HBS通讯回路硬件电路仿真分析

陶淦 石靖峰 何成军 林文涛 赵晓青 武景涛

摘要：  针对家庭总线系统（home bus system，HBS）通讯回路采用黑盒测试其可靠性存在测评工作量大的问题，本文主要对HBS通讯回路硬件电路进行仿真分析。通过对HBS通讯回路的技术研究，利用专业的仿真软件Stspice，建立HBS通讯回路3个核心仿真模型，提出一种新的白盒测试方式。测试结果表明，采用白盒测试方法，将HBS通讯回路的评测工作量缩减50%，其测试方法远优于现有的黑盒测试方式，而且该方法能够有效定位硬件电路的故障区域，解决了HBS通讯回路在不同商用空调基板上应用的适应性问题。该研究对多联机中央空调HBS回路的可靠性评价具有一定的指导意义。

关键词：  家庭总线系统; 仿真模型; 白盒测试; 可靠性评价; 定位; 适应性

中图分类号： TP368.1  文献标识码： A

收稿日期： 20210224; 修回日期： 20210415

作者简介：  陶淦（1978），男，学士，工程师，主要研究方向为中央空调。 Email： taogan@hisensehitachi.com

随着社会的发展和技术的进步，越来越多的企业和家庭安装使用多联机中央空调，而HBS通讯方式在中央空调产品中具有最广泛的应用。近年来，对HBS通讯的研究较多，任兆亭[1]研究了基于RS_232_485与Hom_省略_s总线的协议转换模块;赵连池[2]主要对HBS现场总线技术在多联式空调器中的应用进行研究;刘洋[3]基于HBS总线设计了商用空调系统GSM远程控制器;李文阳[4]对小型水源多联式空调控制系统的设计与实现方法进行研究;宋涛[5]研究了基于HBS的溫室空调控制器;马艳峥[6]对基于HBS协议的智能家庭控制网络进行设计;何惠湘[7]研究了HBS在多联中央空调中的应用;石靖峰等人[8]设计了PIC32MX单片机的无同步时钟电路HBS通信。以上研究重点是软件架构和不同场景的实现方式，李志希等人[911]的专利布局也是针对软件架构来实现，而对于软件载体硬件电路的研究和仿真甚少。硬件电路对空调控制系统性能的稳定具有重要意义，任何小的改动都需要大量的性能测试和兼容性测试，整改验证过程往往需要1年以上。目前，由于通讯应用场景的快速变化，要求通讯电路不断提升负荷和抗干扰能力，但验证过程太耗时，影响技术的更新速度。因此，本文主要对HBS通讯回路硬件电路进行仿真分析，仿真结果表明，在不同通讯距离和不同频率等因素影响下，该测试方法可以快速验证电路，通讯信号符合标准，加快了HBS通讯电路的技术更新速度。该研究对空调控制系统的性能稳定具有重要意义。

1 HBS通讯回路硬件电路组成及工作原理

家庭总线系统（home bus system，HBS）的概念是由日立、三菱、松下和东芝等日系企业联合提出，由日本电子工业联合会/无线工程电子协会HBS标准委员会制定的标准。HBS以双绞线或同轴电缆为通讯介质，控制通道最多可以有64个节点[12]。

HBS驱动芯片多采用日本Mitsumi公司的MM1192[13]芯片，它是Mitsumi公司较新的HBS IC，控制相对简单，且符合HBS标准，具有DATA收发功能。信号收发信号波形采用交替传号反转码[14]（aliernate mark inversion code，AMI）方式，用于与双绞线的连接。上海芯龙半导体在MM1192的基础上，推出了HH1198驱动芯片，减少了芯片外围的电路[15];美国美信半导体也推出了类似的MAX22088[16]驱动芯片，与MM1192争夺市场。

HBS总线上的信号采用脉宽编码方式。由于选用HBS通信芯片要求传输信号的频率最大在10 kHz左右，所以采用50 μs低电平，50 μs高电平表示逻辑“0”，104 μs高电平表示逻辑“1”，采用这种方式抗干扰能力强。接收端通过计算两个下降沿之间的时间，判断逻辑“0”和逻辑“1”。

HBS通讯硬件回路图如图1所示。图1中，调制回路、解调回路以及基板之间互联的回路是HBS通讯的3个关键回路。

2 调制回路理论建模

调制回路是由通讯时钟CLK与通讯数据Data进行AMI编码合成，最终生成一组差分信号，并输入到MM1192第6脚[17]。采用专业仿真软件STspice，参考相应的数据应用手册[18]，对调制回路进行建模，调制回路仿真模型如图2所示。V1是模拟供电回路的5 V电压源，V3是模拟通讯时钟CLK信号（初始电平为低电平，占空比50%，周期为104 μs），V2是模拟Data信号（初始电平为高电平，占空比为25.24%，周期为412 μs）。模拟的Data和CLK信号分别通过三极管Q2和Q1进行或非门处理，经过Q3输入到MM1192第6脚。

