基于Multisim 的M-Bus 主機(jī)接口電路設(shè)計分析

張成斌

（甘肅省定西市臨洮農(nóng)業(yè)學(xué)校，甘肅定西，730500）

0 引言

現(xiàn)階段計量儀表智能化已成為儀表研發(fā)設(shè)計領(lǐng)域的主流趨勢，電子、信息技術(shù)應(yīng)用進(jìn)一步加快數(shù)據(jù)采集模式的遠(yuǎn)程控制及智能化轉(zhuǎn)型。M-Bus 總線是一種適用于測量儀表設(shè)計的傳輸總線，基于無極性二線制模式進(jìn)行接線安裝，具有組網(wǎng)簡化、布線簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活等性能優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于智能化抄表系統(tǒng)中。為縮短總線電路研發(fā)設(shè)計周期、節(jié)約開發(fā)成本、提高設(shè)計精度，擬引入Multisim 軟件應(yīng)用于總線主機(jī)接口電路設(shè)計與仿真分析環(huán)節(jié)，為電路開發(fā)設(shè)計領(lǐng)域提供有效借鑒經(jīng)驗。

1 研究基礎(chǔ)

1.1 Multisim 軟件

該軟件是基于EWB 平臺研發(fā)的一款電子設(shè)計自動化工具，提供一種集成化設(shè)計環(huán)境，基于SPICE 模擬器對電路行為進(jìn)行仿真，支持實現(xiàn)對電路的高效檢驗，滿足電子線路設(shè)計與仿真需求[1]。在軟件功能實現(xiàn)上，該軟件集成強(qiáng)大的電路元器件庫，可提供多種仿真測試儀表功能與仿真分析方法，并運用電路原理圖描述語言輸入方式，為電路設(shè)計與仿真分析提供可靠工具支持。

1.2 M-Bus 總線原理

Bus 總線是一種主從式半雙工傳輸總線，采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由主機(jī)、從機(jī)及連接電纜組成網(wǎng)絡(luò)，基于電壓調(diào)制（主機(jī)→從機(jī)）/電流調(diào)制（從機(jī)→主機(jī)）的方式實現(xiàn)BT數(shù)據(jù)的傳輸（其模型如圖1 所示）[2]。其中在電壓調(diào)制模式下，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送邏輯“1”，此時主機(jī)的總線電壓Vmark取值為22～42V；若主機(jī)向從機(jī)發(fā)送邏輯“0”，則總線電壓Vspace≥12V，且Vmark-Vspace≥10V。在電流調(diào)制模式下，總線上的任一從機(jī)均帶有靜態(tài)電流Imark，由從機(jī)向主機(jī)發(fā)送邏輯“1”，此時從機(jī)的總線電流Imark取值約為1.5mA；若從機(jī)向主機(jī)發(fā)送邏輯“0”，在總線接口電路的影響下，從機(jī)的總線電流Ispace取值為Imark+11～20mA，此時設(shè)M-Bus總線上有n 個從機(jī)，則總線電流Ibus的計算公式為：

圖1 M-Bus 總線傳輸模型

M-Bus 總線協(xié)議中明確規(guī)定，將總線處于空閑狀態(tài)下的邏輯記為“1”，總線電壓取值為Vmark，此時位于總線上的第n 個從機(jī)獲取的電流值即從機(jī)電源記為Imark；當(dāng)主機(jī)通過檢測總線上從機(jī)獲取的電流值范圍11～20mA，確認(rèn)由從機(jī)處接收的邏輯為“0”時，從機(jī)可通過檢測總線電壓Vmark與動態(tài)參考電壓Vspace，當(dāng)Vmark-Vspace≥10V 時，即確認(rèn)接收的邏輯為“0”。

