HBS通訊回路硬件電路仿真分析

陶淦 石靖峰 何成軍 林文濤 趙曉青 武景濤

摘要：? 針對家庭總線系統(tǒng)（home bus system，HBS）通訊回路采用黑盒測試其可靠性存在測評工作量大的問題，本文主要對HBS通訊回路硬件電路進行仿真分析。通過對HBS通訊回路的技術(shù)研究，利用專業(yè)的仿真軟件Stspice，建立HBS通訊回路3個核心仿真模型，提出一種新的白盒測試方式。測試結(jié)果表明，采用白盒測試方法，將HBS通訊回路的評測工作量縮減50%，其測試方法遠優(yōu)于現(xiàn)有的黑盒測試方式，而且該方法能夠有效定位硬件電路的故障區(qū)域，解決了HBS通訊回路在不同商用空調(diào)基板上應用的適應性問題。該研究對多聯(lián)機中央空調(diào)HBS回路的可靠性評價具有一定的指導意義。

關鍵詞：? 家庭總線系統(tǒng); 仿真模型; 白盒測試; 可靠性評價; 定位; 適應性

中圖分類號： TP368.1? 文獻標識碼： A

收稿日期： 20210224; 修回日期： 20210415

作者簡介：? 陶淦（1978），男，學士，工程師，主要研究方向為中央空調(diào)。 Email： taogan@hisensehitachi.com

隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進步，越來越多的企業(yè)和家庭安裝使用多聯(lián)機中央空調(diào)，而HBS通訊方式在中央空調(diào)產(chǎn)品中具有最廣泛的應用。近年來，對HBS通訊的研究較多，任兆亭[1]研究了基于RS_232_485與Hom_省略_s總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊;趙連池[2]主要對HBS現(xiàn)場總線技術(shù)在多聯(lián)式空調(diào)器中的應用進行研究;劉洋[3]基于HBS總線設計了商用空調(diào)系統(tǒng)GSM遠程控制器;李文陽[4]對小型水源多聯(lián)式空調(diào)控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方法進行研究;宋濤[5]研究了基于HBS的溫室空調(diào)控制器;馬艷崢[6]對基于HBS協(xié)議的智能家庭控制網(wǎng)絡進行設計;何惠湘[7]研究了HBS在多聯(lián)中央空調(diào)中的應用;石靖峰等人[8]設計了PIC32MX單片機的無同步時鐘電路HBS通信。以上研究重點是軟件架構(gòu)和不同場景的實現(xiàn)方式，李志希等人[911]的專利布局也是針對軟件架構(gòu)來實現(xiàn)，而對于軟件載體硬件電路的研究和仿真甚少。硬件電路對空調(diào)控制系統(tǒng)性能的穩(wěn)定具有重要意義，任何小的改動都需要大量的性能測試和兼容性測試，整改驗證過程往往需要1年以上。目前，由于通訊應用場景的快速變化，要求通訊電路不斷提升負荷和抗干擾能力，但驗證過程太耗時，影響技術(shù)的更新速度。因此，本文主要對HBS通訊回路硬件電路進行仿真分析，仿真結(jié)果表明，在不同通訊距離和不同頻率等因素影響下，該測試方法可以快速驗證電路，通訊信號符合標準，加快了HBS通訊電路的技術(shù)更新速度。該研究對空調(diào)控制系統(tǒng)的性能穩(wěn)定具有重要意義。

1 HBS通訊回路硬件電路組成及工作原理

家庭總線系統(tǒng)（home bus system，HBS）的概念是由日立、三菱、松下和東芝等日系企業(yè)聯(lián)合提出，由日本電子工業(yè)聯(lián)合會/無線工程電子協(xié)會HBS標準委員會制定的標準。HBS以雙絞線或同軸電纜為通訊介質(zhì)，控制通道最多可以有64個節(jié)點[12]。

HBS驅(qū)動芯片多采用日本Mitsumi公司的MM1192[13]芯片，它是Mitsumi公司較新的HBS IC，控制相對簡單，且符合HBS標準，具有DATA收發(fā)功能。信號收發(fā)信號波形采用交替?zhèn)魈柗崔D(zhuǎn)碼[14]（aliernate mark inversion code，AMI）方式，用于與雙絞線的連接。上海芯龍半導體在MM1192的基礎上，推出了HH1198驅(qū)動芯片，減少了芯片外圍的電路[15];美國美信半導體也推出了類似的MAX22088[16]驅(qū)動芯片，與MM1192爭奪市場。

