(大唐环境产业股份集团有限公司 北京 100097)
摘要：针对市场上M-BUS采集器价格昂贵，种类少，同时对M-BUS采集器的需求增多的问题，研究了M-BUS的通信协议，分析了M-BUS总线调制和解调的方式，设计了一种基于M-BUS的热量表数据采集器硬件电路。利用硬件电路实现M-BUS总线信号的调制和解调，所设计的电路包括M-BUS与热量表连接的发送电路模块、M-BUS与控制器连接的接受电路模块、M-BUS总线短路保护电路和电源模块。并利用Multisim仿真和实际使用情况对该设计进行了验证，结果表明：该设计实现的采集器电路可靠性高、带负载能力强、抄表效率高，在实际应用中取得了很好的效果。
关键词：M-BUS总线；数据采集器；发送电路；接收电路；短路保护电路
Design of the heat meter data acquisition unit hardware circuit
based on M-BUS
Jiang xueli
(Datang Environment Industry Group Co.,Ltd)
Abstract：Aiming at the problems of M-BUS collectors on the market are expensive，the species is less，and the demand has increased for M-BUS data acquisition，this paper does the research on the communication protocol of M-BUS and analyses M-BUS modulation and demodulation，following which a heat meter data acquisition hardware circuit was designed based on M-BUS. The paper achieved M-BUS modulation and demodulation based on hardware circuit including sending circuit connected M-BUS with hear meter，receiving circuit connected M-BUS with controller，M-BUS bus short circuit protection and power modules. The hardware circuit was verified with multisim simulation and actual usage，results show that the hardware circuit that has been designed has high reliability，strong load ability and high reading efficiency，and it has achieved very good effects in the practical application.
Key words：M-BUS bus；data acquisition unit；sending circuit；receiving circuit；short-circuit protection
0 引言
随着人们节能意识的提高，我国居民供热方式逐步由按面积收费体制向按实际使用热量收费体制转变。一户一表，按量收费，可以提高用户的节能意识，达到节能的目的，如何实现数据集中采集和智能抄表[1,2]成为了新的焦点。
为了实现数据集中采集，两线制总线M-BUS[3]（Meter Bus）是专门针对消耗性户用仪表开发的，它采用电压、电流调制，两线制总线，不分正负极，仅用这两条线即实现供电又实现数据传输，采用独特的电平特征传输数字信号，抗干扰能力强，总线供电，降低维护成本，总线通信距离可达几千米。
本文根据M-BUS总线的调制和解调方式，设计实现了一种基于M-BUS的热量表数据采集器硬件电路，具体电路包括M-BUS与热量表连接的发送电路、热量表输出M-BUS总线上过载短路保护电路、M-BUS与控制器连接的接受电路、主机收发机制模块提供电能的电源模块。所设计的电路结构简单，价格低廉，数据传输准确、负载能力强，在实际使用时可以驱动150快以上的热量表，抄表率可达98%以上。