2 主機(jī)接口電路的改進(jìn)設(shè)計

2.1 發(fā)送電路

已知原總線驅(qū)動電路的端口為信號輸入端，當(dāng)發(fā)送信號經(jīng)輸入端口進(jìn)入電路中，通過控制N-MOS 晶體管的開關(guān)執(zhí)行電壓信號的切換操作，使用BUS+/-端口將發(fā)送信號輸出至總線上；此時位于總線驅(qū)動電路上的控制信號端，將通過光電耦合器控制開關(guān)斷開，用于切斷總線電源[3]?；贛OS 晶體管的發(fā)送電路在輸出驅(qū)動設(shè)計上，可在寬電壓下實現(xiàn)高性能輸出且結(jié)構(gòu)簡化，然而該電路利用光電耦合器與晶體管的柵極、源極進(jìn)行直連，用于實現(xiàn)對兩管上開關(guān)的控制，由此使得電路運行過程中易暴露出以下問題：（1）在兩N-MOS 管處于導(dǎo)通狀態(tài)時，源極電壓將受漏極干擾，因此需在柵極處提供較高的正/負(fù)電壓驅(qū)動電源；（2）發(fā)送電路通過控制光電耦合器使單N-MOS 管處于截止?fàn)顟B(tài)，用于切斷總線電源輸出，然而在此情況下將使負(fù)電壓驅(qū)動電源接入，仍使發(fā)送電路保持通路；（3）電路中MOS 管未限制柵極電壓，倘若兩管間漏極、源極電壓發(fā)生突變，將因極間電容耦合使柵極處形成尖峰電壓，增加?xùn)旁囱趸瘜颖粨舸┑母怕剩ǜ倪M(jìn)驅(qū)動電路如圖2 所示）。

圖2 改進(jìn)驅(qū)動電路示意圖

利用Multisim 軟件設(shè)計主機(jī)發(fā)送電路，需對原通用主機(jī)端發(fā)送電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)?；贛-Bus 總線的電壓/電流調(diào)制方式進(jìn)行主線接口發(fā)送電路設(shè)計（如圖3 所示），當(dāng)主機(jī)向從機(jī)發(fā)送比特流數(shù)據(jù)時，邏輯“1”的電平與邏輯“0”的電平差值≥10V，此處通常將總線電壓Vmark取值為36V、參考動態(tài)電壓Vspace取值為24V，Vmark-Vspace=12V。在12V 電壓調(diào)試模式的實現(xiàn)上，將原驅(qū)動電路N-MOS 管替換為增強(qiáng)型MOS 管Q1 和三極管Q2，采用三端穩(wěn)壓管U1將輸入的總線電壓Vmark轉(zhuǎn)換為Vspace輸出，通過控制MOS 管和三極管兩開關(guān)的通斷，完成電壓信號調(diào)制。當(dāng)輸入電壓信號為高電平時，依照先Q2、后Q1的順序控制兩管導(dǎo)通，經(jīng)Q1 輸出36V總線電壓，輸出高電平信號；當(dāng)輸入低電平信號時，同樣依照先Q2、后Q1 的順序控制兩管截止，經(jīng)D1 管輸出24V 參考動態(tài)電壓，輸出低電平信號。

圖3 發(fā)送電路改進(jìn)設(shè)計圖

2.2 接收電路

已知原主機(jī)接收電路在總線接口上設(shè)有采樣電阻，其阻值≤40Ω，當(dāng)電流信號從輸入端經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號時，其電壓信號的分辨區(qū)間較小，難以保證接收電路具備良好的信號處理能力[4]。在原主機(jī)接收電路設(shè)計上，主要利用電容將轉(zhuǎn)換后的高電平信號控制在電壓比較器LM2903N 的反相端，將其設(shè)為門限電壓，但該電壓值易受二極管壓降、電阻分壓、電容放電等多因素影響，一定程度上削弱門限電壓的信號值。在此模式下，倘若在總線上掛接的負(fù)載信號值發(fā)生變化，將使總線端口處接收的信號值出現(xiàn)改變，此時接收電路上其他參數(shù)均保持不變，由此削弱門限電壓的適應(yīng)性，影響實際通信質(zhì)量。

