基于MBUS的智能集中器设计

罗永刚，邹志远

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255000；2.山东淄博贝林电子有限公司，山东 淄博 255000)

目前，我国城市居民的水表和热量表数据基本上都是人工抄收，然后月底结算。这种方式不仅要消耗大量的人力物力，而且抄收时间长、精度低，不利于管理部门实时掌握用户的用水或用热情况，因此需要一种智能的抄表系统，完成对表内数据的实时采集[1]。集中器在抄表系统中占有非常重要的地位，现有市场上的集中器大部分带负载能力差，每个通信线路负载带有60个，一个集中器有2路MBUS最多带120个表。随着高层建筑越来越多，每户使用的表计数量不断增加，集中器带负载能力差的缺点越来越突出，这大大增加了抄表系统的设备成本，因此设计一种带负载能力强的集中器非常有必要。本文设计的集中器带有4路MBUS总线，每路至少可带100个负载。

1 集中器工作原理

集中器主要完成定时抄表和直抄两个功能。定时抄表是指集中器在设定抄表时间启动抄表程序，并把抄收的数据存储到外部存储器中，等待上位机查询。直抄是指当集中器接收到来自上位机的抄表命令之后立刻开始抄收指定地址的表计，将抄收的表数据返回给上位机。图1是集中器系统框图，系统主要由主控制器、时钟模块、电源模块、GPRS模块、RS485模块、MBUS主站模块、存储模块组成。主控制器采用PIC16F946,该芯片有10位8通道的A/D转换器;2个带8位可编程可预分频的8位定时器/计数器和1个16位增强型的定时器/计数器;2个捕捉、比较和PWM模块;宽工作电压范围[2]。系统中时钟模块为系统提供时间,以便于定时抄表。GPRS模块提供集中器和上位机的无线通信，RS485电路用来完成集中器的级联功能，当集中器与集中器距离很近时，通过RS485总线完成级联，共用一个GPRS模块，以便节省成本。存储模块用于存储抄表数据信息及系统参数。4路MBUS主站模块用于集中器和表计连接，完成对表计的数据抄收。

图1 集中器系统框图

2 MBUS总线

由于水表或者热量表都是电池供电，为了延长电池使用寿命，表内主电路使用光电隔离器与通信电路隔离。通信电路由总线供电。水表或热表抄表系统通信大部分采用MBUS总线，它是一种二线制无序总线，既给表计提供电源又用来传输信号,大大节省了布线成本。图2是MBUS总线连接图,通信系统分为从站和主站，从站并接到总线上。

图2 MBUS总线连接图

MBUS总线协议规定了通信协议的物理层，对其他通信层没有涉及。它是一种半双工通信总线,通信时采用主从方式。MBUS总线上传输的数据位定义如下:(1)由主站向从站传输的信号采用电压值的变化来表示,即主站向从站发送的数据码流是一种电压脉冲序列,用+36 V表示逻辑1，用+24 V表示逻辑 0。在稳态时,线路将保持逻辑1状态,图3(a)所示是由主站向终端从站传输的数据码流图。(2)从站向主站传输的信号采用电流值的变化来表示,即由从站向主站发送的数据码流是一种电流脉冲序列,通常用1.5 mA的电流值表示逻辑1,当传输0时,由从站控制使电流值增加 11～20 mA。图3(b)所示是由从站向主站传输数据的码流图[3]。

3 主站信号收发电路

由于总线需要给从站节点供电，因此电源需要有足够的驱动能力。如果每个节点消耗2～3 mA，当100个节点时需要的电流在 0.2～0.3 A。

图3 MBUS物理层信号

系统采用12 V直流供电,通过LM7805降压到5 V直流；将12 V直流升压到36 V,通过78M24得到24 V。升压电路采用电压芯片FP5138，配合几个元器件就可以升压到36 V。该芯片输入电压1.8～15 V。提供高精度的电压输出，输出误差在 2%以内。工作频率在 50 kHz～1 MHz,并且有短路保护功能。

升压电路如图4所示，OUT引脚为PWM波形输出，直接驱动MOS管；FB引脚为电压反馈输入；CTL引脚为输出电流大小控制，电阻越大，输出电流越小，当断开时，芯片不工作，可以用该电阻控制芯片处于正常工作模式或待机模式；SCP引脚外接电容电阻来决定内部振荡频率；COMP引脚用来对内部比较器补偿；COSC引脚连接电容，用于电源的软启动，系统上电后开始给电容C2充电，当充电电压到达0.8 V时，引脚OUT开始输出。图4中输出电压为:

集中器的主要功能是通过MBUS总线连接智能表计，采集仪表内存储的数据，因此能否正确与表计通信是整个系统的核心。发送电路如图5所示。

图5中，Vout为12 V直流升压后得到的35 V直流，然后通过78M24转换为24 V。TXD为单片机串行口发送引脚，当TXD为高电平时，三极管Q102导通，场效应管Q105导通，总线上输出35 V直流，为逻辑高电平。当TXD为低电平时，Q102不导通而 Q105截止，24 V直流经过D102连接总线，总线为逻辑低电平。MBUS采用两线制，MBUS发送电路接一根线，另外一根线连接MBUS接收电路。

图4 升压电路

图5 MBUS主站信号发送电路

MBUS从站到主站发送的数据码流是一种电流脉冲序列。逻辑1对应的最大电流可达到1.5 mA的稳态电流，逻辑0对应的电流是在逻辑1对应的稳态电流基础上额外增加11～20 mA。如何识别电流脉冲序列是成功接收从机回传数据的关键。