HBS總線上的信號采用脈寬編碼方式。由于選用HBS通信芯片要求傳輸信號的頻率最大在10 kHz左右，所以采用50 μs低電平，50 μs高電平表示邏輯“0”，104 μs高電平表示邏輯“1”，采用這種方式抗干擾能力強。接收端通過計算兩個下降沿之間的時間，判斷邏輯“0”和邏輯“1”。

HBS通訊硬件回路圖如圖1所示。圖1中，調(diào)制回路、解調(diào)回路以及基板之間互聯(lián)的回路是HBS通訊的3個關鍵回路。

2 調(diào)制回路理論建模

調(diào)制回路是由通訊時鐘CLK與通訊數(shù)據(jù)Data進行AMI編碼合成，最終生成一組差分信號，并輸入到MM1192第6腳[17]。采用專業(yè)仿真軟件STspice，參考相應的數(shù)據(jù)應用手冊[18]，對調(diào)制回路進行建模，調(diào)制回路仿真模型如圖2所示。V1是模擬供電回路的5 V電壓源，V3是模擬通訊時鐘CLK信號（初始電平為低電平，占空比50%，周期為104 μs），V2是模擬Data信號（初始電平為高電平，占空比為25.24%，周期為412 μs）。模擬的Data和CLK信號分別通過三極管Q2和Q1進行或非門處理，經(jīng)過Q3輸入到MM1192第6腳。

3 硬件電路仿真分析

3.1 調(diào)制回路硬件電路仿真分析

當CLK或Data為高電平時，I1=5 V/1 kΩ=5 mA，電容放電公式為

I1Δt=CΔU（1）

式中，C=0.022 μF，ΔU=5 V，計算可得Δt=4 μs。

當CLK和Data同時為低電平時，5 V通過R5（1 kΩ）給電容C1充電，充電時間常數(shù)為

τ=RC（2）

Von=5×（1-（-t/τ））（3）

式中，τ為R5（1 kΩ電阻）和C1（0.022 μF）電容充電的時間常數(shù);Von為三極管Q3的開啟電壓;是自然對數(shù);t為充電時間，s。

C1兩端電壓達到Von=1.4 V以上（其通過R6和R7兩個10 kΩ電阻分壓），即可達到Q3的開啟電壓0.7 V。根據(jù)式（2）和式（3），計算t=6.6 μs。

調(diào)制回路仿真波形T1=3.48 μs，T2=6.6 μs，該結(jié)果與計算數(shù)據(jù)相近，調(diào)試回路各結(jié)點仿真波形如圖3所示。

圖3中，CLK是通訊時鐘信號，其頻率為9 600 kHz，占空比為50%，仿真時需要用電壓源V3來設置。具體仿真命令[18]是（0 5 52 μ 10 n 10 n 52 μ 104 μ 5），其中，0代表初始電壓為0 V，5代表高電平是5 V，52 μ代表Toff時間是52 μs，10 n代表上升時間是10 ns，10 n代表下降時間是10 ns，104 μ代表周期是104 μs，5代表5個時鐘周期。

Data的設置與CLK類似，仿真命令是（0 5 0 10 n 10 n 104 μ 412 μ 2）。

圖3中，Vout是仿真輸出;

C1是CLK和Data結(jié)合在一起的仿真波形;

T1是電容放電仿真時間，T1=3.48 μs;T2是電容充電時間，T2=6 μs。

3.2 解調(diào)回路仿真分析

解調(diào)回路的核心是把HBS通訊回路的波形濾除雜波，把信號無損的傳遞給單片機（micro controller unit，MCU）。A點是通訊回路經(jīng)過MM1192解調(diào)后第一腳的輸出，二極管D1的作用是當A點為低電平時，瞬間把輸出波形拉到低電平（對應圖5中Data和Vout下降沿波形）;D2的作用是濾除雜波，提供一個上升沿為38 μs左右的延時。解調(diào)回路的建模如圖4所示。

3.2.1 解調(diào)回路硬件電路分析

1） 當Data第1次為高電平時，充電時間常數(shù)τ=RC=（R5+R8）C1=242 μs。A點的電壓只有達到1.4 V以上，Vout才會有輸出，根據(jù)對前文調(diào)制回路的分析，時間常數(shù)只有達到0.3τ才會有輸出，0.3τ=72.6 μs，所以在第一個52 μs的周期，Vout沒有輸出。

