基于M—BUS接口電路的研究

1、基于MBUS接口電路的研究第21卷第3期天津職業(yè)技術師范大學2011年9月JOURNALOFTIANJINUNIVERSITY0FTECHN0L0GYANDEDUCATIONV0l_2lNo.3Sep.2011基于MBUS接口電路的研究楊景民,宋延民,裴君,李斌飛(天津職業(yè)技術師范大學電子工程學院,天津300222)摘要:MBUS(MeterBus)儀表總線是一種低成本的戶用電子系統(tǒng),可以實現(xiàn)公共事業(yè)表的聯(lián)網(wǎng)和遠程抄表功能.公共事業(yè)表包括戶用電表,水表,熱量表等計量儀表.本文討論儀表總線MBUS和TI'L(TransistorTransistorLogic)電平之間的接口電路的設計,論

2、述了其通信中的發(fā)送和接收機制,并提出了硬件上的設計方案.所設計的接口電路傳輸距離遠,帶負載能力強,可靠性高,抗干擾能力強.關鍵詞:儀表;MBUS;1TrL中圖分類號:TN719文獻標識碼:A文章編號:20950926(2011)03002404MBUSinterfacecircuitbasedontheresearchYANGJingmin,SONGYanrain,PEIJun,LIBinfei(SchoolofElectronicEngineering,TianjinUniversityofTechnologyandEducation,Tianjin300222,China)Abstract

3、:MBusbus,alowcostinstrumenthouseholdelectronicsystem,canachievepublicfeaturesnetworkingandremotemeterreading.Instrumentsofpublicutilitiesincludeelectricitymeters,watermeters,heatmetersandothermeasuringinstruments.Theinstrumentbus,MBUS(MeterBus)andtheinterfacebetweenTFLlevelcircuitdesignanditscommuni

4、cationmechanismforsendingandreceivingareintroduced,andhardwaredesignisproposedinthispaper.Theadvantagesofthedesignoftheinterfacecircuitincludetransmissiondistance,loadcapacity,highreliability,andantiinterferenceability.Keywords:instruments;M-BUS(MeterBus);1TrLMBUS(MeterBus)總線又稱為用戶儀表總線,是一種新型總線結構,用于非電

5、力戶用儀表傳輸?shù)臍W洲總線標準.MBUS主要特點是僅用2條無極性傳輸線同時供電和傳輸串行數(shù)據(jù),而各個子站(以不同的地址確認)并聯(lián)在MBUS總線上.該總線在眾多領域都有廣泛的應用,尤其是在用于樓宇自動化不同儀表的能耗智能化管理系統(tǒng)中時,可對相關數(shù)據(jù)或信號進行采集并傳遞至集中器,然后再通過相應的接口傳到數(shù)據(jù)采集中心.基于MBUS總線的智能化遠程抄表更顯示出其重要性.當今,在我國建筑業(yè)及工業(yè)計量事業(yè)迅速發(fā)展的背景下,尤其是居民區(qū),正在推廣使用三表合一(氣表,水表,熱表),由于MBUS總線具有獨特的優(yōu)點而被廣泛運用.目前,關于MBUS總線通信協(xié)議介紹,尤其是基于TSS721的MBUS子站介紹比較多.在遠

6、程抄表系統(tǒng)中最核心的部分是接口電路,遠程抄表本質(zhì)是采集器的CPU和終端儀表之間的數(shù)據(jù)通信,該電路就是CPU和終端儀表之間的接口電路_l】.然而,TTL直接到MBUS轉換所需要的轉化器介紹方面的內(nèi)容則相對較少,MBUS總線通訊的具體實現(xiàn)介紹更少.本文對采集器中的接口電路進行研究和討論,給出一種可行的設計方案.1MBUS接口電路通信采集器與終端儀表之間是一種主從式通信系統(tǒng)21,由于從機之間不能直接交換信息,因此只能通過采集器來對每一個終端儀表設備進行數(shù)據(jù)采集,然后將數(shù)據(jù)直接傳回工作總站.采集器CPU通過串口和儀表交換信息,而串口接口標準是TTL電平,所以接口電路就是實現(xiàn)rrrLMBUS電平轉換口1

7、.收稿日期:2011-0425基金項目:國家自然科學基金資助項目(60874106).作者簡介:楊景民(1985一),男,碩士研究生;宋延民(194卜一),男,教授,碩士生導師,研究方向為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化研制第3期楊景民.等:基于MBUS接口電路的研究?25?1.1采集器至終端儀表的數(shù)據(jù)傳輸采集器向終端負載發(fā)送數(shù)據(jù)采用的是改變總線電壓而總線電流保持不變的電壓調(diào)制方式,且恒定電流下電壓下降,因此系統(tǒng)具有比較高的抗干擾性.采集器向終端儀表終端傳輸?shù)男盘柌捎秒妷褐档淖兓瘉肀硎?即向終端儀表終端發(fā)送的數(shù)據(jù)是一組電壓脈沖序列,用+36V表示邏輯"1",+24V表示邏輯&quo

