基于MBUS的智能集中器設(shè)計

羅永剛，鄒志遠(yuǎn)

(1.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2.山東淄博貝林電子有限公司，山東 淄博 255000)

目前，我國城市居民的水表和熱量表數(shù)據(jù)基本上都是人工抄收，然后月底結(jié)算。這種方式不僅要消耗大量的人力物力，而且抄收時間長、精度低，不利于管理部門實(shí)時掌握用戶的用水或用熱情況，因此需要一種智能的抄表系統(tǒng)，完成對表內(nèi)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集[1]。集中器在抄表系統(tǒng)中占有非常重要的地位，現(xiàn)有市場上的集中器大部分帶負(fù)載能力差，每個通信線路負(fù)載帶有60個，一個集中器有2路MBUS最多帶120個表。隨著高層建筑越來越多，每戶使用的表計數(shù)量不斷增加，集中器帶負(fù)載能力差的缺點(diǎn)越來越突出，這大大增加了抄表系統(tǒng)的設(shè)備成本，因此設(shè)計一種帶負(fù)載能力強(qiáng)的集中器非常有必要。本文設(shè)計的集中器帶有4路MBUS總線，每路至少可帶100個負(fù)載。

1 集中器工作原理

集中器主要完成定時抄表和直抄兩個功能。定時抄表是指集中器在設(shè)定抄表時間啟動抄表程序，并把抄收的數(shù)據(jù)存儲到外部存儲器中，等待上位機(jī)查詢。直抄是指當(dāng)集中器接收到來自上位機(jī)的抄表命令之后立刻開始抄收指定地址的表計，將抄收的表數(shù)據(jù)返回給上位機(jī)。圖1是集中器系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)主要由主控制器、時鐘模塊、電源模塊、GPRS模塊、RS485模塊、MBUS主站模塊、存儲模塊組成。主控制器采用PIC16F946,該芯片有10位8通道的A/D轉(zhuǎn)換器;2個帶8位可編程可預(yù)分頻的8位定時器/計數(shù)器和1個16位增強(qiáng)型的定時器/計數(shù)器;2個捕捉、比較和PWM模塊;寬工作電壓范圍[2]。系統(tǒng)中時鐘模塊為系統(tǒng)提供時間,以便于定時抄表。GPRS模塊提供集中器和上位機(jī)的無線通信，RS485電路用來完成集中器的級聯(lián)功能，當(dāng)集中器與集中器距離很近時，通過RS485總線完成級聯(lián)，共用一個GPRS模塊，以便節(jié)省成本。存儲模塊用于存儲抄表數(shù)據(jù)信息及系統(tǒng)參數(shù)。4路MBUS主站模塊用于集中器和表計連接，完成對表計的數(shù)據(jù)抄收。

圖1 集中器系統(tǒng)框圖

2 MBUS總線

由于水表或者熱量表都是電池供電，為了延長電池使用壽命，表內(nèi)主電路使用光電隔離器與通信電路隔離。通信電路由總線供電。水表或熱表抄表系統(tǒng)通信大部分采用MBUS總線，它是一種二線制無序總線，既給表計提供電源又用來傳輸信號,大大節(jié)省了布線成本。圖2是MBUS總線連接圖,通信系統(tǒng)分為從站和主站，從站并接到總線上。

圖2 MBUS總線連接圖

MBUS總線協(xié)議規(guī)定了通信協(xié)議的物理層，對其他通信層沒有涉及。它是一種半雙工通信總線,通信時采用主從方式。MBUS總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位定義如下:(1)由主站向從站傳輸?shù)男盘柌捎秒妷褐档淖兓瘉肀硎?即主站向從站發(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,線路將保持邏輯1狀態(tài),圖3(a)所示是由主站向終端從站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼流圖。(2)從站向主站傳輸?shù)男盘柌捎秒娏髦档淖兓瘉肀硎?即由從站向主站發(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,由從站控制使電流值增加 11～20 mA。圖3(b)所示是由從站向主站傳輸數(shù)據(jù)的碼流圖[3]。

3 主站信號收發(fā)電路

由于總線需要給從站節(jié)點(diǎn)供電，因此電源需要有足夠的驅(qū)動能力。如果每個節(jié)點(diǎn)消耗2～3 mA，當(dāng)100個節(jié)點(diǎn)時需要的電流在 0.2～0.3 A。

圖3 MBUS物理層信號

系統(tǒng)采用12 V直流供電,通過LM7805降壓到5 V直流；將12 V直流升壓到36 V,通過78M24得到24 V。升壓電路采用電壓芯片F(xiàn)P5138，配合幾個元器件就可以升壓到36 V。該芯片輸入電壓1.8～15 V。提供高精度的電壓輸出，輸出誤差在 2%以內(nèi)。工作頻率在 50 kHz～1 MHz,并且有短路保護(hù)功能。

