0 引言

    儀表總線M-BUS(Meter-BUS)是一種用于遠(yuǎn)程儀表讀取數(shù)據(jù)的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，也可用于所有其他類型的耗能測量儀表(即需要提供電源的測量儀表)以及傳感器等^[1]。M-BUS通過兩線電纜不分極性來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且可通過總線為從機芯片供電，可在幾公里內(nèi)利用非屏蔽線進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通信，且成本低，從而被廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程抄表和公共事業(yè)儀表的聯(lián)網(wǎng)。

    M-BUS采用主從串行異步通信方式，要求通信接口區(qū)分主機與從機。雖然從機部分已經(jīng)有了TI公司研制的TSS721A終端收發(fā)芯片作為處理核心，但在主機部分尚未有專用集成電路問世，因此各公司和廠家都根據(jù)M-BUS總線標(biāo)準(zhǔn)自行設(shè)計電路^[2]。大量的實踐證明，傳統(tǒng)的主機設(shè)計只能帶約150個從機，超過200個就容易出現(xiàn)通信失敗現(xiàn)象^[3]。即主機發(fā)送電路的驅(qū)動能力不夠，帶負(fù)載能力弱，在遠(yuǎn)距離分散多負(fù)載的情況下，信號波形失真嚴(yán)重，無法正常通信。而且，傳統(tǒng)的M-BUS通信接收均采用直接進(jìn)行電壓比較的方式來實現(xiàn)，這種M-BUS主機電路的不足在于：當(dāng)遇到負(fù)載量發(fā)生變化或負(fù)載參數(shù)未知時，主機接收端無法適應(yīng)，導(dǎo)致接收不穩(wěn)定或錯誤接收^[4]。本文對現(xiàn)有的一種主機端收發(fā)電路進(jìn)行了改進(jìn)，以提高M(jìn)-BUS在主機端對數(shù)據(jù)的收發(fā)性能。

1 M-BUS總線原理

    如圖1所示，M-BUS通過兩線電纜實現(xiàn)一個主機與多個從機的總線型組網(wǎng)通信。掛接在總線上的從機為各種耗能儀表或者傳感器等。總線集中器向上與主機相連，既可以通過計算機聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，也可以通過手持設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。

    M-BUS主機的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)方式在物理層上的定義是不同的，發(fā)送時采用電壓調(diào)制的形式，接收時采用電流調(diào)制的形式^[5]。因此，主機與從機的接口電路的結(jié)構(gòu)也不相同。圖2為主機端與從機端在總線上所發(fā)送信號的示意圖。主機向從機發(fā)送的是12 V~42 V的高低電壓電平信號，因為遠(yuǎn)距離傳輸會導(dǎo)致信號在總線上出現(xiàn)不確定的壓降，所以總線協(xié)議中沒有給出固定值，但高低電平之間的壓降須在10 V以上。從機通過檢測總線電壓的變化來判斷接收的邏輯值為“1”或“0”。從機向主機發(fā)送的是電流信號，此時，總線兩端的電壓因主機端的發(fā)送電路而保持為高電壓電平不變。當(dāng)并聯(lián)掛接在總線上的從機在發(fā)送邏輯“1”時，表現(xiàn)在總線上消耗小于1.5 mA的電流；當(dāng)發(fā)送邏輯“0”時，從機則會在1.5 mA的基礎(chǔ)上多消耗11 mA~20 mA。主機通過相應(yīng)的電流檢測電路將接收的電流信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電平信號。

2 主機接口電路設(shè)計

2.1 發(fā)送電路的改進(jìn)

    現(xiàn)已有一種M-BUS總線驅(qū)動電路^[4]，即主機端發(fā)送電路，如圖3所示。端口TXD1為內(nèi)部發(fā)送信號的輸入端，發(fā)送信號從TXD1進(jìn)入，通過影響NMOS管V11的開關(guān)來實現(xiàn)電壓信號的切換，并由端口BUS1+和BUS1-輸出到總線上。端口CD1為發(fā)送電路的控制信號端，通過光耦U11B使V12斷開來切斷總線電源。

    該發(fā)送電路采用MOS管設(shè)計輸出驅(qū)動，相比于傳統(tǒng)的采用運放或者三極管設(shè)計輸出驅(qū)動，功率MOS管憑借在寬電壓下優(yōu)秀的開關(guān)特性以及低導(dǎo)通內(nèi)阻和高電流負(fù)荷，在提供高性能輸出的同時，結(jié)構(gòu)簡單。但該發(fā)送電路通過光耦直接連接MOS管的柵極和源極來實現(xiàn)對V11管和V12管的開關(guān)控制。這種方式容易出現(xiàn)以下問題：