8、t;0".在穩(wěn)態(tài)時,線路保持"1"狀態(tài),圖1所示為采集器向終端儀表終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼流圖.>1'出"0"圖1采集器向終端傳送數(shù)據(jù)1.2終端儀表向采集器的數(shù)據(jù)傳輸從終端儀表向采集器傳輸?shù)男盘柌捎秒娏髦档淖兓瘉肀硎?即終端向集中器返回數(shù)據(jù)通過調(diào)節(jié)流經(jīng)終端儀表的電流來實現(xiàn),通常用1.5mA的電流值表示邏輯"1",當傳輸"0"時,由終端儀表控制可使電流值增加1l20mA.在穩(wěn)態(tài)時,線路上的值為持續(xù)的"1"狀態(tài).當終端接收信號時,其電流應處于穩(wěn)態(tài)"1".圖

9、2所示為由終端儀表終端向集中器傳輸數(shù)據(jù)時流經(jīng)自身電流的波形圖,圖2當中終端負載只是一塊儀表.,0'媛"1''時間/s圖2終端儀表向采集器傳送數(shù)據(jù)在采集器和終端儀表之間的數(shù)據(jù)通訊采用總線供電,當距離比較遠時,總線上的分布電阻將會使總線電壓下降,終端儀表則以終端總線上的電壓差的絕對值為接收信號,即具有動態(tài)接收信號的能力.2接口硬件設計2.1總體電路圖在實際的工程應用當中,要設計出一種能驅動多達數(shù)百塊負載的電路,這樣才能符合智能管理系統(tǒng)的需要.這就要求的轉換電路有很強的驅動能力,給出了一種可行的設計方案,其總體電路圖如圖3所示.圖3總體電路圖?26?天津職業(yè)技術師范

10、大學第21卷M+和M一是負載的接口,PC817是光電耦合器,LM358是雙運算放大器.下面分別對發(fā)送和接收回路進行討論.(1)發(fā)送電路如圖4所示,當TXD發(fā)送高電平"1"時,三極管Q2導通,光耦U4導通工作,驅動三極管Q1工作,同時+36V電源為負載供電,即輸出高電平;反之,輸出低電平.在該電路中,光耦合器起到不可忽視的作用,它以光為媒介傳輸電信號,對輸入,輸出電信號有良好的隔離作用,可以減少電路當中存在的干擾,增強電路的可靠性.圖4發(fā)送數(shù)據(jù)電路V(2)接收電路在實際應用當中,MBUS系統(tǒng)是一個帶有通信控制機的多級系統(tǒng),它是由主站和一定數(shù)量的從站(終端儀表1通過兩根電纜連接

11、而成,所有的終端負載都并聯(lián)連接在MBUS總線上,總體電路圖中接收部分的內(nèi)部詳細電路圖如圖5所示.R圖5接收數(shù)據(jù)電路D1當儀表向采集器返回數(shù)據(jù)時,通過改變儀表的電流大小來實現(xiàn)高低電平的變化.電阻RO為10n,電流變化,電壓V1隨之改變.如果負載掛接100塊儀表,穩(wěn)態(tài)時流經(jīng)電阻R0的電流為1.5mAxl00=150mA,儀表返回數(shù)據(jù)時,若返回數(shù)據(jù)"1",流經(jīng)R0的電流為150mA;若返回數(shù)據(jù)"0",儀表調(diào)節(jié)自己的輸出電流,此時流經(jīng)電阻R0的電流為150mA+(1120)mA,按165mA計算,V1=16510=1.65V.首先經(jīng)過u1一級運放,該運放實質(zhì)是一

12、個射級跟隨器,其優(yōu)點是可以避免下一級電路對v1的影響,V2一V1;然后進行U2二級運放,該運放是一個比例放大器,本電路設計時參數(shù)R2/R1=10,V3V2xR2/R1=16.5V,該運放的供電電壓決定了帶負載的能力,如果選擇供電電壓小于l6.5v,就會過載;最后經(jīng)過U3三級運放,該運放功能本質(zhì)是一個比較器,極性電容c1,穩(wěn)壓二級管D1和肖特基二級管D2在電路當中起到關鍵性的作用.圖5中,在負載處于穩(wěn)態(tài)"0"的時候,通過示波器可以看到:比較器的反向輸入端的電壓波形趨于水平,cl和D1一起確定比較器的基準電壓.c1在這里主要有兩個作用:一是它能使得存儲的電壓長時間保持穩(wěn)定,準確