基于此，擬參考M-Bus 總線的電流調(diào)制方式，利用Multisim 對原接收電路進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計（如圖4 所示），根據(jù)從機(jī)向主機(jī)發(fā)送比特流的原理，確認(rèn)邏輯為“0”時的總線電流與邏輯為“1”時的總線電流差值≥11～20mA。在11～20mA 電流調(diào)制方式的實現(xiàn)上，已知M_Bus 為總線電流接口，AD_1、DA_1 分別為模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換接口，RX_1 為信號輸出接口。當(dāng)主機(jī)接收到任意一個從機(jī)發(fā)送的比特流時，利用總線上的電阻R7 執(zhí)行電流采樣處理，同時將采樣后的電壓連至比較器的反相輸入端，借助電路中的R5、R6 兩電阻進(jìn)行分壓處理，并將電壓VR6通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口接入相應(yīng)電路中，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路運算獲得電壓VR7值；此時將電壓VR7值增至90mV 后通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換接口接入相應(yīng)電路中，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的電壓VDA接入比較器的同相輸入端，確認(rèn)為基準(zhǔn)電壓。當(dāng)主機(jī)接收到從機(jī)的電流脈沖序列時，邏輯“1”的VR71＜VDA，比較器輸出RX_1 為高電平；邏輯“0”的VR70-VR71＞110～200mV，由此推導(dǎo)出VR70＞VDA，比較器輸出RX_1 為低電平，完成由電流脈沖序列向電壓脈沖序列的轉(zhuǎn)換，最終實現(xiàn)總線上11～20mA 的電流調(diào)制。

圖4 接收電路改進(jìn)設(shè)計圖

2.3 保護(hù)電路

在M-Bus總線上電流值大小主要受從機(jī)數(shù)量n的影響，從機(jī)數(shù)量的增加將使總線上電流值呈同步增大趨勢，但考慮到主機(jī)電路的輸出功率存在一定區(qū)間限制，一旦從機(jī)電路上出現(xiàn)短路故障，將導(dǎo)致總線上產(chǎn)生的電流值大于主機(jī)電路原負(fù)載能力，造成主機(jī)電路燒毀、損壞等問題[5]?；诖耍枰氡Ｗo(hù)電路發(fā)揮對總線上電流的抑制作用，將主機(jī)發(fā)送電路的輸出端口設(shè)為M_Bus_A，外部總線輸出端口設(shè)為M_Bus_B，保護(hù)電路如圖5 所示。

圖5 保護(hù)電路設(shè)計圖

3 仿真結(jié)果及應(yīng)用

3.1 仿真分析結(jié)果

3.1.1 發(fā)送電路

在仿真實驗環(huán)節(jié)，以發(fā)送電路的驅(qū)動能力作為主要衡量指標(biāo)，已知M-Bus 總線伴隨其通信距離的延長，傳輸線上的負(fù)載電容/電感將對信號產(chǎn)生較大影響，因此為保證正常通信效果，需將總線通信速率適當(dāng)下調(diào)。假設(shè)M-Bus 總線的通信距離為2km、通信速率為9600b/s，在從機(jī)數(shù)量保持n 不變的前提下觀察發(fā)送電路的波形變化情況可知（如圖6 所示），其輸出波形變化穩(wěn)定，說明發(fā)送電路的驅(qū)動能力較為理想，且在將電路電源完全切斷后，可保證輸出無信號響應(yīng)。同時，觀察其仿真分析結(jié)果可知，伴隨發(fā)送電路中輸入信號的動態(tài)變化，輸出信號基本保持同步變化，與理論分析結(jié)果保持一致。