3 硬件电路仿真分析

3.1 调制回路硬件电路仿真分析

当CLK或Data为高电平时，I1=5 V/1 kΩ=5 mA，电容放电公式为

I1Δt=CΔU（1）

式中，C=0.022 μF，ΔU=5 V，计算可得Δt=4 μs。

当CLK和Data同时为低电平时，5 V通过R5（1 kΩ）给电容C1充电，充电时间常数为

τ=RC（2）

Von=5×（1-（-t/τ））（3）

式中，τ为R5（1 kΩ电阻）和C1（0.022 μF）电容充电的时间常数;Von为三极管Q3的开启电压;是自然对数;t为充电时间，s。

C1两端电压达到Von=1.4 V以上（其通过R6和R7两个10 kΩ电阻分压），即可达到Q3的开启电压0.7 V。根据式（2）和式（3），计算t=6.6 μs。

调制回路仿真波形T1=3.48 μs，T2=6.6 μs，该结果与计算数据相近，调试回路各结点仿真波形如图3所示。

图3中，CLK是通讯时钟信号，其频率为9 600 kHz，占空比为50%，仿真时需要用电压源V3来设置。具体仿真命令[18]是（0 5 52 μ 10 n 10 n 52 μ 104 μ 5），其中，0代表初始电压为0 V，5代表高电平是5 V，52 μ代表Toff时间是52 μs，10 n代表上升时间是10 ns，10 n代表下降时间是10 ns，104 μ代表周期是104 μs，5代表5个时钟周期。

Data的设置与CLK类似，仿真命令是（0 5 0 10 n 10 n 104 μ 412 μ 2）。

图3中，Vout是仿真输出;

C1是CLK和Data结合在一起的仿真波形;

T1是电容放电仿真时间，T1=3.48 μs;T2是电容充电时间，T2=6 μs。

3.2 解调回路仿真分析

解调回路的核心是把HBS通讯回路的波形滤除杂波，把信号无损的传递给单片机（micro controller unit，MCU）。A点是通讯回路经过MM1192解调后第一脚的输出，二极管D1的作用是当A点为低电平时，瞬间把输出波形拉到低电平（对应图5中Data和Vout下降沿波形）;D2的作用是滤除杂波，提供一个上升沿为38 μs左右的延时。解调回路的建模如图4所示。

3.2.1 解调回路硬件电路分析

1） 当Data第1次为高电平时，充电时间常数τ=RC=（R5+R8）C1=242 μs。A点的电压只有达到1.4 V以上，Vout才会有输出，根据对前文调制回路的分析，时间常数只有达到0.3τ才会有输出，0.3τ=72.6 μs，所以在第一个52 μs的周期，Vout没有输出。

2） 當A点电平为0 V，B点电平为0.7 V，以后每次充电时，B点电平从0.7 V充到1.4 V，根据式（3），Von=0.7 V，计算充电时间t=33.88 μs。

3.2.2 解调回路仿真波形

仿真时间T3=38 μs，该结果与理论计算近似。解调回路各节点仿真波形如图5所示。

图5中，Data是频率为9 600 kHz，占空比为50%的通讯数据信号，仿真时需要用电压源V5来设置。具体仿真命令是（0 5 52 μ 10 n 10 n 52 μ 104 μ 5），其中，0代表初始电压是0 V，5代表高电平是5 V，52 μ代表Toff时间是52 μs，10 n代表上升时间是10 ns，10 n代表下降时间是10 ns，104 μ代表周期是104 μs，5代表5个时钟周期。

图5中C点是图4中三极管Q2的仿真波形;Vout是仿真输出;T3是仿真Vout与Data的延迟时间，T3=38 μs。

3.3 基板之间互联仿真分析

基板之间互联回路的核心是发送端数据要无损的传递到接收端，基板互联回路之间仿真模型如图6所示。图6中，R7是基板之间的终端匹配电阻;R5和R6是基板之间通讯线的内阻。2#基板接收部分把MM1192芯片接收部分简化成一个基准源和一个比较器，C3和C4的作用是吸收信号线的杂波，R1和R2的作用是调节信号幅值。