13、地為比較器提供基準電壓,當有數(shù)據(jù)流"1"和"0"向采集器返回,穩(wěn)態(tài)被打破,同向輸人端的電壓和上一狀態(tài)的反向輸入端電壓進行比較,V4得到的就是高低電平的矩形波信號;二是有利于消除線路上的高頻信號,起到抗干擾的作用.D1這個穩(wěn)壓管在電路當中起到保護比較器的作用,當負載電路由于某種原因導致電流增大時,那么V3必然增大,穩(wěn)壓管可以防止V3這個電壓增長過大,導致比較器及外圍電路損壞.比較器的同相輸入端的電壓ViV3xR4/(R3+R4),這里R344的值不宜過大,如果過大,由上式所求vi的值會過小,與基準電壓偏離太大,比較器將失去比較功能,V4不會得到經(jīng)比較器比較

14、后的方波信號,波形將會變成一條直線.肖特基二極管D2在返回數(shù)據(jù)而且保證數(shù)據(jù)的正確性有重要意義,該比較器的優(yōu)點在于它的動態(tài)比較性,如果沒有D2,Vi這個輸入電壓就會反作用于基準電壓,使基準電壓的變化紊亂,從而數(shù)據(jù)的可靠性降低.在有數(shù)據(jù)返回時,同向輸入端的波形如圖6所示.反向輸入端收到極性電容的影響其波形緩慢變化,如圖7所示.在實際的電路當中,第三級運放的同相輸入的信號波形并沒有像上圖那樣穩(wěn)定,是帶有噪1'腳"0"時間/s圖6同相輸入波形圖第3期楊景民,等:基于MBUS接口電路的研究?27?時間/s圖7反相輸入波形圖聲的,正是經(jīng)過比較器,同向輸入端不斷和反向端前一狀態(tài)比

15、較才使得v4的波形穩(wěn)定,從而增強了信號的可靠度.通過比較器得到V4這個方波信號,經(jīng)穩(wěn)壓管D3轉換為1TrL電平返回到采集器的接收端RXD.2.2通訊系統(tǒng)的設計完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常包括數(shù)據(jù)采集中心,采集器和終端儀表.數(shù)據(jù)采集中心向采集器發(fā)送采集命令,采集器對終端儀表進行數(shù)據(jù)采集,最后采集器將接收到的數(shù)據(jù)返回給數(shù)據(jù)中心.硬件設計完成之后,可以通過采集器的CPU來進行數(shù)據(jù)采集,這里的CPU采用AVR單片機來實現(xiàn),即通過串口TXD和RXD兩通訊口.在實際應用當中,每個采集器都會被初始化一個地址,終端儀表也會有確定的地址,要抄取數(shù)據(jù),按照約定的協(xié)議通過串口將抄表命令通過TTLMBUS轉換電路發(fā)送到終端

16、儀表.2.3負載問題在實際應用當中,一個重要的問題就是采集器的承載能力,在保證電路中各個元器件正常工作的前提下,加大負載的方法之一就是通過加大運算放大器的供電電壓來實現(xiàn)_7_.但是也不能過大地加大采集器的負載.負載過多時,在圖5中流經(jīng)RO的穩(wěn)態(tài)的電流就比較大了,數(shù)據(jù)負載向采集器返回數(shù)據(jù)時改變的電流最多也只有2OmA左右,如果穩(wěn)態(tài)電流相對于電流的改變量(20mA)大得多的話,必然導致電路的靈敏度降低,最終就導致采集到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯誤,所以在調(diào)節(jié)負載的時候要權衡各種因素.3結束語本設計已經(jīng)在天津市濱海新區(qū)試運行,運行表明,所設計的電路穩(wěn)定性好,可靠性高,收到了良好的效果.本文采用了1vrL轉MBUS

17、電路,可以遠程采集數(shù)據(jù)【8_,同時基于MBUS技術,構成了良好的主從機結構,能夠保證系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性,對現(xiàn)場能夠實時監(jiān)控,實時采集數(shù)據(jù),徹底解決了傳統(tǒng)的人工抄表帶來的諸多缺點,大大提高了熱力部門的信息化管理.參考文獻:1張麗娜,王林,朱起淅,等.一種基于MBUS的通信接口設計J.微電子學與計算機,2010,27(10):156159.2曹贄,葉樺.遠程抄表系統(tǒng)中集中器及MBus總線通信模塊的設計與實現(xiàn)J_工業(yè)控制計算機,2009,22(8):7-9.3徐純,劉云.MBUS在遠程水表集中抄表系統(tǒng)中的應用J.電子科學,2009(18):4243.4徐樂年,戚玉涵,員玉良,等.基于MBUS的智能明渠流量傳感器的設計與應用J_j.煤礦安全,2008(12):6870.5馬潮.AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應用實踐M.北京:北京航空航天大學出版社,2007.6孫涵芳.MCS一51(96)單