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(shù)師范大學(xué)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(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)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(shí)現(xiàn)公共事業(yè)表的聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程抄表功能.公共事業(yè)表包括戶用電表,水表,熱量表等計(jì)量?jī)x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(shè)計(jì),論

2、述了其通信中的發(fā)送和接收機(jī)制,并提出了硬件上的設(shè)計(jì)方案.所設(shè)計(jì)的接口電路傳輸距離遠(yuǎn),帶負(fù)載能力強(qiáng),可靠性高,抗干擾能力強(qiáng).關(guān)鍵詞:儀表;MBUS;1TrL中圖分類號(hào):TN719文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(jié)構(gòu),用于非電

5、力戶用儀表傳輸?shù)臍W洲總線標(biāo)準(zhǔn).MBUS主要特點(diǎn)是僅用2條無(wú)極性傳輸線同時(shí)供電和傳輸串行數(shù)據(jù),而各個(gè)子站(以不同的地址確認(rèn))并聯(lián)在MBUS總線上.該總線在眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用,尤其是在用于樓宇自動(dòng)化不同儀表的能耗智能化管理系統(tǒng)中時(shí),可對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)或信號(hào)進(jìn)行采集并傳遞至集中器,然后再通過(guò)相應(yīng)的接口傳到數(shù)據(jù)采集中心.基于MBUS總線的智能化遠(yuǎn)程抄表更顯示出其重要性.當(dāng)今,在我國(guó)建筑業(yè)及工業(yè)計(jì)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛運(yùn)用.目前,關(guān)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(yuǎn)

6、程抄表系統(tǒng)中最核心的部分是接口電路,遠(yuǎn)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(zhuǎn)換所需要的轉(zhuǎn)化器介紹方面的內(nèi)容則相對(duì)較少,MBUS總線通訊的具體實(shí)現(xiàn)介紹更少.本文對(duì)采集器中的接口電路進(jìn)行研究和討論,給出一種可行的設(shè)計(jì)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(jī)之間不能直接交換信息,因此只能通過(guò)采集器來(lái)對(duì)每一個(gè)終端儀表設(shè)備進(jìn)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(guò)串口和儀表交換信息,而串口接口標(biāo)準(zhǔn)是TTL電平,所以接口電路就是實(shí)現(xiàn)rrrLMBUS電平轉(zhuǎn)換口1

7、.收稿日期:2011-0425基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60874106).作者簡(jiǎn)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(dǎo)師,研究方向?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的國(guó)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(fù)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?hào)采用電壓值的變化來(lái)表示,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(shí),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?hào)采用電流值的變化來(lái)表示,即終端向集中器返回?cái)?shù)據(jù)通過(guò)調(diào)節(jié)流經(jīng)終端儀表的電流來(lái)實(shí)現(xiàn),通常用1.5mA的電流值表示邏輯"1",當(dāng)傳輸"0"時(shí),由終端儀表控制可使電流值增加1l20mA.在穩(wěn)態(tài)時(shí),線路上的值為持續(xù)的"1"狀態(tài).當(dāng)終端接收信號(hào)時(shí),其電流應(yīng)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(shí)流經(jīng)自身電流的波形圖,圖2當(dāng)中終端負(fù)載只是一塊儀表.,0'媛"1''時(shí)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(dāng)距離比較遠(yuǎn)時(shí),總線上的分布電阻將會(huì)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(duì)值為接收信號(hào),即具有動(dòng)態(tài)接收信號(hào)的能力.2接口硬件設(shè)計(jì)2.1總體電路圖在實(shí)際的工程應(yīng)用當(dāng)中,要設(shè)計(jì)出一種能驅(qū)動(dòng)多達(dá)數(shù)百塊負(fù)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(zhuǎn)換電路有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力,給出了一種可行的設(shè)計(jì)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(shù)師范

10、大學(xué)第21卷M+和M一是負(fù)載的接口,PC817是光電耦合器,LM358是雙運(yùn)算放大器.下面分別對(duì)發(fā)送和接收回路進(jìn)行討論.(1)發(fā)送電路如圖4所示,當(dāng)TXD發(fā)送高電平"1"時(shí),三極管Q2導(dǎo)通,光耦U4導(dǎo)通工作,驅(qū)動(dòng)三極管Q1工作,同時(shí)+36V電源為負(fù)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(hào),對(duì)輸入,輸出電信號(hào)有良好的隔離作用,可以減少電路當(dāng)中存在的干擾,增強(qiáng)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(shí)際應(yīng)用當(dāng)中,MBUS系統(tǒng)是一個(gè)帶有通信控制機(jī)的多級(jí)系統(tǒng),它是由主站和一定數(shù)量的從站(終端儀表1通過(guò)兩根電纜連接

11、而成,所有的終端負(fù)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(xì)電路圖如圖5所示.R圖5接收數(shù)據(jù)電路D1當(dāng)儀表向采集器返回?cái)?shù)據(jù)時(shí),通過(guò)改變儀表的電流大小來(lái)實(shí)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(fù)載掛接100塊儀表,穩(wěn)態(tài)時(shí)流經(jīng)電阻R0的電流為1.5mAxl00=150mA,儀表返回?cái)?shù)據(jù)時(shí),若返回?cái)?shù)據(jù)"1",流經(jīng)R0的電流為150mA;若返回?cái)?shù)據(jù)"0",儀表調(diào)節(jié)自己的輸出電流,此時(shí)流經(jīng)電阻R0的電流為150mA+(1120)mA,按165mA計(jì)算,V1=16510=1.65V.首先經(jīng)過(guò)u1一級(jí)運(yùn)放,該運(yùn)放實(shí)質(zhì)是一

