑時，主機處于高電平狀態(tài)，故傳輸數(shù)據(jù)時起始信號為低電平，結(jié)束信號為高電平[1]。

圖2 主機發(fā)送碼流圖

從機向主機發(fā)送數(shù)據(jù)示意圖如圖3所示，從機傳輸數(shù)據(jù)時通過改變自身的電流消耗來達(dá)到電流調(diào)制的目的。從機發(fā)送邏輯“0”時,電流不高于1.5 mA,從機發(fā)送邏輯“1”時，電流消耗增加至11～20 mA,主機接收數(shù)據(jù)則以總線上的電流變化作為判斷依據(jù)[5-6]。當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時，從機處于低電平狀態(tài)，故傳輸數(shù)據(jù)時起始信號為高電平，結(jié)束信號為低電平[1]。

圖3 從機發(fā)送碼流圖

2 M-BUS主機硬件電路設(shè)計

M-BUS主機硬件電路的設(shè)計主要包含主機發(fā)送和主機接收2部分，主機發(fā)送電路主要是根據(jù)單片機指令實現(xiàn)壓差≥12 V的電壓調(diào)制功能，主機接收電路的主要功能是識別從機發(fā)送的2個相差11～20 mA的電流調(diào)制信號。

2.1 主機發(fā)送電路

主機發(fā)送電路如圖4所示，通過改變Q1基極的電壓，改變主機的輸出電壓，實現(xiàn)電壓調(diào)制。R13是主機接收信號時的采樣電阻，M-TX是單片機的數(shù)據(jù)發(fā)送端，輸出低電平時，Q5、Q3導(dǎo)通，Q1的基極電壓等于Q5集電極輸出電壓，兩條總線間輸出的壓差接近電源電壓；當(dāng)M-TX輸出高電平時，Q5、Q3關(guān)斷，Q1的基極電壓由R5和R16分壓而來，2條總線間輸出的壓差接近電源電壓的一半。

在對各參考文獻(xiàn)中的主機發(fā)送電路進(jìn)行仿真驗證時，發(fā)現(xiàn)其中大多數(shù)電路在發(fā)送信號時，總線間電壓可以快速從低壓跳變到高壓，但不能快速從高壓跳變到低壓，使得高電平和低電平維持時間不一樣，并且這種現(xiàn)象會隨著通信速率的增加而加劇，最終導(dǎo)致信號畸變。本電路中，Q2和Q4組成了快速降壓電路，可以在很大程度上減輕這種現(xiàn)象。

圖4 主機發(fā)送電路

本電路通過選用不同功率的三極管，例如達(dá)林頓管等，完全可以實現(xiàn)大功率輸出以達(dá)到增加從機數(shù)量的目的。除達(dá)到簡化電路和降低成本的目的外，其最重要的功能是實現(xiàn)了在20～30 V之間的寬范圍單電壓供電，從而適應(yīng)各種不同的工作環(huán)境，解決了目前眾多方案中單一電源供電的問題。此外，利用三極管基極電流控制發(fā)射極和集電極電流的特性，可以在主機發(fā)送信號時，有效抑制總線上電流跟隨電壓變化的現(xiàn)象。

2.2 主機接收電路

本文設(shè)計的主機接收電路如圖5所示，前級電路中，將穩(wěn)壓管DZ1降壓后的采樣信號，經(jīng)二極管D1、D2對稱輸入放大器的同相和反相輸入端，利用電容C1對信號的動態(tài)變化進(jìn)行差分放大，U1的輸出電壓Vout1可由式(1)得出：

(1)

式中：V-和V+分別為U1的反相和同相輸入端電壓。

本電路中，R7=R9，R1=R10，則可得出式(2)：

(2)

由式(2)可知，當(dāng)從機沒有發(fā)送信號且處于空閑狀態(tài)時，理論上輸出等于0；當(dāng)從機發(fā)送信號時，由于電容的電壓不能突變的特性，使得運算放大器同相和反相輸入端電壓不相等，將產(chǎn)生的差分信號放大后輸出。

