自适应实用M-BUS主机接口电路设计

陈渝荐，邓成中，严玉双，何紫杨

(西华大学机械工程学院，四川成都 610039)

0 引言

M-BUS是专门针对水、电、气等消耗测量仪器设备进行远程数据传输所提出的一种总线标准。具有组网成本低、传输距离远、无极性、无需使用屏蔽电缆、总线供电等优点[1-2]。一经提出，便得以广泛应用，尤其是在远程抄表系统中的大量应用，使其得到了长足的发展。

基于M-BUS上述优点以及在公共事业中的广阔应用前景，对M-BUS的研究是很有必要的。M-BUS包含主机和从机2部分，目前，从机部分，已经有类似TSS721等众多满足协议和用户需求的从机收发集成芯片为核心的产品，主机部分暂时还没有成熟的集成芯片产品问世，多是由企业或用户根据协议标准和实际应用情况自行设计电路[3]。

目前市面上存在的主机方案中，主机发送电路部分，多采用开关元件对两个电源进行切换或是利用正负电源叠加的方式实现电压调制，这两种方式旨在增加电路的驱动能力和降低功耗，虽在一定程度上降低了驱动的后级电路的功耗，但都需要在主机的前级电路上增加电源转换电路和复杂的场效应管电压切换驱动电路，导致主机电路复杂，以及增加了整个电路的静态功耗。本方案利用三极管的射极跟随特性，通过改变三极管基极电压从而改变三极管射极的输出电压，达到电压调制的目的，相比于前两种方式，本方案只需单电源供电，驱动电路简单，极大地简化了电路，降低了成本，且没有增加功耗的问题。

接收电路部分，多利用采样电阻对总线上电流引起的电压变化进行直接的采样放大比较后输出的方式接收从机发送数据，这种方式存在自适应能力和抗干扰能力弱的问题，从而限制了从机负载数量和增加了误码率。本方案参考文献[4]中主机接收电路，利用电容和运算放大器对采样电阻上电压的动态变化进行差分放大，这种方式可以有效避免前述方式中因从机数量增加导致采样电阻静态电压增加，从而无法适应运算放大器放大倍数的问题，克服了自适应能力弱的问题，并通过施密特触发电路，对信号进行整形，极大增强了电路的抗干扰能力。

1 M-BUS通信原理

M-BUS的通信协议体系是建立在ISO-OSI参考模型上的一种半双工主从串行通信方式，自下而上定义了物理层、数据链路层和应用层，可以在主从设备间以300～9 600 bps的通信速率双向传输[1-2]。

M-BUS的拓扑结构如图1所示，主机是整个系统的中心，主要功能是给从机供电、对从机进行监控和管理以及采集从机发送的数据。M-BUS采用主机呼叫/从机应答的方式进行通信，从机只有收到主机的询问信号后，才能发送数据，从机与从机之间相互独立且互不通信。

图1 M-BUS总线结构

系统采用总线供电的方式，主机在利用电源线给从机供电的同时完成对从机数据的采集。在物理层上M-BUS的主机和从机收发数据的方式有所不同，主机利用电压调制的方式向从机发送数据，而从机采用电流调制的方式向主机发送数据[4]。

主机向从机发送数据示意图如图2所示，为了增强抗干扰能力，实际应用中从机接收数据时往往是以2根数据线之间的电压差作为依据而不是绝对电压[5]。主机发送逻辑“1”时的高电平电压通常可以在15～42 V之间，而发送逻辑“0”时的低电平电压则至少要低于高电平12 V[3]。当总线空闲时，主机处于高电平状态，故传输数据时起始信号为低电平，结束信号为高电平[1]。

图2 主机发送码流图

从机向主机发送数据示意图如图3所示，从机传输数据时通过改变自身的电流消耗来达到电流调制的目的。从机发送逻辑“0”时,电流不高于1.5 mA,从机发送逻辑“1”时，电流消耗增加至11～20 mA,主机接收数据则以总线上的电流变化作为判断依据[5-6]。当总线处于空闲状态时，从机处于低电平状态，故传输数据时起始信号为高电平，结束信号为低电平[1]。

图3 从机发送码流图

2 M-BUS主机硬件电路设计

M-BUS主机硬件电路的设计主要包含主机发送和主机接收2部分，主机发送电路主要是根据单片机指令实现压差≥12 V的电压调制功能，主机接收电路的主要功能是识别从机发送的2个相差11～20 mA的电流调制信号。

2.1 主机发送电路

主机发送电路如图4所示，通过改变Q1基极的电压，改变主机的输出电压，实现电压调制。R13是主机接收信号时的采样电阻，M-TX是单片机的数据发送端，输出低电平时，Q5、Q3导通，Q1的基极电压等于Q5集电极输出电压，两条总线间输出的压差接近电源电压；当M-TX输出高电平时，Q5、Q3关断，Q1的基极电压由R5和R16分压而来，2条总线间输出的压差接近电源电压的一半。