圖6 發(fā)送電路仿真結(jié)果

3.1.2 接收電路

在仿真實驗環(huán)節(jié)，已知在M-Bus 總線上的靜態(tài)電流大小為n×Imark，假設(shè)總線上從機(jī)數(shù)量n取值為50 個，可初步計算出總線上的靜態(tài)電流值為75mA，進(jìn)而得出VR6、VR71以及VDA值分別為375mV、750mV 和840mV。當(dāng)位于M-Bus總線上的某一從機(jī)向主機(jī)發(fā)送邏輯“0”，使總線上電流值增加11～20mA 時，VR70值為860mV。此時將仿真電路上電流經(jīng)采樣電阻后的電壓波形變化結(jié)果A 與電壓比較器輸出的電壓波形B 進(jìn)行比較（如圖7 所示），從中可以看出在邏輯“1”狀態(tài)下，比較器輸出高電平；在邏輯為“0”狀態(tài)下，比較器輸出低電平，與理論分析結(jié)果保持一致。在此基礎(chǔ)上，還需明確M-Bus 總線上的從機(jī)數(shù)量n 將直接影響靜態(tài)電流值的大小，使基準(zhǔn)電壓數(shù)值發(fā)生變化，由此保證在讀表環(huán)節(jié)面向不同從機(jī)數(shù)量時讀取數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖7 接收電路仿真結(jié)果

3.1.3 保護(hù)電路

在仿真實驗環(huán)節(jié)，當(dāng)總線上電流超出其負(fù)載值時，保護(hù)使能信號將轉(zhuǎn)換為高電平，三極管導(dǎo)通、繼電器得電，隨后將繼電器觸點斷開，中斷發(fā)送電路與外部總線的連接，使外部總線上的電壓值變?yōu)榱?；此時，電流將傳遞至發(fā)光二極管處，使其通電發(fā)光，用于提示總線發(fā)生過載故障（其仿真結(jié)果如圖8 所示）。

圖8 保護(hù)電路仿真結(jié)果

3.2 實際應(yīng)用分析

3.2.1 工作原理

以某遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)的M-Bus 主機(jī)方案為例，為解決原抄表系統(tǒng)通信距離、總線上掛載從機(jī)數(shù)量受限的問題，將上述主機(jī)接口電路應(yīng)用于智能抄表系統(tǒng)中，通過在主機(jī)、從機(jī)之間現(xiàn)場鋪設(shè)M-Bus 總線作為通信線，同時兼作監(jiān)測n 個從機(jī)的電源線，實現(xiàn)對原M-Bus 總線電路與通信網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)設(shè)計，用于保證室內(nèi)主機(jī)、室外多個從機(jī)間實現(xiàn)正常的通信交互以及電源線、通信線的復(fù)用。

3.2.2 系統(tǒng)設(shè)計

選擇在室外信號機(jī)周圍部署n 個從機(jī)，在信號機(jī)械室內(nèi)部署主機(jī)，基于一對總線進(jìn)行主機(jī)與n 個從機(jī)的連接，并將上述M-Bus 總線主機(jī)接口電路連接方案應(yīng)用于實際部署環(huán)節(jié)，利用報警總線實現(xiàn)雙向信息交互，同時兼作從機(jī)的電源線為其供電，使從機(jī)從主機(jī)處獲取工作電壓。主機(jī)經(jīng)AC-DC 模塊輸出220V 直流電，通過總線傳遞至各從機(jī)處，該直流電源擋位可調(diào)，需結(jié)合從機(jī)與信號室的間距進(jìn)行直流供電電壓的調(diào)節(jié)，保證為從機(jī)的正常運行提供工作電壓。