圖5 主機接收電路

對于后級電路，利用比較器設(shè)計了施密特觸發(fā)器電路，對放大后的信號進(jìn)行整形和濾波處理，將最終的信號利用光耦轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號供單片機接收和處理。本電路中，R2=R5=R4/2構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的電壓閾值V1和V2分別為：

(3)

(4)

當(dāng)Vout1>V1時，U2輸出低電平；當(dāng)Vout1

該電路的優(yōu)點是具有很好的自適應(yīng)和抗干擾能力。在自適應(yīng)能力上，利用電容的電壓漸變特性，將信號進(jìn)行差分放大，電路將總線上電流變化所引起的電壓的動態(tài)變化作為判斷依據(jù)，理論上可以完全不受從機數(shù)量的影響；在抗干擾能力上，前級電路的輸入端是完全對稱的結(jié)構(gòu)，增強了電路抗共模干擾的能力，后級電路中，利用施密特觸發(fā)器，抬高閾值電壓，將翻轉(zhuǎn)電壓控制在合理的區(qū)間，可以有效排除因受外界干擾或增加從機時致使總線上電流產(chǎn)生變化所引起的誤操作。

3 電路測試與波形分析

本電路測試的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率為11.25 kHz,供電電壓為20～30 V，從機電路如圖6所示。

圖6 TSS721從機電路

3.1 主機發(fā)送電路波形分析

圖7和圖8分別是在電源電壓為20 V和30 V時，圖4中Q2集電極電壓隨總線電壓變化的波形，信源1為總線電壓變化波形，信源2為Q2集電極電壓變化波形。可以看出，在總線電壓下降時，Q2集電極電壓隨電源電壓增大而升高，說明主機發(fā)送電路中以Q2和Q4組成的電路實現(xiàn)了加快總線上電壓下降的功能。

圖7 Q2放電波形_20 V

圖8 Q2放電波形_30 V

圖9和圖10分別是電源電壓為20 V，主機發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線上電壓變換波形和從機的接收波形，信源1為單片機發(fā)送的數(shù)字電平信號，信源2為總線上電壓變換信號。從圖9可以看出，總線空閑時輸出高電平接近20 V，MCU發(fā)送邏輯高電平時，總線上輸出電壓接近10 V。圖中的波形都具有很好的完整性和實時性。證明該電路可以在通信頻率為11.25 kHz,電源20 V電壓供電的條件下完成數(shù)據(jù)發(fā)送的任務(wù)。

圖9 總線電壓變化波形

圖10 從機接收波形

3.2 從機發(fā)送電路波形分析

圖11是從機發(fā)送數(shù)據(jù)時，主機的接收波形，信源1為單片機發(fā)送的數(shù)字電平信號，信源2為主機接收電路輸出波形，為了盡可能地增強抗干擾能力，將施密特觸發(fā)器的閾值電壓設(shè)置得較高，導(dǎo)致圖中主機接收電路輸出波形較單片機發(fā)送波形略有延遲。但在不同通信速率和從機數(shù)量的測試中，并未發(fā)現(xiàn)有波形丟失和失真的現(xiàn)象。證明本電路實現(xiàn)了對總線上11～20 mA的電流變化的檢測功能，可以接收從機發(fā)送的數(shù)據(jù)。

圖11 主機接收波形

4 結(jié)束語

本文基于三極管、運算放大器、比較器等常用器件，設(shè)計了一種充分滿足協(xié)議要求的新型實用M_BUS主機電路，克服了目前市面上眾多方案中電路復(fù)雜、成本高昂、誤碼率高、自適應(yīng)能力和抗干擾能力弱等問題。同時本設(shè)計最大的優(yōu)勢是可實現(xiàn)寬范圍單電源供電，這極大增加了該接口電路的應(yīng)用范圍。在以TSS721為核心的從機負(fù)載測試實驗中，本電路在各方面性能表現(xiàn)優(yōu)異，完全可以滿足目前市場的需求，應(yīng)用于消耗測量儀器及計數(shù)器等低功耗設(shè)備之間的通信。