    (1)電路中V11管和V12管導(dǎo)通時，源極的電壓會跟隨漏極的電壓，為確保MOS管能夠保持完全開啟，電路在MOS管柵極需要提供較高的正電壓驅(qū)動電源+VA和負(fù)電壓驅(qū)動電源-VB；

    (2)為切斷M-BUS總線電源輸出，該電路通過光耦U11B的導(dǎo)通使V12管截止，但是此光耦的導(dǎo)通，會將驅(qū)動電源-VB接入到電路中，電路仍然會處于通路狀態(tài)；

    (3)電路中的MOS管柵極均未加電壓保護(hù)，V11管與V12管的漏極與源極間的電壓突變會通過極間電容耦合到柵極而產(chǎn)生相當(dāng)高的柵源尖峰電壓，此電壓會使很薄的柵源氧化層擊穿，同時柵極很容易積累電荷，也會使柵源氧化層擊穿^[6]。

    圖4為改進(jìn)后發(fā)送電路。當(dāng)PMOS管V21導(dǎo)通時，總線會被快速上拉到36 V； V21管斷開時，總線保持18 V的基準(zhǔn)電壓。電阻R26的分壓為V21管提供足夠的開啟電壓，穩(wěn)壓二極管D21保護(hù)V21管柵極，防止其被擊穿。當(dāng)電路過載或者為了節(jié)省功耗需要關(guān)閉發(fā)送電路時，可以通過復(fù)位CD2端來實現(xiàn)。R29為采樣電阻，取值較小，R30為一個大電阻。

    此電路做了如下改進(jìn)：

    (1)改進(jìn)后的電路為V21管和V22管分別添加MOS管驅(qū)動電路，降低了對外部驅(qū)動電源的需求；

    (2)改進(jìn)后電路可通過復(fù)位CD2端切斷發(fā)送電路中的所有回路，從而切斷總線以及電路本身電源；

    (3)改進(jìn)后的發(fā)送電路為V21管和V22管分別提供了柵極保護(hù)電路，提高了電路運行的可靠性。

2.2 接收電路的改進(jìn)

    串接在主機端總線接口上的采樣電阻會直接影響到發(fā)送電路的輸出阻抗，所以取值較小，一般在40 Ω以下。總線過來的電流信號經(jīng)采樣電阻過后轉(zhuǎn)換為電壓信號，其分辨區(qū)間依然較小。因此，如何設(shè)置門限分辨高低電壓信號是提高接收電路處理能力的關(guān)鍵。

    圖5為一種傳統(tǒng)的M-BUS主機接收電路，電路對轉(zhuǎn)換后的高電壓電平信號通過電容C31保持在比較器的反向端，并作為比較器的門限電壓，此門限電壓因為二極管D32的固有壓降、小電阻R32的分壓和電容C31本身的放電，所以會比接收的高電壓信號略小，但會比低電壓信號高。穩(wěn)定的門限電壓再與當(dāng)前的接收信號進(jìn)行自比較，從而得出輸出值。

    這種設(shè)計的不足之處在于：當(dāng)總線上掛接的負(fù)載發(fā)生變化或者負(fù)載未知時，端口SIG1接收到的高低電壓信號的幅值也相應(yīng)發(fā)生了變化，而接收電路中二極管D32、電阻R32、R33和電容C31的參數(shù)未變，從而導(dǎo)致跟隨變化的門限電壓適應(yīng)性不強，抗干擾能力差，通信的穩(wěn)定性差。

    改進(jìn)后的接收電路如圖6所示，接收電路選擇從BUS+端獲取轉(zhuǎn)換后的電壓采樣信號，然后通過穩(wěn)壓二極管D41對其進(jìn)行降壓處理。D42和D43為同一型號的2個肖特基二極管，用來將接收信號分成兩路對稱輸入。將其中一路通過電容保持后，兩路信號先經(jīng)過差動運放U41作差并放大，處理后的信號為僅反映當(dāng)前狀態(tài)的電壓信號，其幅值較為穩(wěn)定。再通過比較器U42進(jìn)行比較，從而得出輸出值。

    此電路有如下改進(jìn)：

    (1)改進(jìn)后的接收電路中，接收信號分兩路對稱輸入，從而排除了二極管壓降和電阻分壓等固定參數(shù)的影響，使電路具有更高的分辨處理能力，降低對采樣電阻的要求；

