CN101776931B

CN101776931B - 仪表总线从机的低功耗电源电路

Info

Publication number: CN101776931B
Application number: CN 200910218395
Authority: CN
Inventors: 何乐生; 王威廉; 杨敏; 李世军
Original assignee: Yunnan University YNU
Current assignee: Yunnan University YNU
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2029-12-18
Also published as: CN101776931A

Abstract

本发明涉及属于仪器仪表技术领域。本发明所述的仪表总线从机的低功耗电源电路由一个高耐压、低静态电流的恒压源电路和一个低通滤波电路构成，所述的恒压源电路是由两只接成达林顿形式的三极管作为射极跟随器，这个射极跟随器的基极连接到一个由电压基准产生的标准电压上，从发射极输出一个输出电阻很低的电压，从而构成恒压源；所述的低通滤波电路由一个低阻值的电阻和一个电容串联而成；所述的射极跟随器的发射极与低通滤波电路的电阻连接。本发明与现有技术解决方案相比，在不增加单个从机成本的基础上大幅度的降低了从机处于休眠状态下的电流消耗，这样在降低了总体能耗的同时能够大幅扩充现有仪表总线网络的从机个数，增加仪表总线网络节点。特别适合于水表、气表等功耗较低的仪表总线系统。

Description

仪表总线从机的低功耗电源电路

技术领域

本发明涉及一种仪表总线从机的电源电路，属于仪器仪表技术领域。

技术背景

仪表总线(Meter-Bus简称M-Bus)是一种新型的串行总线标准，主要应用于水表、气表和热工仪表等消耗测量仪表的组网。由于仪表总线具有组网方便、成本低廉抗干扰能力强等优势，目前已经成为了2线总线的欧洲标准，在国内外消耗测量仪表领域，如水表、电表和煤气表的远程抄表系统中获得了广泛应用。仪表总线的主要特点是仅用两条无极性的导线同时作为供电线和传输串行数据的数据线，各个终端装置全部并联在这两条线上，总线上不同节点间通过不同的地址码区分。

根据在仪表总线通讯中所扮演的角色不同，仪表总线网络的节点可以分为主机和从机两种。主机是电源的提供者和通讯的发起者，它通过两条传输线向总线上的所有从机提供24V-42V的电源电压，并通过在总线上广播从机的地址的方法呼叫希望与之通讯的从机，一个仪表总线网络中往往只有一个主机，每一个时刻和主机通讯的也只有一个从机。被选中和主机通讯的从机处于“激活状态”，而网络中其它当前没有被选中的从机处于“休眠状态”。

主机和从机都是由电源电路和单片机系统构成的，从机电源电路从2线制的仪表总线上获得工作电源，单片机系统在主机的引导下“应答”主机的呼叫。一方面，仪表总线网络中往往存在多部从机，但由于主机提供电流的能力有限，网络中的从机的总量受到了限制。另一方面，由于整个网络中处于休眠状态的从机占绝大多数，降低休眠状态下从机的功耗将有效地提高总线上从机的数量和降低整个系统的总体功耗。

由于总线上只有两条传输线，这两条传输线除了要完成为从机供电的任务外还需要承担主、从机之间通讯的任务，通讯信号被调制在这两根电源线上。其中主机向从机发送数据的调制称为“下行调制”，从机向主机应答数据的调制称为“上行调制”。根据仪表总线标准，下行调制为电压调制：输出信号0时，两线间的电压在现有基础上下跳12V；输出信号1时，两线之间的电压不变。上行调制为电流调制：从机输出信号0时，本从机吸收11-20mA的电流；输出信号1时，本从机不吸收额外的电流。由于上行和下行通讯只分别占有一个信道，通讯只能通过异步串行通信的方式完成，标准的通信波特率有0.6、2.4和9.6Kbps。

从机电源电路的作用是从压差在24V至42V，并有可能包含了下行的电压调制信号的两根传输线中得到从机工作所需的电源。如上所述，从机吸收的电源电流的变化中有可能调制了上行信号。传统的仪表总线从机电源电路为了避免从机工作时消耗的电流和上行电流调制吸收的电流混淆而引起的通讯混乱，往往用恒流源来实现。具体做法如附图3所示。由晶体管Q₁、Q₂以及电阻R_a、R_b构成的恒流源，它能够从总线上吸取恒定的、大小为I_t的电流，这个电流通过稳压管DW₁后将产生一个恒定的电源电压(图中标识为Vcc)，从机的单片机系统在图中简化为负载RL，通过Vcc供电。从机系统所消耗的电流必须小于I_t-I_s，其中I_s为稳压管DW₁稳定所需的最小电流。在仪表总线网络的通信中，每个时刻只有一个由主机选定的从机处于激活状态，完成读数和通讯工作，这个被选中的从机将消耗较大的电流I_active，而其它处于休眠状态的从机只消耗较小的电流I_aleep。但从机电源电路的恒流源的电流只能按照I_active+I_s来设计，原因是：如果恒流源电流小于这个值，电源电路提供的电流将无法满足将无法满足处于激活状态的从机系统的需要，这将导致激活状态的从机无法获得稳定的电源电压。但绝大部分处于休眠状态下的从机只需要I_sleep+I_s的电流，在这种情况下多余的电流(大小为：I_active-I_sleep)将被白白浪费在DW₁上。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术的不足，提供一种能够有效降低休眠状态下仪表总线从机电源电路吸收的电流量，从而降低总体功耗的仪表总线从机的低功耗电源电路。

