摘  要： 分析介紹了儀表總線（M-Bus）信號(hào)和傳統(tǒng)的RS-232轉(zhuǎn)M-Bus的電路實(shí)現(xiàn)方式，并就此分析了光電耦合隔離型電路和數(shù)字隔離型電路各自的優(yōu)缺點(diǎn),，在此基礎(chǔ)上提出了采用了ADI公司數(shù)字隔離芯片ADuM1201來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字隔離型RS-232轉(zhuǎn)M-Bus的電路設(shè)計(jì),。這種新型電路簡(jiǎn)單易用、隔離性能更強(qiáng),、功耗更低并具有很好的可靠性,。
關(guān)鍵詞： M-Bus；數(shù)字隔離,；TSS721；ADuM1201

　儀表總線M-Bus（Meter Bus）是一種新型的總線結(jié)構(gòu),，最先由德國(guó)帕德波恩大學(xué)的Dr.Horst Ziegler與美國(guó)TI公司的Deutschland GmbH和TechemGmbH共同提出,，1997年歐盟針對(duì)熱量計(jì)量推出標(biāo)準(zhǔn)（EN1434-1997）時(shí)將其納入其中，從而成為歐洲新的一種專門用于公共事業(yè)儀表的總線結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn),。M-Bus是一種專門為消耗量計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)的主從式半雙工傳輸總線,，采用主叫/應(yīng)答的方式通信。M-Bus的主要特點(diǎn)是僅用兩條無(wú)極性的傳輸線來(lái)同時(shí)作為供電線路和傳輸串行數(shù)據(jù)的傳輸線,，采用獨(dú)特的電平特征傳輸數(shù)字信號(hào),，抗干擾能力強(qiáng)；由總線供電,，降低了維護(hù)成本,；采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，擴(kuò)展方便,，組網(wǎng)成本低,，各個(gè)終端裝置（以不同的地址碼確認(rèn)）可并行連接在M-Bus上。將M-Bus用于各類消費(fèi)儀表或相關(guān)裝置的智能化管理系統(tǒng)中時(shí)，可對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)或信號(hào)進(jìn)行采集并傳遞至集中器,，然后再通過(guò)相應(yīng)方式傳送至主站,。基于以上優(yōu)點(diǎn),，M-Bus可廣泛應(yīng)用于住宅小區(qū),、辦公場(chǎng)所等能耗智能化管理系統(tǒng)的布線及連接[1-3]。
　但目前市場(chǎng)上各種儀表及數(shù)據(jù)接收器大多使用RS-232/485通信方式,，很多場(chǎng)合已經(jīng)配備這種傳統(tǒng)的通信儀表和數(shù)據(jù)接收器,，如果想統(tǒng)一采用M-Bus總線方式，就必須替換掉采用這些傳統(tǒng)通信協(xié)議的儀表和儀器,，這樣項(xiàng)目的成本就會(huì)大大增加,。因此，本文提出了一種RS-232/485轉(zhuǎn)M-Bus總線的實(shí)現(xiàn)方式,，以此來(lái)解決項(xiàng)目中遇到的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不同的問(wèn)題,。本文介紹了新型電路的設(shè)計(jì)思路，同時(shí)還對(duì)比分析了傳統(tǒng)光耦合電路和數(shù)字隔離電路的優(yōu)缺點(diǎn),，并闡述了對(duì)M-Bus總線轉(zhuǎn)換電路發(fā)展方向的看法,。
1 基于M-Bus總線的TSS721芯片
　本設(shè)計(jì)中的M-Bus總線通過(guò)TSS721A收發(fā)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。TSS721是美國(guó)德州儀器（TI）公司基于M-Bus儀表總線通信標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的終端收發(fā)芯片[4],，嚴(yán)格遵循M-Bus通信標(biāo)準(zhǔn)（EN1434-3）,。它的兩個(gè)BUSL端分別連接到兩條傳輸線路上，并通過(guò)M-Bus為終端裝置供電,。TSS721采用半雙工異步通信模式與總線上的集中器進(jìn)行通信,，它可通過(guò)整流橋的形式來(lái)避免接入極性的顛倒[5]。TSS721引腳圖如圖1所示,。