在对各参考文献中的主机发送电路进行仿真验证时，发现其中大多数电路在发送信号时，总线间电压可以快速从低压跳变到高压，但不能快速从高压跳变到低压，使得高电平和低电平维持时间不一样，并且这种现象会随着通信速率的增加而加剧，最终导致信号畸变。本电路中，Q2和Q4组成了快速降压电路，可以在很大程度上减轻这种现象。

图4 主机发送电路

本电路通过选用不同功率的三极管，例如达林顿管等，完全可以实现大功率输出以达到增加从机数量的目的。除达到简化电路和降低成本的目的外，其最重要的功能是实现了在20～30 V之间的宽范围单电压供电，从而适应各种不同的工作环境，解决了目前众多方案中单一电源供电的问题。此外，利用三极管基极电流控制发射极和集电极电流的特性，可以在主机发送信号时，有效抑制总线上电流跟随电压变化的现象。

2.2 主机接收电路

本文设计的主机接收电路如图5所示，前级电路中，将稳压管DZ1降压后的采样信号，经二极管D1、D2对称输入放大器的同相和反相输入端，利用电容C1对信号的动态变化进行差分放大，U1的输出电压Vout1可由式(1)得出：

(1)

式中：V-和V+分别为U1的反相和同相输入端电压。

本电路中，R7=R9，R1=R10，则可得出式(2)：

(2)

由式(2)可知，当从机没有发送信号且处于空闲状态时，理论上输出等于0；当从机发送信号时，由于电容的电压不能突变的特性，使得运算放大器同相和反相输入端电压不相等，将产生的差分信号放大后输出。

图5 主机接收电路

对于后级电路，利用比较器设计了施密特触发器电路，对放大后的信号进行整形和滤波处理，将最终的信号利用光耦转换成数字信号供单片机接收和处理。本电路中，R2=R5=R4/2构成的施密特触发器的电压阈值V1和V2分别为：

(3)

(4)

当Vout1>V1时，U2输出低电平；当Vout1

该电路的优点是具有很好的自适应和抗干扰能力。在自适应能力上，利用电容的电压渐变特性，将信号进行差分放大，电路将总线上电流变化所引起的电压的动态变化作为判断依据，理论上可以完全不受从机数量的影响；在抗干扰能力上，前级电路的输入端是完全对称的结构，增强了电路抗共模干扰的能力，后级电路中，利用施密特触发器，抬高阈值电压，将翻转电压控制在合理的区间，可以有效排除因受外界干扰或增加从机时致使总线上电流产生变化所引起的误操作。

3 电路测试与波形分析

本电路测试的数据发送频率为11.25 kHz,供电电压为20～30 V，从机电路如图6所示。

图6 TSS721从机电路

3.1 主机发送电路波形分析

图7和图8分别是在电源电压为20 V和30 V时，图4中Q2集电极电压随总线电压变化的波形，信源1为总线电压变化波形，信源2为Q2集电极电压变化波形。可以看出，在总线电压下降时，Q2集电极电压随电源电压增大而升高，说明主机发送电路中以Q2和Q4组成的电路实现了加快总线上电压下降的功能。

图7 Q2放电波形_20 V

图8 Q2放电波形_30 V

图9和图10分别是电源电压为20 V，主机发送数据时，总线上电压变换波形和从机的接收波形，信源1为单片机发送的数字电平信号，信源2为总线上电压变换信号。从图9可以看出，总线空闲时输出高电平接近20 V，MCU发送逻辑高电平时，总线上输出电压接近10 V。图中的波形都具有很好的完整性和实时性。证明该电路可以在通信频率为11.25 kHz,电源20 V电压供电的条件下完成数据发送的任务。

图9 总线电压变化波形

图10 从机接收波形

3.2 从机发送电路波形分析

图11是从机发送数据时，主机的接收波形，信源1为单片机发送的数字电平信号，信源2为主机接收电路输出波形，为了尽可能地增强抗干扰能力，将施密特触发器的阈值电压设置得较高，导致图中主机接收电路输出波形较单片机发送波形略有延迟。但在不同通信速率和从机数量的测试中，并未发现有波形丢失和失真的现象。证明本电路实现了对总线上11～20 mA的电流变化的检测功能，可以接收从机发送的数据。

图11 主机接收波形

4 结束语

本文基于三极管、运算放大器、比较器等常用器件，设计了一种充分满足协议要求的新型实用M_BUS主机电路，克服了目前市面上众多方案中电路复杂、成本高昂、误码率高、自适应能力和抗干扰能力弱等问题。同时本设计最大的优势是可实现宽范围单电源供电，这极大增加了该接口电路的应用范围。在以TSS721为核心的从机负载测试实验中，本电路在各方面性能表现优异，完全可以满足目前市场的需求，应用于消耗测量仪器及计数器等低功耗设备之间的通信。