1 M-BUS总线调制与解调方式
在M-BUS热量表数据采集器系统中，单元采集器与热量仪表通过M-BUS总线连接，如图1所示。单元采集器与终端仪表之间是一种主从式通信系统，各热量仪表之间不能直接交换信息，因此只能通过采集器来对每一个热量仪表设备进行数据采集。在单元采集系统中微处理器通过串口与终端仪表交换信息，串口接口是标准的TTL电平，所以硬件采集电路就是实现TTL至M-BUS电平接口转换。要实现单元采集器与热量仪表的数据传输，就是要完成M-BUS总线的数据发送的调制与接收M-BUS数据的解调，M-BUS 总线上的数据采用两种调制[4]方式：电压调制和电流调制。
热量表数据采集单元向热量仪表的数据传输采用电压调制原理，具体方式是当控制器要向仪表发送数据时，M-BUS总线上电压发生改变而电流保持不变，控制器发送数据‘1’时，M-BUS总线上的电压为36V左右，发送数据‘0’时，M-BUS总线电压减小12V，即为24V左右，M-BUS总线通过识别总线两端的差压变化来识别控制器发送的数据。热量仪表向单元采集器应答时，数据传输采用电流调制原理，具体方式是热量仪表向控制器发送数据时，总线电流发生变化，总线电压保持不变，发送数据‘1’时，每个热量表总线上产生约1.5mA左右的电流，当其中一个热量表向控制器发送数据‘0’时，M-BUS总线上的电流增加11至20mA，控制器通过总线电流发生变化而导致采样电压的变化值识别此数据。
2 基于M-BUS的采集器硬件电路
M-BUS的数据采集器硬件电路[6,7,8]的功能就是要实现将控制器发送的数据转换为M-BUS总线数据发送给热量仪表，同时将其应答和发送给控制器的数据解调出来。所设计的电路包括电源模块电路、发送电路、接受电路、过载或短路保护电路，框图如图2所示。
2.1 电源模块电路
本文中基于M-BUS热量表数据采集器硬件电路的供电主要需要3.3V、5V、24V、40V，其中24V是由开关电源提供的，3.3V、5V、40V分别由稳压芯片AMS1117-3.3V，AMS1117-5V，升压芯片LM2577提供，40V的升压电路如图3所示。
图4中，升压芯片LM2577可以将24V电压升至36V-40V左右。当单片机发送逻辑电平‘1’时，光耦U2不工作，R1电阻的另一端为高电平，此时三极管Q1、Q3导通，三极管Q2截止。由于三极管Q1导通，电阻R3的一端经过三极管Q1接地，此时P-MOS管U2的栅极G的电压为30V，源极S与栅极G的差压为10V，P-MOS管U2导通。由于三极管Q2截止，P-MOS管U3的源极S与栅极G的差压几乎为0V，P-MOS管U3截止，M-BUS总线两端的电压为40V左右。当单片机发送逻辑电平‘0’时，P-MOS管U1截止，U3导通，M-BUS总线两端的电压为24V左右。因此发送电路满足了电压调制的原理，实现了M-BUS总线上电压24V与40V的切换，进而实现了控制器向从机热量表发送数据。
2.3 接受电路
根据M-BUS通信协议，设计的接受电路如图5所示。
图5 接受电路
图5中，M-BUS总线上从机发送数据时，当从机发送数据‘0’和稳态时比较器U2负端的电压大于正端电压，比较器U2输出为低电平，三极管Q1截止，光耦U1不工作，此时RXD处为高电平。当从机发送数据‘0’时M-BUS总线上的电流在原有的基础上增加11至20mA，经过采样电阻后电压信号增加。此时比较器正端的电压瞬间增加，比较器负端的电压经过电阻R5、对电容C1充电，使得负端电压逐渐增加，在充电期间比较器正端电压大于负端电压，比较器U2输出高电平，三极管Q1、光耦U1工作，RXD处为低电平。所以通过比较器负端对电容的充放电实现从机发送数据时M-BUS主机接受逻辑电平‘0’和‘1’的切换，进而满足了M-BUS总线电流调制的原理，实现了热量仪表向控制器发送数据。
2.4 短路保护电路
根据M-BUS短路保护的要求，设计的短路保护电路如图6所示。
图6中，将采样电阻分为两个电阻串联，并取在采样电阻Rs2上的电压作为判断M-BUS总线是否短路的标准。当M-BUS总线正常（无短路、无过载）时采样电阻Rs2上的电阻很小，此时比较器输出低电平，三极管Q1截止，宏发继电器由于没有接通，所以宏发继电器控制触头始终接通常闭触头，电阻R6经宏发继电器的常闭触头而接地，P-MOS管导通。发送电路产生的电压给M-BUS供电，发光二极管D1不亮。当M-BUS总线上短路或过载时采样电阻Rs2上的电压较大，比较器输出高电平，三极管Q1导通，宏发继电器接通，控制触头接通常闭触头而常开触头断开，P-MOS管截止，发送电路产生的电压被P-MOS管与M-BUS总线断开而停止供电，发光二极管D1亮。由于发送电阻产生的电压没有给M-BUS供电，采样电阻Rs2的电压会迅速变得很小，比较器输出低电平，三极管截止。但是由于宏发继电器一直接通，所以P-MOS管一直截止，发光二极管一直亮指示M-BUS总线短路状态。