2） 當A點電平為0 V，B點電平為0.7 V，以后每次充電時，B點電平從0.7 V充到1.4 V，根據(jù)式（3），Von=0.7 V，計算充電時間t=33.88 μs。

3.2.2 解調(diào)回路仿真波形

仿真時間T3=38 μs，該結(jié)果與理論計算近似。解調(diào)回路各節(jié)點仿真波形如圖5所示。

圖5中，Data是頻率為9 600 kHz，占空比為50%的通訊數(shù)據(jù)信號，仿真時需要用電壓源V5來設置。具體仿真命令是（0 5 52 μ 10 n 10 n 52 μ 104 μ 5），其中，0代表初始電壓是0 V，5代表高電平是5 V，52 μ代表Toff時間是52 μs，10 n代表上升時間是10 ns，10 n代表下降時間是10 ns，104 μ代表周期是104 μs，5代表5個時鐘周期。

圖5中C點是圖4中三極管Q2的仿真波形;Vout是仿真輸出;T3是仿真Vout與Data的延遲時間，T3=38 μs。

3.3 基板之間互聯(lián)仿真分析

基板之間互聯(lián)回路的核心是發(fā)送端數(shù)據(jù)要無損的傳遞到接收端，基板互聯(lián)回路之間仿真模型如圖6所示。圖6中，R7是基板之間的終端匹配電阻;R5和R6是基板之間通訊線的內(nèi)阻。2#基板接收部分把MM1192芯片接收部分簡化成一個基準源和一個比較器，C3和C4的作用是吸收信號線的雜波，R1和R2的作用是調(diào)節(jié)信號幅值。

3.4 基板互聯(lián)回路硬件電路分析

1） 1#基板發(fā)送部分，其可簡化為1個5 μ電容（2個10 μ串聯(lián)）和1個75 Ω電阻串聯(lián)，其時間常數(shù)τ=75×5=375 μs。在通訊過程中，1個周期為52 μs，根據(jù)RC回路，放電為

Von=5×（1-（-t/τ））（4）

解得Von=4.3 V（高電平大于3.6 V以上），滿足使用要求。

2） 2#基板接收部分，R1和R3具有調(diào)節(jié)信號相位的作用，由于T3=38 μs，所以接收部分要超前38 μs，即T4=38 μs，說明發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)一致?；逯g互聯(lián)仿真波形如圖7所示。仿真時間T4=38 μs，與

解調(diào)時間T3=38 μs一致。

V2和V8是圖6中AC耦合電路仿真模型，其相關仿真命令為V2（0 5 52 μ 10 n 10 n 52 μ 208 μ 5）和V8（0 5 114 μ 10 n 10 n 52 μ 208 μ 5）;V4是MM1192回路內(nèi)部的2.5 V基準源，U3是把MM1192內(nèi)部的恒流源比較器簡化成一個運放的仿真模型;Data是V2仿真信號和V8仿真信號相減的差分信號;Vout是仿真輸出。由圖7可以看出，Vout的輸出比Data信號提前38 μs。

4 白盒測試

黑盒測試（blackbox testing）是把產(chǎn)品當成一個黑匣子，對其施加各種應力，以求在一定應力條件下暴露一些產(chǎn)品的可靠性隱患，這些測試統(tǒng)稱為黑盒測試。但要想知道產(chǎn)品內(nèi)部發(fā)生了哪些變化，在平靜的表面下是否已經(jīng)隱藏了未知風險，硬件白盒測試就是為了解決此需求。

白盒測試（whitebox testing）是把產(chǎn)品的外殼打開，真實地測量每一根信號線、每一個電源、每一個接口的信號和時序及每一個電路，除了常規(guī)的波形觀察外，對波形的各項指標和時序的各項指標均進行測試，分析波形是否符合設計預期，同時根據(jù)各項指標的測試結(jié)果，判斷是否符合設計要求。白盒測試的10個關鍵點如圖8所示。

