M-Bus儀表總線原理研究

1、M-Bus儀表總線原理研究Research on Principle of Instrument Bus M-Bus摘要:本文詳細(xì)的介紹了M-Bus總線的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳送工作原理及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等重要內(nèi)容，并對(duì)M-Bus系統(tǒng)的總線收發(fā)器TSS721作了詳盡的闡述。在應(yīng)用方面，公共事業(yè)儀表通過(guò)擴(kuò)展M-Bus總線，使其具有與M-Bus儀表總線通訊的功能，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表。關(guān)鍵詞：M-Bus 總線; 總線收發(fā)器; 遠(yuǎn)程抄表Abstract：This paper presents the industrial background of M-Bus and gives a detailed descr

2、iption about the important content of the hierarchy network structure、data transmission principle and network protocol of M-Bus. The M-Bus transceiver TSS721 is also introduced at the same time . For the application of M-Bus, the remote reading of utility meters is a good example. Key words：Meters b

3、us；application；remotely coping meters1 M-Bus總線的提出對(duì)于一個(gè)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)來(lái)講，總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就是終端用戶所消費(fèi)的水、電、氣等重要數(shù)據(jù),因此對(duì)總線的抗外部干擾性要求非常高，要能抵抗各種容性、感性的偶合干擾，所有從設(shè)備及從設(shè)備和主設(shè)備之間都相互隔離。同時(shí)又要求組網(wǎng)成本相對(duì)較低，傳輸線無(wú)須使用屏蔽電纜，而且為節(jié)約成本，要采用遠(yuǎn)程供電的方式給從設(shè)備提供電源，以盡可能減少元器件的使用。解決這些現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題必須要采用一種合適的總線結(jié)構(gòu)。M-Bus由Paderborn大學(xué)的DrHorst Ziegler與TI公司的Deutschland GmbH和TechemG

4、mbH共同提出，M-Bus總線的概念居于ISO-OSI參考模型，但是M-Bus又不是真正意義上的一種網(wǎng)絡(luò)。在OSI的七層網(wǎng)絡(luò)模型中，M-Bus只對(duì)物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層進(jìn)行了功能定義，由于在ISO-OSI參考模型中不允許上一層次改變?nèi)绮ㄌ芈?、地址等參?shù)，因此在七層模型之外M-Bus定義了一個(gè)管理層，可以不遵守OSI模型對(duì)任一層次進(jìn)行管理。M-Bus總線的提出滿足了公用事業(yè)儀表的組網(wǎng)和遠(yuǎn)程抄表的需要，同時(shí)它還可以滿足遠(yuǎn)程供電或電池供電系統(tǒng)的特殊要求。M-Bus串行通信方式的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常適合公用事業(yè)儀表的可靠、低成本的組網(wǎng)要求，可以在幾公里的距離上連接幾百個(gè)從設(shè)備。2 M-Bus工作

5、原理M-Bus是一個(gè)層次化的系統(tǒng)，由一個(gè)主設(shè)備、若干從設(shè)備和一對(duì)連接線纜組成，所有從設(shè)備并行連接在總線上，由主設(shè)備控制總線上的所有串行通信進(jìn)程。如圖1所示。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)從設(shè)備的遠(yuǎn)程供電，總線上的碼流表示如下：通過(guò)電平的偏移實(shí)現(xiàn)主設(shè)備到從設(shè)備的碼流傳遞，在總線驅(qū)動(dòng)器（主設(shè)備的一部分）上：邏輯“1”（MARK）對(duì)應(yīng)36V的電壓，在傳送邏輯“0”（SPACE）時(shí)，總線驅(qū)動(dòng)器將總線上的電壓從36V減少到24V。從設(shè)備到主設(shè)備的碼流傳遞則通過(guò)調(diào)制從設(shè)備消耗的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。邏輯“1”用1.5mA的恒定電流表示，邏輯“0”則需在1.5mA的基礎(chǔ)上再加上11-20mA的電流。MARK值時(shí)的電流可以用來(lái)給接口電路甚

6、至是儀表或傳感器電路供電。圖2表示了主、從設(shè)備碼流傳送時(shí)電壓和電流的變化。從上圖可以看到由于總線驅(qū)動(dòng)器的阻抗影響，從設(shè)備傳送低電平時(shí)總線上的電壓會(huì)略微降低一些。此外還可以看到總線上的靜止?fàn)顟B(tài)是邏輯“1”，此時(shí)總線驅(qū)動(dòng)器上的電壓是36V，從設(shè)備的靜態(tài)電流是1.5mA。當(dāng)所有從設(shè)備都不輸出邏輯“0”時(shí)，總線驅(qū)動(dòng)器輸出一個(gè)恒定的電流以驅(qū)動(dòng)總線，由于傳輸線的阻抗衰減，同時(shí)根據(jù)從設(shè)備和主設(shè)備的距離及從設(shè)備總靜態(tài)電流的大小，在從設(shè)備端的實(shí)際電壓要略低于36V。因此從設(shè)備在識(shí)別總線上的碼流時(shí)是根據(jù)12V電平的偏移而不是根據(jù)電壓的絕對(duì)值來(lái)進(jìn)行的。主設(shè)備在接收從設(shè)備發(fā)送的SPACE值時(shí)則是根據(jù)總線電流有11-2