MBUS接收电路如图6所示。接收电路中MBUS总线经过R5、R6电阻分压之后连接到单片机的AD1引脚，单片机通过测量分压点的电压得到稳态时比较器反相端2引脚的电压。比较器的同相端3引脚连接电容然后通过R1连接单片机的PWM引脚，并通过电阻R2、R3分压后接单片机的AD2引脚，用于测量比较器同相端3引脚的电压。

图6 MBUS主站信号接收电路

系统上电后，总线给从机通信电路供电，由于负载的个数以及负载的特性等原因,在R7上的压降会有所不同，这也是很多MBUS接收电路当负载特性或个数有变化时不能正确抄收数据的原因。该电路上电后，先测量R4与R7之间的电压，计算出比较器2引脚的电压。然后控制PWM输出给电容C1充电，并不断采集AD2点的电压，使比较器3引脚电压大于比较器2引脚电压，而略小于当总线中传输数字0时比较器2引脚的电压。该电压作为比较器的基准电压。基准电压根据AD1点的电压不同而不同，建立一个表格存储到单片机存储器中，以备查询。当从站返回电流脉冲序列时，改变了比较器2引脚的电压，通过与基准电压相比较，OUT1引脚输出电压脉冲序列。经过电平转换为0～5 V信号后，接单片机的串口接收引脚。由于软件根据AD1点的电压实时调整比较器3引脚的基准电压，使该接收电路适应能力大大增强[4]。

在通信过程中，因为AD1点电压值不断改变，因此当集中器通过总线向表计发送数据前，停止AD1点的电压采样。当接收到从站数据返回之后，重新启动对AD1点的电压采样。每隔1 s根据AD1点不同的电压，更新一次基准电压。

4 从站信号收发电路

从站MBUS信号的收发主要由集成芯片TSS721A完成。TSS721A是TI公司专为MBUS总线开发的从站收发芯片,执行异步半双工通信协议,波特率最大为9 600 b/s。发送器的通信电流大小可通过电阻编程来调节。如图7所示，JP1连接MBUS总线，VDD引脚输出3.3 V电压。当总线有数据到来时，芯片将识别电压脉冲序,从TX引脚输出数字信号，然后通过光电隔离器隔离后，连接单片机的串口接收引脚RXD1。当从站发送数据时，信号从单片机串口发送引脚TXD1输出，通过隔离后连接到TSS721A的接收引脚RX,然后通过TSS721A内部转换为电流脉冲序列输出。

图7 从站收发电路

5 无线GPRS通信

GPRS模块采用深圳有方的M590E,它是一款多功能无线通信模块，支持 GSM850/1 900 MHz频段,支持频段自动选择，支持标准的AT指令和增强的AT指令。内嵌TCP/IP协议,具有语音短消息和无线通信功能。M590E与单片机通过串口连接，只需要通过简单的AT指令就可以完成对模块的初始化和数据的传输。通信过程可以分为两部分，一部分是初始化过程，第二是输出传输过程。系统上电后，先给模块ON/OFF管脚输入低电平并保持电平300 ms以上，这时模块开始启动，模块串口会输出“MODEM STARTUP”提示,然后模块 ON/OFF管脚输入高电平或者悬空。这时模块开始正常工作，输入“AT”指令，通过回码判断模块是否已经工作。然后开始初始化工作，以下是初始化和数据发送的步骤：

(1)at+csq模块信号强度;

(2)at+ccid模块是否识别到SIM卡;

(3)at+cgsn查询模块的IMEI;

(4)at+creg?查询模块是否注册上网络;

(5)at+xisp=0设置模块用内部协议栈;

(6)at+cgdcont=1,"ip","cmnet"设置模块的APN;

(7)at+xiic=1建议PPP连接;

(8)at+xiic?查询模块分配到的IP地址;

(9)at+tcpsetup=0,222.134.87.126,5000连接服务;

(10)at+tcpsend=0,20请求发送20个字节的数据包;

(11)1234567890098764321发送数据[5]。

在实际应用中，如果服务器发命令通过GPRS传输到达集中器，然后集中器把命令通过MBUS总线转发给表计，表计数据按照原路返回，这样通信会有很大延时，因此正常集中器工作在定时抄收模式。集中器中设计有时钟电路，给集中器设置抄表时间以及该集中器管理的表计表号，当到达抄表时间时，开始抄收该集中器管理的表计，然后存储到数据存储器中，服务器读取的是数据存储器的数据。

集中器电路中还有时钟模块和RS485模块，这些电路都是常用的电路。时钟模块采用PCF8563，给整个系统提供日历时钟服务。RS485采用MAX485芯片完成集中器的级联。详细电路不再叙述。

本文介绍了集中器的工作原理以及MBUS总线的特点，着重阐述了MBUS收发电路以及电源电路。由于系统根据MBUS稳态电压动态地调整比较器基准电压，从而避免了由于负载个数或负载特性导致的MBUS负端压降变化的弊端，使接收电路的适应性大大增强。本设计已经在抄表系统中应用，运行表明该设计稳定性好，可靠性高，收到了良好的效果。

[1]张恺，李祥珍，张晶.自动抄表系统应用模式的探讨[J].电网技术，2008,25(5):42-33.

[2]PIC16F系列参考手册.MICROCHIP Technology Inc[Z].2008.

[3]杨景民，宋延民，裴君，等.基于 M-BUS接口电路的研究[J].天津职业技术师范大学学报，2011,3(21):24-27.

[4]谭立志，吴桂清，宋爱国，等.基于 M-Bus的数据集中器的设计[J].低压电器，2012(14):43-46.

[5]深圳市有方科技有限公司.M590E资料手册[Z].2008.