圖8中，CH1和CH9需使用差分探頭測試，其余測試點可以使用普通探頭測試。介于一般示波器只有4個通道，可以按照前文介紹的調(diào)制回路（CH3，CH4，CH6）、調(diào)制解調(diào)回路（CH1，CH2，CH3，CH5）和基板互聯(lián)回路（CH2，CH3，CH6）各組分別進行測試。假如各個回路的波形與實際測試的波形差別較大，通常情況是某些器件出現(xiàn)故障，結(jié)合前期仿真模型，則能快速定位故障器件，使測試變得非常簡單。例如：圖11中，在信號下降沿，接收比發(fā)送延遲10 μs，上升沿延遲38 μs，假如測試時發(fā)現(xiàn)上升沿延遲變成38 μs（見圖2），應為C1電容用料錯誤（規(guī)格是1 nF，可能焊接成47 nF）;假如測試時發(fā)現(xiàn)下降沿延遲變成10 μs（見圖4），應為C1電容用料錯誤（規(guī)格是22 nF，可能焊接成1 nF），這些錯誤用料可以通過前面建立的仿真模型快速定位和分析。

調(diào)制回路白盒測試如圖9所示。圖9中，A點波形是通訊CLK的信號（占空比50%，頻率19.2 kHz），對應的示波器測試通道是CH5，B點傳輸?shù)腄ata（數(shù)據(jù)）信號，對應的示波器測試通道是CH3，C點是MM1192輸入的第6腳波形（A點和B點經(jīng)過電路合成后的數(shù)據(jù)信號），對應的示波器測試通道是CH6，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)符合仿真測試結(jié)果。

調(diào)試解調(diào)回路如圖10所示，基板互聯(lián)回路白盒測試如圖11所示。

圖10中，CH2是主控基板單片機接收數(shù)據(jù)，CH3是MM1192第6腳的輸入數(shù)據(jù)，由圖10可以看出，CH2的波形是在CH3波形由低到高延遲33μs以后的整形波形，與仿真結(jié)果一致。通訊數(shù)據(jù)1幀包括11個字節(jié)，即1個起始位+8個數(shù)據(jù)位+1個校驗位+1個停止位，每幀數(shù)據(jù)的起始位是0，停止位是1。

圖11中，CH3是主控基板傳輸?shù)腄ata（數(shù)據(jù)）信號，CH2是主控基板單片機接收數(shù)據(jù)，CH6是線控器回路接收數(shù)據(jù)。由圖11可以看出，線控器接收信號和主控基板接收信號波形一致，沒有延遲，符合仿真結(jié)果。

5 結(jié)束語

本文主要對HBS通訊回路硬件電路進行建模和仿真分析，仿真波形與實際電路工作波形基本一致。不能把廠家給出芯片內(nèi)部的參考電路作為仿真模型的基礎，應對電路模型進行適當簡化，才能仿真出高質(zhì)量，有實際意義的波形。本研究也有難以解決的問題，由于帶有直流載波HBS通訊技術(shù)的仿真需要增加一個差模和共模電感，而現(xiàn)有的仿真軟件難以對其精準仿真，本研究在其實際產(chǎn)品應用中，申請了跟其相關的2個發(fā)明專利，可以通過后續(xù)的深入研究，對直流載波通訊技術(shù)進行仿真建模分析。該研究對HBS通訊回路的可靠性評價具有積極的參考意義，同時也可以推廣到使用MM1192通訊芯片的基板硬件測評和白盒測試。

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HBS Communication Circuit Hardware Circuit Analysis and Simulation

TAO Gan， SHI Jingfeng， HE Chengjun， LIN Wentao， ZHAO Xiaoqing， WU Jingtao

（Qingdao Hisense Hitachi AirConditioning Systems Co.， Ltd.， Qingdao 266510， China）

Abstract：? Aiming at the problem that the reliability of the Home bus system （referred to as HBS） is tested by the Black box， This paper mainly carries on the simulation analysis to the hardware circuit of the HBS communication loop. Through the technical of HBS communication loop ， the three core simulation models of HBS communication loop are established by using the professional simulation software STSPICE， and a new box test method is proposed. The test results show that the Whiteboxing test method can reduce the evaluation amount of HBS communication loop by 50%. The test method is far superior to the Blackbox testing method， and can effectively locate the fault area of the hardware circuit， thus solving the adaptability problem of HBS communication loop applied to different commercial air conditioning substrates. The research has a certain guiding significance to the reliability evaluation of HBS circuit of multiline central air conditioning.

Key words： home bus system; simulation model; whitebox testing; reliability evaluating; located effectively; adaptation