升壓電路如圖4所示，OUT引腳為PWM波形輸出，直接驅(qū)動MOS管；FB引腳為電壓反饋輸入；CTL引腳為輸出電流大小控制，電阻越大，輸出電流越小，當(dāng)斷開時，芯片不工作，可以用該電阻控制芯片處于正常工作模式或待機(jī)模式；SCP引腳外接電容電阻來決定內(nèi)部振蕩頻率；COMP引腳用來對內(nèi)部比較器補(bǔ)償；COSC引腳連接電容，用于電源的軟啟動，系統(tǒng)上電后開始給電容C2充電，當(dāng)充電電壓到達(dá)0.8 V時，引腳OUT開始輸出。圖4中輸出電壓為:

集中器的主要功能是通過MBUS總線連接智能表計，采集儀表內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)，因此能否正確與表計通信是整個系統(tǒng)的核心。發(fā)送電路如圖5所示。

圖5中，Vout為12 V直流升壓后得到的35 V直流，然后通過78M24轉(zhuǎn)換為24 V。TXD為單片機(jī)串行口發(fā)送引腳，當(dāng)TXD為高電平時，三極管Q102導(dǎo)通，場效應(yīng)管Q105導(dǎo)通，總線上輸出35 V直流，為邏輯高電平。當(dāng)TXD為低電平時，Q102不導(dǎo)通而 Q105截止，24 V直流經(jīng)過D102連接總線，總線為邏輯低電平。MBUS采用兩線制，MBUS發(fā)送電路接一根線，另外一根線連接MBUS接收電路。

圖4 升壓電路

圖5 MBUS主站信號發(fā)送電路

MBUS從站到主站發(fā)送的數(shù)據(jù)碼流是一種電流脈沖序列。邏輯1對應(yīng)的最大電流可達(dá)到1.5 mA的穩(wěn)態(tài)電流，邏輯0對應(yīng)的電流是在邏輯1對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電流基礎(chǔ)上額外增加11～20 mA。如何識別電流脈沖序列是成功接收從機(jī)回傳數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。

MBUS接收電路如圖6所示。接收電路中MBUS總線經(jīng)過R5、R6電阻分壓之后連接到單片機(jī)的AD1引腳，單片機(jī)通過測量分壓點(diǎn)的電壓得到穩(wěn)態(tài)時比較器反相端2引腳的電壓。比較器的同相端3引腳連接電容然后通過R1連接單片機(jī)的PWM引腳，并通過電阻R2、R3分壓后接單片機(jī)的AD2引腳，用于測量比較器同相端3引腳的電壓。

圖6 MBUS主站信號接收電路

系統(tǒng)上電后，總線給從機(jī)通信電路供電，由于負(fù)載的個數(shù)以及負(fù)載的特性等原因,在R7上的壓降會有所不同，這也是很多MBUS接收電路當(dāng)負(fù)載特性或個數(shù)有變化時不能正確抄收數(shù)據(jù)的原因。該電路上電后，先測量R4與R7之間的電壓，計算出比較器2引腳的電壓。然后控制PWM輸出給電容C1充電，并不斷采集AD2點(diǎn)的電壓，使比較器3引腳電壓大于比較器2引腳電壓，而略小于當(dāng)總線中傳輸數(shù)字0時比較器2引腳的電壓。該電壓作為比較器的基準(zhǔn)電壓。基準(zhǔn)電壓根據(jù)AD1點(diǎn)的電壓不同而不同，建立一個表格存儲到單片機(jī)存儲器中，以備查詢。當(dāng)從站返回電流脈沖序列時，改變了比較器2引腳的電壓，通過與基準(zhǔn)電壓相比較，OUT1引腳輸出電壓脈沖序列。經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換為0～5 V信號后，接單片機(jī)的串口接收引腳。由于軟件根據(jù)AD1點(diǎn)的電壓實(shí)時調(diào)整比較器3引腳的基準(zhǔn)電壓，使該接收電路適應(yīng)能力大大增強(qiáng)[4]。

在通信過程中，因?yàn)锳D1點(diǎn)電壓值不斷改變，因此當(dāng)集中器通過總線向表計發(fā)送數(shù)據(jù)前，停止AD1點(diǎn)的電壓采樣。當(dāng)接收到從站數(shù)據(jù)返回之后，重新啟動對AD1點(diǎn)的電壓采樣。每隔1 s根據(jù)AD1點(diǎn)不同的電壓，更新一次基準(zhǔn)電壓。