　由集中器向終端傳輸?shù)男盘?hào)采用電壓值的變化來(lái)表示,，即集中器向終端發(fā)送的數(shù)據(jù)碼流是一種電壓脈沖序列，用+36 V表示邏輯“1”,，用+24 V表示邏輯“0”,。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，線路將保持“1”狀態(tài),。從終端向集中器傳輸?shù)男盘?hào)采用電流值的變化來(lái)表示,，即由終端向集中器發(fā)送的數(shù)據(jù)碼流是一種電流脈沖序列，通常用1.5 mA的電流值表示邏輯“1”,，當(dāng)傳輸“0”時(shí),，由終端控制可使電流值增加11 mA～20 mA。在穩(wěn)態(tài)時(shí),，線路上的值為持續(xù)的“1”狀態(tài),。當(dāng)終端接收信號(hào)時(shí),，其電流應(yīng)處于穩(wěn)態(tài)“1”，且其電壓值的變化所導(dǎo)致的電流變化不應(yīng)超過(guò)0.2%/V,。
　考慮到傳輸距離的影響,，終端接收芯片應(yīng)該以兩條線路上的電壓差的絕對(duì)值為接收信號(hào)，即具有動(dòng)態(tài)接收信號(hào)的能力,。實(shí)際接收情況為：電壓最高值Vmax的范圍應(yīng)為21～42 V,，當(dāng)電壓值比Vmax低5.5 V時(shí)，應(yīng)記錄一個(gè)標(biāo)記,，當(dāng)比Vmax低8.2 V時(shí),，應(yīng)記錄信號(hào)“0”[6]。
　終端微處理器可以僅由總線供電,，也可僅由自帶電池供電,；同時(shí)也可由總線供電，而用自帶電池作備用電源,，當(dāng)總線供電失敗時(shí),，終端可自動(dòng)切換到電池供電。為保證其中某個(gè)終端裝置短路時(shí)不影響整個(gè)系統(tǒng)的工作,，在各終端電路中應(yīng)接有430±10 Ω的短路保護(hù)電阻,，以保證短路時(shí)的最大電流不超過(guò)100 mA，并減少線路上的電能轉(zhuǎn)化為熱能,。
2 光電耦合隔離電路與數(shù)字隔離電路的比較
　在RS-232轉(zhuǎn)M-Bus的轉(zhuǎn)換電路中,，既可以采用非隔離型電路，也可以采用隔離型電路,。隔離型電路對(duì)輸入和輸出電路可以進(jìn)行隔離,，因此能有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾,。從電路的高可靠性出發(fā),，本設(shè)計(jì)選擇隔離型電路。隔離型電路中又分為傳統(tǒng)的光電耦合隔離電路和數(shù)字隔離電路,，本文對(duì)這兩種電路分別進(jìn)行了介紹和比較。
2.1 光電耦合隔離電路
　光電耦合隔離電路的作用是在電隔離的情況下,，以光為媒介傳送信號(hào),，對(duì)輸入和輸出電路進(jìn)行隔離。光電耦合器輸入端加電信號(hào)使發(fā)光源發(fā)光,，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大小,，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流,，由受光器輸出端引出,，這樣就實(shí)現(xiàn)了電-光-電的轉(zhuǎn)換,。
　光電耦合器是將光電耦合電路進(jìn)行了集成和封裝后得到的IC產(chǎn)品，它把紅外光發(fā)射器件,、紅外光接收器件以及信號(hào)處理電路等封裝在同一管座內(nèi),。最常用的發(fā)光器件是LED發(fā)光二極管，當(dāng)輸入電信號(hào)加到輸入端會(huì)導(dǎo)致LED發(fā)光,，光接收器件接收LED發(fā)光的光信號(hào)后將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并輸出,。
　光電耦合電路結(jié)構(gòu)獨(dú)特，可有效抑制噪聲,、消除干擾,，且開關(guān)速度快、體積小,，可替代變壓器隔離,。圖2為光電耦合器在隔離電路中的典型應(yīng)用電路。

2.2 數(shù)字隔離電路
　數(shù)字隔離器在性能,、尺寸,、成本、效率和集成度方面均有優(yōu)勢(shì),。數(shù)字隔離器的3個(gè)關(guān)鍵要素是：絕緣材料,、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方法，這3個(gè)要素的特點(diǎn)及其相互關(guān)系,，對(duì)于正確選擇數(shù)字隔離器十分重要,。
　之所以引入隔離，是為了滿足安全法規(guī)或者降低接地環(huán)路的噪聲等,。電流隔離確保數(shù)據(jù)傳輸不是通過(guò)電氣連接或泄漏路徑,，從而避免了安全風(fēng)險(xiǎn)。然而,，隔離會(huì)帶來(lái)延遲,、功耗、成本和尺寸等方面的限制,。數(shù)字隔離器的目標(biāo)是在盡可能減小不利影響的同時(shí)滿足安全要求,。
　數(shù)字隔離器采用晶圓CMOS工藝制造，僅限于常用的晶圓材料,。非標(biāo)準(zhǔn)材料會(huì)使生產(chǎn)復(fù)雜化,，導(dǎo)致可制造性變差且成本提高。常用的絕緣材料包括聚合物（如聚酰亞胺PI,，它可以涂成薄膜）和二氧化硅（SiO2）,。二者均具有眾所周知的絕緣特性，并且已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝中使用多年,。聚合物是許多光耦合器的基礎(chǔ),，作為高壓絕緣體具有悠久的歷史,。
2.3 比較選擇
　數(shù)字隔離器使用變壓器或電容將數(shù)據(jù)以磁性方式或容性方式耦合到隔離柵的另一端，光耦合器則是使用LED光,。數(shù)字隔離器使用更先進(jìn)的電路來(lái)編碼和解碼數(shù)據(jù),，支持更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，能夠處理USB和I2C等復(fù)雜的雙向接口,。
　數(shù)字隔離器在尺寸,、速度、功耗,、易用性和可靠性方面具有光耦合器無(wú)法比擬的巨大優(yōu)勢(shì),。
3 基于數(shù)字隔離技術(shù)的接口硬件設(shè)計(jì)　
3.1 電路設(shè)計(jì)原理圖
　本設(shè)計(jì)采用了最新的數(shù)字隔離技術(shù)，其主要電路圖如圖3所示,。

