0 引言

    仪表总线M-BUS(Meter-BUS)是一种用于远程仪表读取数据的欧洲标准，也可用于所有其他类型的耗能测量仪表(即需要提供电源的测量仪表)以及传感器等^[1]。M-BUS通过两线电缆不分极性来进行数据传输，并且可通过总线为从机芯片供电，可在几公里内利用非屏蔽线进行拓扑结构通信，且成本低，从而被广泛应用于远程抄表和公共事业仪表的联网。

    M-BUS采用主从串行异步通信方式，要求通信接口区分主机与从机。虽然从机部分已经有了TI公司研制的TSS721A终端收发芯片作为处理核心，但在主机部分尚未有专用集成电路问世，因此各公司和厂家都根据M-BUS总线标准自行设计电路^[2]。大量的实践证明，传统的主机设计只能带约150个从机，超过200个就容易出现通信失败现象^[3]。即主机发送电路的驱动能力不够，带负载能力弱，在远距离分散多负载的情况下，信号波形失真严重，无法正常通信。而且，传统的M-BUS通信接收均采用直接进行电压比较的方式来实现，这种M-BUS主机电路的不足在于：当遇到负载量发生变化或负载参数未知时，主机接收端无法适应，导致接收不稳定或错误接收^[4]。本文对现有的一种主机端收发电路进行了改进，以提高M-BUS在主机端对数据的收发性能。

1 M-BUS总线原理

    如图1所示，M-BUS通过两线电缆实现一个主机与多个从机的总线型组网通信。挂接在总线上的从机为各种耗能仪表或者传感器等。总线集中器向上与主机相连，既可以通过计算机联网实现远程数据采集，也可以通过手持设备进行现场数据采集。

    M-BUS主机的发送和接收数据方式在物理层上的定义是不同的，发送时采用电压调制的形式，接收时采用电流调制的形式^[5]。因此，主机与从机的接口电路的结构也不相同。图2为主机端与从机端在总线上所发送信号的示意图。主机向从机发送的是12 V~42 V的高低电压电平信号，因为远距离传输会导致信号在总线上出现不确定的压降，所以总线协议中没有给出固定值，但高低电平之间的压降须在10 V以上。从机通过检测总线电压的变化来判断接收的逻辑值为“1”或“0”。从机向主机发送的是电流信号，此时，总线两端的电压因主机端的发送电路而保持为高电压电平不变。当并联挂接在总线上的从机在发送逻辑“1”时，表现在总线上消耗小于1.5 mA的电流；当发送逻辑“0”时，从机则会在1.5 mA的基础上多消耗11 mA~20 mA。主机通过相应的电流检测电路将接收的电流信号转换为标准的电平信号。

2 主机接口电路设计

2.1 发送电路的改进

    现已有一种M-BUS总线驱动电路^[4]，即主机端发送电路，如图3所示。端口TXD1为内部发送信号的输入端，发送信号从TXD1进入，通过影响NMOS管V11的开关来实现电压信号的切换，并由端口BUS1+和BUS1-输出到总线上。端口CD1为发送电路的控制信号端，通过光耦U11B使V12断开来切断总线电源。

    该发送电路采用MOS管设计输出驱动，相比于传统的采用运放或者三极管设计输出驱动，功率MOS管凭借在宽电压下优秀的开关特性以及低导通内阻和高电流负荷，在提供高性能输出的同时，结构简单。但该发送电路通过光耦直接连接MOS管的栅极和源极来实现对V11管和V12管的开关控制。这种方式容易出现以下问题：

    (1)电路中V11管和V12管导通时，源极的电压会跟随漏极的电压，为确保MOS管能够保持完全开启，电路在MOS管栅极需要提供较高的正电压驱动电源+VA和负电压驱动电源-VB；

    (2)为切断M-BUS总线电源输出，该电路通过光耦U11B的导通使V12管截止，但是此光耦的导通，会将驱动电源-VB接入到电路中，电路仍然会处于通路状态；

    (3)电路中的MOS管栅极均未加电压保护，V11管与V12管的漏极与源极间的电压突变会通过极间电容耦合到栅极而产生相当高的栅源尖峰电压，此电压会使很薄的栅源氧化层击穿，同时栅极很容易积累电荷，也会使栅源氧化层击穿^[6]。

    图4为改进后发送电路。当PMOS管V21导通时，总线会被快速上拉到36 V； V21管断开时，总线保持18 V的基准电压。电阻R26的分压为V21管提供足够的开启电压，稳压二极管D21保护V21管栅极，防止其被击穿。当电路过载或者为了节省功耗需要关闭发送电路时，可以通过复位CD2端来实现。R29为采样电阻，取值较小，R30为一个大电阻。

    此电路做了如下改进：

    (1)改进后的电路为V21管和V22管分别添加MOS管驱动电路，降低了对外部驱动电源的需求；

    (2)改进后电路可通过复位CD2端切断发送电路中的所有回路，从而切断总线以及电路本身电源；

    (3)改进后的发送电路为V21管和V22管分别提供了栅极保护电路，提高了电路运行的可靠性。

2.2 接收电路的改进

    串接在主机端总线接口上的采样电阻会直接影响到发送电路的输出阻抗，所以取值较小，一般在40 Ω以下。总线过来的电流信号经采样电阻过后转换为电压信号，其分辨区间依然较小。因此，如何设置门限分辨高低电压信号是提高接收电路处理能力的关键。

    图5为一种传统的M-BUS主机接收电路，电路对转换后的高电压电平信号通过电容C31保持在比较器的反向端，并作为比较器的门限电压，此门限电压因为二极管D32的固有压降、小电阻R32的分压和电容C31本身的放电，所以会比接收的高电压信号略小，但会比低电压信号高。稳定的门限电压再与当前的接收信号进行自比较，从而得出输出值。