    (2)改進(jìn)后的接收電路通過差動運放對信號進(jìn)行預(yù)處理，從而降低變化負(fù)載帶來的影響，提高電路的適應(yīng)性；

    (3)改進(jìn)后的接收電路在對預(yù)處理后的信號進(jìn)行比較時，通過設(shè)置電阻R47和R48來抬高門限，增強了電路的抗干擾能力。

3 仿真實驗與結(jié)果分析

    在確定了改進(jìn)方案后，即可對收發(fā)電路分別進(jìn)行仿真，并對結(jié)果進(jìn)行對比分析。本文采用Multisim仿真軟件，Multisim是美國國家儀器(NI)有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真軟件，適用于板級的模擬/數(shù)字電路的設(shè)計工作，具有很強的電路仿真分析能力^[7]。

3.1 發(fā)送電路的仿真實驗

    首先對發(fā)送電路的驅(qū)動能力進(jìn)行對比測試。M-BUS的通信距離可達(dá)幾公里，而隨著距離的增加，傳輸線上的負(fù)載電容和負(fù)載電感對信號的影響越來越大，為使其正常通信，則需要降低總線上信號的通信速率，M-BUS總線的通信速率在300～9 600 b/s。這里以通信速率9 600 b/s和通信距離2 000 m為例設(shè)置通信條件，傳輸線采用5類雙絞線。

    圖7為相同通信條件和相同從機數(shù)的情況下發(fā)送電路的對比仿真波形圖，其中V(TXD)為兩個發(fā)送電路的輸入信號，V(RL1)為原發(fā)送電路的輸出信號，V(RL2)為改進(jìn)后發(fā)送電路的輸出信號。電路開啟狀態(tài)下，兩種發(fā)送電路具有相似的輸出波形，說明具有相同的驅(qū)動能力。但在電路關(guān)閉狀態(tài)下，原發(fā)送電路的輸出仍有微弱信號響應(yīng)，而改進(jìn)后的發(fā)送電路則完全切斷電源，無信號響應(yīng)。

3.2 接收電路的仿真實驗

    M-BUS主機接收的是電流信號，并且在從機數(shù)不同的情況下，主機從總線上接收到的電流信號幅值也不相同^[8]。本文通過改變總線負(fù)載電阻的大小來影響總線上的電流。通信條件設(shè)置為通信速率9 600 b/s，通信距離2 000 m，負(fù)載50個從機。

    圖8（a）為此時的仿真波形圖，V(SIGNAL)為總線電流經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)換后的電壓采樣信號，V（RXD1）為原接收電路處理后的信號，V(RXD2)為改進(jìn)后接收電路的處理后信號。圖8（b）為相同條件下負(fù)載450個從機時的仿真波形圖。

    采用10 Ω小的采樣電阻有利于提高電路的驅(qū)動能力，但經(jīng)此電阻轉(zhuǎn)換后的電壓信號的分辨區(qū)間也就較小。如圖8所示，V(SIGNAL)穩(wěn)定后的幅值變化范圍為0.15 V左右，而傳統(tǒng)的接收電路由于二極管的固有壓降無法處理此信號，所以圖中傳統(tǒng)接收電路的輸出一直為高，而改進(jìn)后的電路不但能夠處理，且具有良好的適應(yīng)性，從掛接50個從機到掛接450個從機都能夠在極短時間內(nèi)適應(yīng)，并輸出正確結(jié)果。

4 結(jié)論

    本文對現(xiàn)有的一種M-BUS主機端收發(fā)電路分別進(jìn)行了改進(jìn)。發(fā)送電路中，通過改善電路結(jié)構(gòu)提高了高驅(qū)動發(fā)送電路的可靠性與穩(wěn)定性。接收電路中相比于傳統(tǒng)電路直接進(jìn)行自比較的方式，所改進(jìn)電路通過差動放大器對接收信號進(jìn)行預(yù)處理，再設(shè)置門限進(jìn)行比較，通過變相抬高門限的方法，有利于提高電路的適應(yīng)性和抗干擾能力。對電路分別進(jìn)行了仿真對比，仿真結(jié)果顯示，在保持相同驅(qū)動能力的基礎(chǔ)上，運行更可靠，通信更穩(wěn)定，具有更強的適應(yīng)性和抗干擾能力。

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作者信息:

胡必君，梁華國，易茂祥，許達(dá)文，徐秀敏

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥230009）