　本設(shè)計(jì)中電路主要結(jié)構(gòu)是RS-232收發(fā)芯片,、數(shù)字隔離芯片和M-Bus收發(fā)芯片，其中M-Bus收發(fā)芯片TSS721A在前面已經(jīng)介紹,，這里主要介紹一下數(shù)字隔離芯片的選型和電路應(yīng)用,。

　本文采用了ADI公司推出的新型ADuM1201芯片作為數(shù)字隔離芯片，它采用的iCoupler技術(shù)是基于芯片尺寸的變壓器,，采用了iCoupler變壓器專利技術(shù)集成變壓器驅(qū)動(dòng)和接收電路,，功耗僅為光電耦合器的1/10~1/50。iCoupler數(shù)字隔離器在125℃高溫環(huán)境下性能和可靠性并不下降,，因此可以采用低成本,、小體積的SOIC封裝，這樣不但降低了成本,，還減小了芯片的體積,。此外，多通道iCoupler數(shù)字隔離器能在同一芯片內(nèi)提供正向和反向通信通道,，這樣就可以使得信號(hào)的傳輸方向更加靈活,，簡(jiǎn)化了芯片間的硬件連接線路。
　ADuM1201所隔離的兩端有各自的電源和參考地,，電源電壓為2.7~5.5 V,，這樣可以實(shí)現(xiàn)低電壓供電，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗,，系統(tǒng)中使用的電源是5 V,。電源和參考地之間接入0.01 μF~0.1 μF電容，以消除高頻干擾,，電容和電源之間的距離應(yīng)在20 mm以內(nèi)，這樣可以達(dá)到更好的濾波效果,。由于兩個(gè)隔離通道高度匹配,，通道間串?dāng)_很小,，并且采用兩通道輸入/輸出反向設(shè)計(jì)，非常適合M-bus總線雙向收發(fā)的特性,，大大簡(jiǎn)化可隔離器與所隔離兩端的硬件連接,。
3.2 電路應(yīng)用與調(diào)試
　本電路現(xiàn)已調(diào)試結(jié)束，在調(diào)試過(guò)程中,，RS-232的數(shù)據(jù)格式是：波特率2 400~115 200 b/s,，8 bit數(shù)據(jù)位，無(wú)效驗(yàn),，1 bit停止位,；M-Bus數(shù)據(jù)格式波特率：300~9 600 b/s； 8 bit/9 bit數(shù)據(jù)位,；偶校驗(yàn)/奇校驗(yàn)/無(wú)效驗(yàn),； 1 bit停止位。
　本電路已應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中,，能很好地進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)議的轉(zhuǎn)換,，并已申請(qǐng)專利。
本文從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的安全性和可靠性兩個(gè)方面著手,，選用了新型的ADI數(shù)字隔離芯片ADuM1201,，在保證數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換高可靠性的同時(shí)，也降低了工作電路的功耗,。在M-Bus調(diào)試器軟件環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，本設(shè)計(jì)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確率高，電路設(shè)計(jì)合理,，具有很好的應(yīng)用前景,。
參考文獻(xiàn)
[1] 宋鵬，王俊杰.儀表總線M-Bus協(xié)議的研究[J].自動(dòng)化儀表,，2004,，25（8）：19-21，25.
[2] 王曉蘭,，趙忠彪,，譚文忠，等.基于M-BUS的接口設(shè)計(jì)研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),，2004,，17（11）：17-18
[3] 孟祥，孫海,，徐春艷.M-Bus總線及其應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,，2003（3）：43-45，50.
[4] 陶永明,，劉立國(guó),，陳永剛.M-Bus終端收發(fā)芯片TSS721的原理及應(yīng)用[J].國(guó)外電子元器件,，2002（9）：31-33.
[5] 常東來(lái)，江億.TSS721A在自動(dòng)抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,，2000,，26（8）：59-60.
[6] 吳劍鋒，李建清,，宋愛國(guó),，等.232_MBus轉(zhuǎn)換電路器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[C].中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)第九屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2007：782-785.