7、0mA的增加來(lái)判別。因此M-Bus在任何時(shí)候數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚴菃蜗虻?，從主設(shè)備到從設(shè)備或從從設(shè)備到主設(shè)備，這種通信方式不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)從設(shè)備的遠(yuǎn)程供電同時(shí)還獲得了對(duì)外部干擾的很強(qiáng)的抵抗能力。3 M-Bus 總線收發(fā)器為了滿足M-Bus總線上從設(shè)備的使用要求，TI公司開發(fā)了M-Bus總線收發(fā)器TSS721。TSS721作為從設(shè)備到M-Bus總線的接口電路，大大降低了設(shè)備成本。除了按M-Bus總線規(guī)范收發(fā)數(shù)據(jù)以外，TSS721還提供了到微處理器的電平轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)從設(shè)備和微處理器的通信。此外TSS721還能提供極性反接保護(hù)和總線電壓故障指示等功能。* 數(shù)據(jù)接收總線電壓VBUS由BUSL1和BUSL2兩端的壓

8、差決定并受到主從設(shè)備距離的影響，電容SC上的動(dòng)態(tài)參考電平可以使比較器TC3和總線上高電平電壓能形成一種動(dòng)態(tài)平衡。電容SC充電和放電的電流比例必須大于30倍以使UART通信協(xié)議獨(dú)立于具體數(shù)據(jù)內(nèi)容。比較電路TC3用來(lái)檢測(cè)從主設(shè)備來(lái)的信號(hào)，并根據(jù)電壓VBUS=SPACE或MARK來(lái)開關(guān)TX和TX1以輸出數(shù)據(jù)給從機(jī)。* 數(shù)據(jù)發(fā)送通過(guò)TC4和恒流源CS3可以將RX和RXI端接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為總線電流。在傳送MARK信息時(shí)總線出現(xiàn)的是較低的靜態(tài)電流，傳送SPACE信息時(shí)TC4將恒流源打開總線上出現(xiàn)附加的11-20mA電流。電阻Rris可以調(diào)節(jié)這個(gè)附加電流的大小。由于M-Bus總線是半雙工總線，為避免總線沖

9、突，RX（I）上的信號(hào)會(huì)回應(yīng)在TX（I）上。4 M-BUS總線協(xié)議* 數(shù)據(jù)鏈路層M-Bus數(shù)據(jù)鏈路層傳輸協(xié)議基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 870-5，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備和系統(tǒng)的通信協(xié)議進(jìn)行了定義。M-Bus數(shù)據(jù)鏈路層傳輸協(xié)議源于IEC 870-5但是沒(méi)有使用到其中的全部功能。該協(xié)議采用異步串行傳輸方式，信息幀的同步由起始位和結(jié)束位來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于總線的靜止?fàn)顟B(tài)為邏輯1（MARK），因此起始為必須是邏輯0（SPACE）而結(jié)束位是1（MARK）。此外M-Bus數(shù)據(jù)鏈路層還采用IEC 870-5數(shù)據(jù)完整性類別I2的信息幀格式來(lái)處理傳輸過(guò)程中可能產(chǎn)生的傳輸故障。* 應(yīng)用層M-Bus的應(yīng)用層協(xié)議參照數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)EN14

10、34-3中的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用層協(xié)議。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)同樣也適用于其它共用事業(yè)儀表如燃?xì)獗砗退淼?。然而EN1434-3中僅定義了回應(yīng)方向上的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，M-Bus應(yīng)用層協(xié)議還對(duì)主機(jī)到從機(jī)通信的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定義。應(yīng)用層協(xié)議可以完成包括數(shù)據(jù)傳輸、制造商識(shí)別碼設(shè)定、從設(shè)備配置，以及應(yīng)用層的故障甄別等功能。5 M-BUS總線的應(yīng)用M-Bus總線的工作狀態(tài)分為數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)和空閑工作方式兩種，數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)又分為主站至從站的數(shù)據(jù)傳輸和從站至主站的數(shù)據(jù)傳輸。主站至從站的數(shù)據(jù)傳輸只允許一個(gè)主站連接到戶用儀表總線。主站工作時(shí)應(yīng)向總線提供電源。家用公共事業(yè)儀表通過(guò)擴(kuò)展MBus總線，使其具有與MBus儀表總線通訊的功能，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表功能。典型的M-Bus系統(tǒng)如圖6所示。6 結(jié)束語(yǔ)M-Bus儀表總線是一種低成本的戶用電子系統(tǒng)，使用M-Bus儀表總線可以方便地實(shí)現(xiàn)戶用電表、水表、熱量表等公共事業(yè)儀表的聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程抄表功能，在