《電子技術(shù)應用》
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一種改進的M-BUS主機接口電路的設計與仿真
2017年電子技術(shù)應用第1期
胡必君,,梁華國,,易茂祥,許達文,,徐秀敏
合肥工業(yè)大學 電子科學與應用物理學院,,安徽 合肥230009
摘要: M-BUS(儀表總線)以遠程供電及自由拓撲等特點被廣泛應用于儀表或者傳感器的通信中,而其帶負載能力和接收處理能力是限制其應用范圍的兩個關(guān)鍵因素,,為此,,對現(xiàn)有的一種高驅(qū)動主機發(fā)送電路和傳統(tǒng)的主機接收電路分別進行改進。發(fā)送電路通過調(diào)整電路結(jié)構(gòu),,增加MOS管驅(qū)動電路和柵極保護電路,,完善電路的關(guān)閉功能,從而在保持高驅(qū)動的同時,,提高了電路運行的可靠性,;接收電路采用差動運放對接收信號進行預處理再比較,提高了電路對變化負載的適應性和抗干擾能力,。對改進后的發(fā)送電路和接收電路分別進行對比仿真,結(jié)果顯示其收發(fā)性能均得到改善,。
關(guān)鍵詞: 儀表總線 主機 接口電路
中圖分類號: TP23
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.01.026
中文引用格式: 胡必君,,梁華國,易茂祥,等. 一種改進的M-BUS主機接口電路的設計與仿真[J].電子技術(shù)應用,,2017,,43(1):99-102.
英文引用格式: Hu Bijun,Liang Huaguo,,Yi Maoxiang,,et al. Design and simulation of an improved M-BUS host interface circuit[J].Application of Electronic Technique,2017,,43(1):99-102.
Design and simulation of an improved M-BUS host interface circuit
Hu Bijun,,Liang Huaguo,Yi Maoxiang,,Xu Dawen,,Xu Xiumin
School of Electronic Science & Applied Physics,Hefei University of Technology,,Hefei 230009,,China
Abstract: M-BUS(Meter Bus) is widely used in the communication of instruments or sensors with the characteristics of remote power supply and free topology, while its loading capacity and receiving capability are two key factors in limiting its scope of application. The improvements of an existing high-driving transmission circuit and a traditional host receiving circuit were respectively carried out on the host side. The reliability of the transmission circuit was improved by adjusting the structure of the circuit while the high driving force of the circuit was maintained. It added the MOS tube driving circuit and the gate protection circuit, and improved closing function of the circuit. A differential amplifier to preprocess the received signal was adopted in the receiving circuit, which improved the anti-jamming capability and the adaptability to changing load. The transceiver circuit is simulated, and the experimental results indicate that the performance of the transceiver is improved.
Key words : meter bus;host,;interface circuit

0 引言

    儀表總線M-BUS(Meter-BUS)是一種用于遠程儀表讀取數(shù)據(jù)的歐洲標準,,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)利用非屏蔽線進行拓撲結(jié)構(gòu)通信,且成本低,,從而被廣泛應用于遠程抄表和公共事業(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總線標準自行設計電路[2],。大量的實踐證明,,傳統(tǒng)的主機設計只能帶約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,,帶負載能力弱,在遠距離分散多負載的情況下,,信號波形失真嚴重,,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:當遇到負載量發(fā)生變化或負載參數(shù)未知時,主機接收端無法適應,導致接收不穩(wěn)定或錯誤接收[4],。本文對現(xiàn)有的一種主機端收發(fā)電路進行了改進,,以提高M-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??偩€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)遠程數(shù)據(jù)采集,也可以通過手持設備進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集,。

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    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,,因為遠距離傳輸會導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,。主機通過相應的電流檢測電路將接收的電流信號轉(zhuǎn)換為標準的電平信號,。

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2 主機接口電路設計

2.1 發(fā)送電路的改進

    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,。

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    該發(fā)送電路采用MOS管設計輸出驅(qū)動,,相比于傳統(tǒng)的采用運放或者三極管設計輸出驅(qū)動,功率MOS管憑借在寬電壓下優(yōu)秀的開關(guān)特性以及低導通內(nèi)阻和高電流負荷,,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的導通使V12管截止,,但是此光耦的導通,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,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為改進后發(fā)送電路,。當PMOS管V21導通時,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V21管柵極,,防止其被擊穿。當電路過載或者為了節(jié)省功耗需要關(guān)閉發(fā)送電路時,,可以通過復位CD2端來實現(xiàn),。R29為采樣電阻,取值較小,,R30為一個大電阻,。

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    此電路做了如下改進:

    (1)改進后的電路為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)改進后電路可通過復位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)改進后的發(fā)送電路為V21管和V22管分別提供了柵極保護電路,,提高了電路運行的可靠性,。

2.2 接收電路的改進

    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,??偩€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前的接收信號進行自比較,,從而得出輸出值。

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    這種設計的不足之處在于:當總線上掛接的負載發(fā)生變化或者負載未知時,,端口SIG1接收到的高低電壓信號的幅值也相應發(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,,從而導致跟隨變化的門限電壓適應性不強,抗干擾能力差,,通信的穩(wěn)定性差,。

    改進后的接收電路如圖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進行比較,從而得出輸出值,。

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    此電路有如下改進:

    (1)改進后的接收電路中,,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)改進后的接收電路通過差動運放對信號進行預處理,從而降低變化負載帶來的影響,,提高電路的適應性,;

    (3)改進后的接收電路在對預處理后的信號進行比較時,通過設置電阻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

    在確定了改進方案后,即可對收發(fā)電路分別進行仿真,,并對結(jié)果進行對比分析。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)動能力進行對比測試,。M-BUS的通信距離可達幾公里,而隨著距離的增加,,傳輸線上的負載電容和負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,,而改進后的發(fā)送電路則完全切斷電源,,無信號響應。

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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載電阻的大小來影響總線上的電流,。通信條件設置為通信速率9 600 b/s,,通信距離2 000 m,,負載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)為改進后接收電路的處理后信號,。圖8(b)為相同條件下負載450個從機時的仿真波形圖,。

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    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,,而改進后的電路不但能夠處理,且具有良好的適應性,,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,,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)電路分別進行了改進,。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)電路直接進行自比較的方式,,所改進電路通過差動放大器對接收信號進行預處理,,再設置門限進行比較,通過變相抬高門限的方法,,有利于提高電路的適應性和抗干擾能力,。對電路分別進行了仿真對比,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,,具有更強的適應性和抗干擾能力,。

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[8] LEI Y T,LI G H,,WANG L Q.Design and development of TTL-M-BUS level translator[C].2012 Fifth International Conference on Intelligent Networks and Intelligent Systems,,2012.



作者信息:

胡必君,梁華國,,易茂祥,許達文,,徐秀敏

(合肥工業(yè)大學 電子科學與應用物理學院,,安徽 合肥230009)

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