3 M-BUS数据采集器硬件电路仿真
仿真软件Multisim具有丰富的元器件库、齐全的虚拟测试仪器仪表和仿真设计图形化界面等优势。对M-BUS的发送电路和接受电路进行仿真，来验证理论分析的正确性，从而在电路的设计中减少了成本、节约了时间。
3.1 发送电路仿真
由M-BUS总线数据流的电压调制原理分析可知，主机向从机发送数据的电路主要在于实现10V以上的电压调制，对于设计的M-BUS发送电路也就是要实现10V以上电平的变化，如仿真图7所示。
图7 发送电路仿真结果
图7中，一共有两条波形图，上面的波形图表示M-BUS总线电压的波形，下面的波形表示单片机TXD处发送的逻辑电平。当TXD处为高电平时M-BUS总线电压为40V，当TXD处为低电平时M-BUS总线电压为24V，与理论分析符合。
3.2 接受电路仿真
由M-BUS总线数据流的电流调制原理分析可知，从机向主机发送数据的电路主要在于实现M-BUS总线上电流的调制，对于设计的M-BUS接受电路也就是要根据M-BUS总线上因采样电阻电压的变化来实现数据的传输，如仿真图7所示。
图8中，一共有两条波形图，上面的波形图表示M-BUS总线上电流调制时采样电压变化的波形图，下面的波形表示单片机RXD处接受的逻辑电平，当热量表采集器处于稳态或向控制器发送数据“1”时，总线上的电流约为1.5mA*N（N为从机热量表的个数），此时控制器RXD处的波形为高电平，当热量表采集器处于稳态或向控制器发送数据“0”时，总线上的电流约为1.5mA*N+11至20mA，此时控制器RXD处的波形为低电平，与理论分析符合。
4 结 论
本文设计的M-BUS热量表数据采集器硬件电路，经过实际运行情况验证，结果表明，所设计的M-BUS数据采集器电路有以下优点
（1）M-BUS主机各部分电路简单、成本低，仅仅只需要一个24V开关电源即可。
（2）M-BUS主机发送电路带载能力强，在小区试用行中可以带载150块以上的热量表，满足大部分小区的热量表采集系统。
（3）M-BUS主机接受电路稳定性好，可以设置不同的参数进而满足不同带载能力下消去干扰的要求，可靠性高，通信十分稳定，抄表率高达96%以上。
（4）M-BUS短路保护电路电路简单，最大的允许工作电流可以设定，在正常工作状态（无短路）时，电路耗电极小，M-BUS总线发生短路时切断负载的速度快，有短路状态指示。
参考文献:
[1] 郭宏,郭源生,陈岩. 基于嵌入式Linux和GPRS的远程抄
表系统的实现[J]. 电子技术应用,2008,11:82-84.
[2] 李蒙,高仲合. 基于ZigBee和GPRS的远程抄表系统设计
[J]. 电子技术,2014,10:40-42.
[3] 罗永刚,邹志远. 基于MBUS的智能集中器设计[J].
电子技术应用,2013,10:72-75.
[4] 金坤善,刘立群,孙志毅. M-BUS总线在远程抄表中的
运用[J]. 太原科技大学学报,2006,02:114-117.
[5] 吴海峰,李德敏,邹剑. 基于M-Bus的智能水表数据采
集器的设计[J]. 通信技术,2011,10:97-98.
[6] 杨景民,宋延民,裴君,李斌飞. 基于M-BUS接口电路的
研究[J].天津职业技术师范大学学报,2011,03:24-27.
[7] 冯兴乐,张哲,高涛,杜朝阳. 基于M-bus总线在机载系
统的应用改进设计[J]. 信息技术,2014,02:87-90.
[8] 蒋园园,张恺乐,王智泉,钟德荣. 数字隔离型RS-232转
M-Bus接口电路的设计[J]. 微型机与应用,2013,03:23-
25.
[9] 赵文明,佟少强,李长江,郭茂林. 基于M-Bus总线的数
据采集器的设计[J]. 化工自动化及仪表,2012,11:1486-1489.
论文作者:蒋雪丽
论文发表刊物:《电力设备》2017年第26期
论文发表时间:2017/12/23
标签：电路论文; 总线论文; 电压论文; 数据论文; 采集器论文; 线上论文; 电流论文; 《电力设备》2017年第26期论文;