數(shù)字隔離型RS-232轉(zhuǎn)M-Bus接口電路的設(shè)計(jì)＊

蔣園園 ，張愷樂(lè) ，王智泉 ，鐘德榮

（1.新疆立昂電信技術(shù)有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆立昂軟件服務(wù)有限公司，新疆 烏魯木齊 830011）

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?；谝陨蟽?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。

圖1 TSS721A的引腳圖

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。

圖2 光電耦合隔離電路

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)。

圖3 數(shù)字隔離技術(shù)電路原理圖

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。

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