3.4 基板互联回路硬件电路分析

1） 1#基板发送部分，其可简化为1个5 μ电容（2个10 μ串联）和1个75 Ω电阻串联，其时间常数τ=75×5=375 μs。在通讯过程中，1个周期为52 μs，根据RC回路，放电为

Von=5×（1-（-t/τ））（4）

解得Von=4.3 V（高电平大于3.6 V以上），满足使用要求。

2） 2#基板接收部分，R1和R3具有调节信号相位的作用，由于T3=38 μs，所以接收部分要超前38 μs，即T4=38 μs，说明发送和接收的数据一致。基板之间互联仿真波形如图7所示。仿真时间T4=38 μs，与

解调时间T3=38 μs一致。

V2和V8是图6中AC耦合电路仿真模型，其相关仿真命令为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回路内部的2.5 V基准源，U3是把MM1192内部的恒流源比较器简化成一个运放的仿真模型;Data是V2仿真信号和V8仿真信号相减的差分信号;Vout是仿真输出。由图7可以看出，Vout的输出比Data信号提前38 μs。

4 白盒测试

黑盒测试（blackbox testing）是把产品当成一个黑匣子，对其施加各种应力，以求在一定应力条件下暴露一些产品的可靠性隐患，这些测试统称为黑盒测试。但要想知道产品内部发生了哪些变化，在平静的表面下是否已经隐藏了未知风险，硬件白盒测试就是为了解决此需求。

白盒测试（whitebox testing）是把产品的外壳打开，真实地测量每一根信号线、每一个电源、每一个接口的信号和时序及每一个电路，除了常规的波形观察外，对波形的各项指标和时序的各项指标均进行测试，分析波形是否符合设计预期，同时根据各项指标的测试结果，判断是否符合设计要求。白盒测试的10个关键点如图8所示。

图8中，CH1和CH9需使用差分探头测试，其余测试点可以使用普通探头测试。介于一般示波器只有4个通道，可以按照前文介绍的调制回路（CH3，CH4，CH6）、调制解调回路（CH1，CH2，CH3，CH5）和基板互联回路（CH2，CH3，CH6）各组分别进行测试。假如各个回路的波形与实际测试的波形差别较大，通常情况是某些器件出现故障，结合前期仿真模型，则能快速定位故障器件，使测试变得非常简单。例如：图11中，在信号下降沿，接收比发送延迟10 μs，上升沿延迟38 μs，假如测试时发现上升沿延迟变成38 μs（见图2），应为C1电容用料错误（规格是1 nF，可能焊接成47 nF）;假如测试时发现下降沿延迟变成10 μs（见图4），应为C1电容用料错误（规格是22 nF，可能焊接成1 nF），这些错误用料可以通过前面建立的仿真模型快速定位和分析。

调制回路白盒测试如图9所示。图9中，A点波形是通讯CLK的信号（占空比50%，频率19.2 kHz），对应的示波器测试通道是CH5，B点传输的Data（数据）信号，对应的示波器测试通道是CH3，C点是MM1192输入的第6脚波形（A点和B点经过电路合成后的数据信号），对应的示波器测试通道是CH6，传输的数据符合仿真测试结果。

调试解调回路如图10所示，基板互联回路白盒测试如图11所示。

图10中，CH2是主控基板单片机接收数据，CH3是MM1192第6脚的输入数据，由图10可以看出，CH2的波形是在CH3波形由低到高延迟33μs以后的整形波形，与仿真结果一致。通讯数据1帧包括11个字节，即1个起始位+8個数据位+1个校验位+1个停止位，每帧数据的起始位是0，停止位是1。

图11中，CH3是主控基板传输的Data（数据）信号，CH2是主控基板单片机接收数据，CH6是线控器回路接收数据。由图11可以看出，线控器接收信号和主控基板接收信号波形一致，没有延迟，符合仿真结果。

5 结束语

本文主要对HBS通讯回路硬件电路进行建模和仿真分析，仿真波形与实际电路工作波形基本一致。不能把厂家给出芯片内部的参考电路作为仿真模型的基础，应对电路模型进行适当简化，才能仿真出高质量，有实际意义的波形。本研究也有难以解决的问题，由于带有直流载波HBS通讯技术的仿真需要增加一个差模和共模电感，而现有的仿真软件难以对其精准仿真，本研究在其实际产品应用中，申请了跟其相关的2个发明专利，可以通过后续的深入研究，对直流载波通讯技术进行仿真建模分析。该研究对HBS通讯回路的可靠性评价具有积极的参考意义，同时也可以推广到使用MM1192通讯芯片的基板硬件测评和白盒测试。

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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