    这种设计的不足之处在于：当总线上挂接的负载发生变化或者负载未知时，端口SIG1接收到的高低电压信号的幅值也相应发生了变化，而接收电路中二极管D32、电阻R32、R33和电容C31的参数未变，从而导致跟随变化的门限电压适应性不强，抗干扰能力差，通信的稳定性差。

    改进后的接收电路如图6所示，接收电路选择从BUS+端获取转换后的电压采样信号，然后通过稳压二极管D41对其进行降压处理。D42和D43为同一型号的2个肖特基二极管，用来将接收信号分成两路对称输入。将其中一路通过电容保持后，两路信号先经过差动运放U41作差并放大，处理后的信号为仅反映当前状态的电压信号，其幅值较为稳定。再通过比较器U42进行比较，从而得出输出值。

    此电路有如下改进：

    (1)改进后的接收电路中，接收信号分两路对称输入，从而排除了二极管压降和电阻分压等固定参数的影响，使电路具有更高的分辨处理能力，降低对采样电阻的要求；

    (2)改进后的接收电路通过差动运放对信号进行预处理，从而降低变化负载带来的影响，提高电路的适应性；

    (3)改进后的接收电路在对预处理后的信号进行比较时，通过设置电阻R47和R48来抬高门限，增强了电路的抗干扰能力。

3 仿真实验与结果分析

    在确定了改进方案后，即可对收发电路分别进行仿真，并对结果进行对比分析。本文采用Multisim仿真软件，Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的仿真软件，适用于板级的模拟/数字电路的设计工作，具有很强的电路仿真分析能力^[7]。

3.1 发送电路的仿真实验

    首先对发送电路的驱动能力进行对比测试。M-BUS的通信距离可达几公里，而随着距离的增加，传输线上的负载电容和负载电感对信号的影响越来越大，为使其正常通信，则需要降低总线上信号的通信速率，M-BUS总线的通信速率在300～9 600 b/s。这里以通信速率9 600 b/s和通信距离2 000 m为例设置通信条件，传输线采用5类双绞线。

    图7为相同通信条件和相同从机数的情况下发送电路的对比仿真波形图，其中V(TXD)为两个发送电路的输入信号，V(RL1)为原发送电路的输出信号，V(RL2)为改进后发送电路的输出信号。电路开启状态下，两种发送电路具有相似的输出波形，说明具有相同的驱动能力。但在电路关闭状态下，原发送电路的输出仍有微弱信号响应，而改进后的发送电路则完全切断电源，无信号响应。

3.2 接收电路的仿真实验

    M-BUS主机接收的是电流信号，并且在从机数不同的情况下，主机从总线上接收到的电流信号幅值也不相同^[8]。本文通过改变总线负载电阻的大小来影响总线上的电流。通信条件设置为通信速率9 600 b/s，通信距离2 000 m，负载50个从机。

    图8（a）为此时的仿真波形图，V(SIGNAL)为总线电流经采样电阻转换后的电压采样信号，V（RXD1）为原接收电路处理后的信号，V(RXD2)为改进后接收电路的处理后信号。图8（b）为相同条件下负载450个从机时的仿真波形图。

    采用10 Ω小的采样电阻有利于提高电路的驱动能力，但经此电阻转换后的电压信号的分辨区间也就较小。如图8所示，V(SIGNAL)稳定后的幅值变化范围为0.15 V左右，而传统的接收电路由于二极管的固有压降无法处理此信号，所以图中传统接收电路的输出一直为高，而改进后的电路不但能够处理，且具有良好的适应性，从挂接50个从机到挂接450个从机都能够在极短时间内适应，并输出正确结果。

4 结论

    本文对现有的一种M-BUS主机端收发电路分别进行了改进。发送电路中，通过改善电路结构提高了高驱动发送电路的可靠性与稳定性。接收电路中相比于传统电路直接进行自比较的方式，所改进电路通过差动放大器对接收信号进行预处理，再设置门限进行比较，通过变相抬高门限的方法，有利于提高电路的适应性和抗干扰能力。对电路分别进行了仿真对比，仿真结果显示，在保持相同驱动能力的基础上，运行更可靠，通信更稳定，具有更强的适应性和抗干扰能力。

参考文献

[1] 闫德光，谢军龙，戴汝平.M-BUS二线制总线[J].自动化仪表，2003(3)：33-36.

[2] 郑丰，徐东明，周晓刚.一种新型实用M-BUS主机方案[J].中国集成电路，2014(12)：73-76.

[3] 罗学武.一种M-BUS总线驱动电路[P].广东：CN10218-5805A，2011-09-14.

[4] 隋振法，刘淑华，师振伟.基于门限自适应的M-Bus主站电路[P].山东：CN204258749U，2015-04-08.

[5] 王青山.基于M-BUS的远程集抄系统的设计与实现[D].杭州：浙江大学，2013.

[6] 郭毅军，苏小维，李章勇，等.MOSFET的驱动保护电路的设计与应用[J].电子设计工程，2012(3)：169-171，174.

[7] 纪明霞，黄聚义，李滨辉.基于Multisim计数器的设计与仿真[J].国外电子测量技术，2013(10)：15-18.

[8] LEI Y T，LI G H，WANG L Q.Design and development of TTL-M-BUS level translator[C].2012 Fifth International Conference on Intelligent Networks and Intelligent Systems，2012.

作者信息:

胡必君，梁华国，易茂祥，许达文，徐秀敏

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥230009）