0 引言

    儀表總線M-BUS(Meter-BUS)是一種用于遠程儀表讀取數據的歐洲標準，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據傳輸，并且可通過總線為從機芯片供電，可在幾公里內利用非屏蔽線進行拓撲結構通信，且成本低，從而被廣泛應用于遠程抄表和公共事業儀表的聯網。

    M-BUS采用主從串行異步通信方式，要求通信接口區分主機與從機。雖然從機部分已經有了TI公司研制的TSS721A終端收發芯片作為處理核心，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M-BUS總線標準自行設計電路^[2]。大量的實踐證明，傳統的主機設計只能帶約150個從機，超過200個就容易出現通信失敗現象^[3]。即主機發送電路的驅動能力不夠，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，傳統的M-BUS通信接收均采用直接進行電壓比較的方式來實現，這種M-BUS主機電路的不足在于：當遇到負載量發生變化或負載參數未知時，主機接收端無法適應，導致接收不穩定或錯誤接收^[4]。本文對現有的一種主機端收發電路進行了改進，以提高M-BUS在主機端對數據的收發性能。

1 M-BUS總線原理

    如圖1所示，M-BUS通過兩線電纜實現一個主機與多個從機的總線型組網通信。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網實現遠程數據采集，也可以通過手持設備進行現場數據采集。

    M-BUS主機的發送和接收數據方式在物理層上的定義是不同的，發送時采用電壓調制的形式，接收時采用電流調制的形式^[5]。因此，主機與從機的接口電路的結構也不相同。圖2為主機端與從機端在總線上所發送信號的示意圖。主機向從機發送的是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不確定的壓降，所以總線協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”。從機向主機發送的是電流信號，此時，總線兩端的電壓因主機端的發送電路而保持為高電壓電平不變。當并聯掛接在總線上的從機在發送邏輯“1”時，表現在總線上消耗小于1.5 mA的電流；當發送邏輯“0”時，從機則會在1.5 mA的基礎上多消耗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換為標準的電平信號。

2 主機接口電路設計

2.1 發送電路的改進

    現已有一種M-BUS總線驅動電路^[4]，即主機端發送電路，如圖3所示。端口TXD1為內部發送信號的輸入端，發送信號從TXD1進入，通過影響NMOS管V11的開關來實現電壓信號的切換，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。

    該發送電路采用MOS管設計輸出驅動，相比于傳統的采用運放或者三極管設計輸出驅動，功率MOS管憑借在寬電壓下優秀的開關特性以及低導通內阻和高電流負荷，在提供高性能輸出的同時，結構簡單。但該發送電路通過光耦直接連接MOS管的柵極和源極來實現對V11管和V12管的開關控制。這種方式容易出現以下問題：

    (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動電源+VA和負電壓驅動電源-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，會將驅動電源-VB接入到電路中，電路仍然會處于通路狀態；

    (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省功耗需要關閉發送電路時，可以通過復位CD2端來實現。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：

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

    (2)改進后電路可通過復位CD2端切斷發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采樣電阻過后轉換為電壓信號，其分辨區間依然較小。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鍵。

    圖5為一種傳統的M-BUS主機接收電路，電路對轉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。

    這種設計的不足之處在于：當總線上掛接的負載發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+端獲取轉換后的電壓采樣信號，然后通過穩壓二極管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的電壓信號，其幅值較為穩定。再通過比較器U42進行比較，從而得出輸出值。

    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 仿真實驗與結果分析

    在確定了改進方案后，即可對收發電路分別進行仿真，并對結果進行對比分析。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為基礎的仿真軟件，適用于板級的模擬/數字電路的設計工作，具有很強的電路仿真分析能力^[7]。

3.1 發送電路的仿真實驗

    首先對發送電路的驅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的情況下發送電路的對比仿真波形圖，其中V(TXD)為兩個發送電路的輸入信號，V(RL1)為原發送電路的輸出信號，V(RL2)為改進后發送電路的輸出信號。電路開啟狀態下，兩種發送電路具有相似的輸出波形，說明具有相同的驅動能力。但在電路關閉狀態下，原發送電路的輸出仍有微弱信號響應，而改進后的發送電路則完全切斷電源，無信號響應。

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)為總線電流經采樣電阻轉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。

    采用10 Ω小的采樣電阻有利于提高電路的驅動能力，但經此電阻轉換后的電壓信號的分辨區間也就較小。如圖8所示，V(SIGNAL)穩定后的幅值變化范圍為0.15 V左右，而傳統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適應，并輸出正確結果。

4 結論

    本文對現有的一種M-BUS主機端收發電路分別進行了改進。發送電路中，通過改善電路結構提高了高驅動發送電路的可靠性與穩定性。接收電路中相比于傳統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，仿真結果顯示，在保持相同驅動能力的基礎上，運行更可靠，通信更穩定，具有更強的適應性和抗干擾能力。

參考文獻

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作者信息:

胡必君，梁華國，易茂祥，許達文，徐秀敏

(合肥工業大學 電子科學與應用物理學院，安徽 合肥230009）