12、個(gè)射級(jí)跟隨器,其優(yōu)點(diǎn)是可以避免下一級(jí)電路對(duì)v1的影響,V2一V1;然后進(jìn)行U2二級(jí)運(yùn)放,該運(yùn)放是一個(gè)比例放大器,本電路設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)R2/R1=10,V3V2xR2/R1=16.5V,該運(yùn)放的供電電壓決定了帶負(fù)載的能力,如果選擇供電電壓小于l6.5v,就會(huì)過(guò)載;最后經(jīng)過(guò)U3三級(jí)運(yùn)放,該運(yùn)放功能本質(zhì)是一個(gè)比較器,極性電容c1,穩(wěn)壓二級(jí)管D1和肖特基二級(jí)管D2在電路當(dāng)中起到關(guān)鍵性的作用.圖5中,在負(fù)載處于穩(wěn)態(tài)"0"的時(shí)候,通過(guò)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(zhǔn)電壓.c1在這里主要有兩個(gè)作用:一是它能使得存儲(chǔ)的電壓長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定,準(zhǔn)確

13、地為比較器提供基準(zhǔn)電壓,當(dāng)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(jìn)行比較,V4得到的就是高低電平的矩形波信號(hào);二是有利于消除線路上的高頻信號(hào),起到抗干擾的作用.D1這個(gè)穩(wěn)壓管在電路當(dāng)中起到保護(hù)比較器的作用,當(dāng)負(fù)載電路由于某種原因?qū)е码娏髟龃髸r(shí),那么V3必然增大,穩(wěn)壓管可以防止V3這個(gè)電壓增長(zhǎng)過(guò)大,導(dǎo)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(guò)大,如果過(guò)大,由上式所求vi的值會(huì)過(guò)小,與基準(zhǔn)電壓偏離太大,比較器將失去比較功能,V4不會(huì)得到經(jīng)比較器比較

14、后的方波信號(hào),波形將會(huì)變成一條直線.肖特基二極管D2在返回?cái)?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(diǎn)在于它的動(dòng)態(tài)比較性,如果沒(méi)有D2,Vi這個(gè)輸入電壓就會(huì)反作用于基準(zhǔn)電壓,使基準(zhǔn)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(shí),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(shí)際的電路當(dāng)中,第三級(jí)運(yùn)放的同相輸入的信號(hào)波形并沒(méi)有像上圖那樣穩(wěn)定,是帶有噪1'腳"0"時(shí)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(shí)間/s圖7反相輸入波形圖聲的,正是經(jīng)過(guò)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(qiáng)了信號(hào)的可靠度.通過(guò)比較器得到V4這個(gè)方波信號(hào),經(jīng)穩(wěn)壓管D3轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(duì)終端儀表進(jìn)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(shè)計(jì)完成之后,可以通過(guò)采集器的CPU來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,這里的CPU采用AVR單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn),即通過(guò)串口TXD和RXD兩通訊口.在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中,每個(gè)采集器都會(huì)被初始化一個(gè)地址,終端儀表也會(huì)有確定的地址,要抄取數(shù)據(jù),按照約定的協(xié)議通過(guò)串口將抄表命令通過(guò)TTLMBUS轉(zhuǎn)換電路發(fā)送到終端

16、儀表.2.3負(fù)載問(wèn)題在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中,一個(gè)重要的問(wèn)題就是采集器的承載能力,在保證電路中各個(gè)元器件正常工作的前提下,加大負(fù)載的方法之一就是通過(guò)加大運(yùn)算放大器的供電電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)_7_.但是也不能過(guò)大地加大采集器的負(fù)載.負(fù)載過(guò)多時(shí),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(fù)載向采集器返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)改變的電流最多也只有2OmA左右,如果穩(wěn)態(tài)電流相對(duì)于電流的改變量(20mA)大得多的話,必然導(dǎo)致電路的靈敏度降低,最終就導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯(cuò)誤,所以在調(diào)節(jié)負(fù)載的時(shí)候要權(quán)衡各種因素.3結(jié)束語(yǔ)本設(shè)計(jì)已經(jīng)在天津市濱海新區(qū)試運(yùn)行,運(yùn)行表明,所設(shè)計(jì)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(zhuǎn)MBUS

17、電路,可以遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)【8_,同時(shí)基于MBUS技術(shù),構(gòu)成了良好的主從機(jī)結(jié)構(gòu),能夠保證系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控,實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù),徹底解決了傳統(tǒng)的人工抄表帶來(lái)的諸多缺點(diǎn),大大提高了熱力部門的信息化管理.參考文獻(xiàn):1張麗娜,王林,朱起淅,等.一種基于MBUS的通信接口設(shè)計(jì)J.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2010,27(10):156159.2曹贄,葉樺.遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中集中器及MBus總線通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J_工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2009,22(8):7-9.3徐純,劉云.MBUS在遠(yuǎn)程水表集中抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用J.電子科學(xué),2009(18):4243.4徐樂(lè)年,戚玉涵,員玉良,等.基于MBUS的智能明渠流量傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用J_j.煤礦安全,2008(12):6870.5馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.6孫涵芳.MCS一51(96)單