4 從站信號收發(fā)電路

從站MBUS信號的收發(fā)主要由集成芯片TSS721A完成。TSS721A是TI公司專為MBUS總線開發(fā)的從站收發(fā)芯片,執(zhí)行異步半雙工通信協(xié)議,波特率最大為9 600 b/s。發(fā)送器的通信電流大小可通過電阻編程來調(diào)節(jié)。如圖7所示，JP1連接MBUS總線，VDD引腳輸出3.3 V電壓。當(dāng)總線有數(shù)據(jù)到來時，芯片將識別電壓脈沖序,從TX引腳輸出數(shù)字信號，然后通過光電隔離器隔離后，連接單片機(jī)的串口接收引腳RXD1。當(dāng)從站發(fā)送數(shù)據(jù)時，信號從單片機(jī)串口發(fā)送引腳TXD1輸出，通過隔離后連接到TSS721A的接收引腳RX,然后通過TSS721A內(nèi)部轉(zhuǎn)換為電流脈沖序列輸出。

圖7 從站收發(fā)電路

5 無線GPRS通信

GPRS模塊采用深圳有方的M590E,它是一款多功能無線通信模塊，支持 GSM850/1 900 MHz頻段,支持頻段自動選擇，支持標(biāo)準(zhǔn)的AT指令和增強(qiáng)的AT指令。內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議,具有語音短消息和無線通信功能。M590E與單片機(jī)通過串口連接，只需要通過簡單的AT指令就可以完成對模塊的初始化和數(shù)據(jù)的傳輸。通信過程可以分為兩部分，一部分是初始化過程，第二是輸出傳輸過程。系統(tǒng)上電后，先給模塊ON/OFF管腳輸入低電平并保持電平300 ms以上，這時模塊開始啟動，模塊串口會輸出“MODEM STARTUP”提示,然后模塊 ON/OFF管腳輸入高電平或者懸空。這時模塊開始正常工作，輸入“AT”指令，通過回碼判斷模塊是否已經(jīng)工作。然后開始初始化工作，以下是初始化和數(shù)據(jù)發(fā)送的步驟：

(1)at+csq模塊信號強(qiáng)度;

(2)at+ccid模塊是否識別到SIM卡;

(3)at+cgsn查詢模塊的IMEI;

(4)at+creg?查詢模塊是否注冊上網(wǎng)絡(luò);

(5)at+xisp=0設(shè)置模塊用內(nèi)部協(xié)議棧;

(6)at+cgdcont=1,"ip","cmnet"設(shè)置模塊的APN;

(7)at+xiic=1建議PPP連接;

(8)at+xiic?查詢模塊分配到的IP地址;

(9)at+tcpsetup=0,222.134.87.126,5000連接服務(wù);

(10)at+tcpsend=0,20請求發(fā)送20個字節(jié)的數(shù)據(jù)包;

(11)1234567890098764321發(fā)送數(shù)據(jù)[5]。

在實(shí)際應(yīng)用中，如果服務(wù)器發(fā)命令通過GPRS傳輸?shù)竭_(dá)集中器，然后集中器把命令通過MBUS總線轉(zhuǎn)發(fā)給表計，表計數(shù)據(jù)按照原路返回，這樣通信會有很大延時，因此正常集中器工作在定時抄收模式。集中器中設(shè)計有時鐘電路，給集中器設(shè)置抄表時間以及該集中器管理的表計表號，當(dāng)?shù)竭_(dá)抄表時間時，開始抄收該集中器管理的表計，然后存儲到數(shù)據(jù)存儲器中，服務(wù)器讀取的是數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)。

集中器電路中還有時鐘模塊和RS485模塊，這些電路都是常用的電路。時鐘模塊采用PCF8563，給整個系統(tǒng)提供日歷時鐘服務(wù)。RS485采用MAX485芯片完成集中器的級聯(lián)。詳細(xì)電路不再敘述。

本文介紹了集中器的工作原理以及MBUS總線的特點(diǎn)，著重闡述了MBUS收發(fā)電路以及電源電路。由于系統(tǒng)根據(jù)MBUS穩(wěn)態(tài)電壓動態(tài)地調(diào)整比較器基準(zhǔn)電壓，從而避免了由于負(fù)載個數(shù)或負(fù)載特性導(dǎo)致的MBUS負(fù)端壓降變化的弊端，使接收電路的適應(yīng)性大大增強(qiáng)。本設(shè)計已經(jīng)在抄表系統(tǒng)中應(yīng)用，運(yùn)行表明該設(shè)計穩(wěn)定性好，可靠性高，收到了良好的效果。

[1]張愷，李祥珍，張晶.自動抄表系統(tǒng)應(yīng)用模式的探討[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008,25(5):42-33.

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[3]楊景民，宋延民，裴君，等.基于 M-BUS接口電路的研究[J].天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)學(xué)報，2011,3(21):24-27.

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[5]深圳市有方科技有限公司.M590E資料手冊[Z].2008.