在主機(jī)的M-Bus 總線方案部署上，通過主機(jī)的接口電路實現(xiàn)與總線、室外n 個從機(jī)的連接，并基于M-Bus 協(xié)議實現(xiàn)信息交互功能，向室外從機(jī)提供工作電源。選用M-Bus作為總線，基于主叫/應(yīng)答方式建立通信連接，當(dāng)主機(jī)發(fā)出詢問指令后，由從機(jī)向主機(jī)進(jìn)行比特流數(shù)據(jù)的傳遞。在主機(jī)各功能模塊設(shè)計上，主要包含以下六個功能模塊：（1）可控電源，基于主機(jī)CPU 控制電源模塊的運行，執(zhí)行比特流發(fā)送任務(wù)，主機(jī)可通過調(diào)節(jié)總線輸出電壓值實現(xiàn)比特流發(fā)送功能；（2）總線擴(kuò)流，該模塊支持提供附加驅(qū)動功能，根據(jù)可控電源模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)調(diào)節(jié)遠(yuǎn)程供電情況；（3）總線移位，基于邏輯“1”和“0”實現(xiàn)室內(nèi)主機(jī)與室外從機(jī)的連接，支持對數(shù)據(jù)電壓、電流輸出情況建立實時監(jiān)控，并兼用作其他模塊的接口；（4）電流檢測，支持對M-Bus總線電流進(jìn)行實時監(jiān)測，參考主機(jī)CPU 的比特流接收情況進(jìn)行總線電流解碼；（5）狀態(tài)監(jiān)測，支持對M-Bus 總線電壓變化情況進(jìn)行實時監(jiān)測，判斷主機(jī)總線上發(fā)生的故障情況；（6）匹配防護(hù)模塊，將浪涌保護(hù)器、EMI 等部署在主機(jī)的接口處，用于維持電氣平衡、實現(xiàn)保護(hù)電路功能。

在現(xiàn)場安裝部署環(huán)節(jié)，在信號機(jī)械室內(nèi)完成主機(jī)安裝，隨后在室外各信號變壓器箱內(nèi)完成從機(jī)的安裝，并同步完成電流、電壓各類傳感器的部署，用于實現(xiàn)對電流、電壓等信息的采集?；诟倪M(jìn)后的發(fā)送電路、接收電路、保護(hù)電路以及M-Bus 總線通信協(xié)議運行上述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主機(jī)可同步接收室外各從機(jī)上傳的報警信號及監(jiān)測信息，同時反饋對室外各從機(jī)的監(jiān)控結(jié)果、判斷有無脫機(jī)問題，并且為各從機(jī)運行提供工作電源。在此基礎(chǔ)上，基于嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行采集信號的分析與處理，計算出電流、電壓等結(jié)果，用于判斷儀表的工作狀態(tài)；當(dāng)儀表工作狀態(tài)或采集的比特流出現(xiàn)異常值時，由從機(jī)將故障信息自動編輯并經(jīng)接口發(fā)送至主機(jī)處，實現(xiàn)儀表控制的智能化。

3.2.3 應(yīng)用效果

將上述系統(tǒng)的實際應(yīng)用結(jié)果進(jìn)行匯總可知，通過對原M-Bus 總線主機(jī)接口電路與通信協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計后，可實現(xiàn)主機(jī)與多個從機(jī)間的信息交互功能，并支持通信、電源線纜的復(fù)用，有效簡化電路結(jié)構(gòu)、節(jié)約開發(fā)成本，且系統(tǒng)集成度強(qiáng)、可延長通信距離，現(xiàn)場設(shè)備安裝及配置靈活性強(qiáng)，具備良好的應(yīng)用及推廣價值，滿足智能儀表控制需要。

4 結(jié)論

通過運用Multisim 軟件提供的強(qiáng)大仿真功能進(jìn)行M-Bus 總線主機(jī)接口電路的設(shè)計與仿真實驗，最終仿真結(jié)果證明與理論分析結(jié)果保持一致，且上述主機(jī)發(fā)送、接收與保護(hù)電路均能夠滿足總線的電流/電壓調(diào)制模式，支持對電路中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提升主機(jī)接口電路設(shè)計與運行效率，有效簡化電路開發(fā)結(jié)構(gòu)、保證運行穩(wěn)定性，為同類電路開發(fā)設(shè)計提供良好示范經(jīng)驗。