本发明所述的仪表总线从机的低功耗电源电路由一个高耐压、低静态电流的恒压源电路和一个低通滤波电路构成，所述的恒压源电路是由两只接成达林顿形式的三极管作为射极跟随器，这个射极跟随器的基极连接到一个由电压基准产生的标准电压上，从发射极输出一个输出电阻很低的电压，从而构成恒压源；所述的低通滤波电路由一个低阻值的电阻和一个电容串联而成；所述的射极跟随器的发射极与低通滤波电路的电阻连接。

本发明首先由一个高耐压、低静态电流的恒压源电路将仪表总线电压降低到略高于单片机系统所需电源电压的水平，但是单纯地降低休眠状态消耗的电流势必造成从机在休眠和激活状态之间切换时电流的跳变，而这种跳变有可能引起仪表总线上行调制信号的混乱；所以，本发明还设置了一个低通滤波电路，让这个由恒压源电路产生的电压通过一个内阻较小的RC滤波器，这个滤波器的转折频率将大大低于仪表总线通讯的波特率，从而避开上行调制的带宽。

本发明与现有技术解决方案相比，在不增加单个从机成本的基础上大幅度的降低了从机处于休眠状态下的电流消耗，这样在降低了总体能耗的同时能够大幅扩充现有仪表总线网络的从机个数，增加仪表总线网络节点。特别适合于水表、气表等功耗较低的仪表总线系统，具有良好的推广价值。

附图说明

图1为本发明所述的仪表总线从机原理框图。

图2为本发明电路图。

图3为基于恒流源的传统仪表总线从机电源电路图。

具体实施方式

下面提供具体的实施方式及实施例对本发明做进一步的说明，但其不用于限制本发明。

如前所述，仪表总线中的从机通过电流调制的方式向主机传送信息。这正是传统电路采用恒流源构建从机电源的主要原因：恒流源电路总是持续地从总线上吸取相同的电流，这样系统激活或其它动作引起的电流变化就不会和上行电流调制引起的电流混淆，从而干扰正常的上行通信了。但恒流源电路有着以下弊病：不论从机的单片机系统是否需要，总是从总线上吸收恒定的电流。而且电源系统必须能够为激活状态的从机提供足够的电流，所以该恒流源电路从总线吸收电流的大小必须由激活状态下所需的电流决定。

本发明使用恒压源代替传统的由恒流源构成的电源电路，恒压源电路可以只从仪表总线上吸取单片机系统所需的电流：在激活状态时提供较大的电流，在从机休眠时只从总线上吸收此时所需的少量电流。所以本发明所公开的从机电源电路能够大大降低休眠状态下从机所消耗的电流。由于整个仪表总线网络中除一台主机外，其余都是从机，且同一时刻只有一台从机被激活，所以本发明能够极大的降低整个仪表总线网络的功耗。但采用恒压源代替传统的恒流源电源电路后，从机系统激活或其它动作引起的电流变化将直接体现在总线上，和上行电流调制的引起的电流变化相互混淆。为了避免这种影响，可以使从机系统工作引起的电流变化的频带，偏离电流上行调制通信所占用的频带。本发明使用无源低通滤波电路达到上述目的。

图1所示的系统框图阐释了本发明的设计思路，图中的各个方框是仪表总线从机电路中和本发明相关的几个部分，左上方的方框是恒压源电路，右上方的方框是无源低通滤波器，下方的方框为从机中用于消费量测量和通信的单片机系统。其中可能引起总线上电流变化的是下方的单片机系统。为了避免电流变化的混淆，本发明将其分为两个部分供电：上行电流调制系统直接从仪表总线上吸取用于通信的电流；而其他部分则要在本发明所公开的恒流源和低通滤波电路之后才能得到电流。这样不但能够使上行电流调制系统能够产生所需波特率的电流变化，还能使单片机系统其他部分工作引起的电流变化经过滤波器，从而偏离协议所规定的波特率。

图2是本发明设计的低功耗仪表总线从机电源电路的一个具体实例。仪表总线的两根线从标号为MBUS_IN的插座输入，方框A中的功能电路是一个恒压源电路：电阻R₁和并联型带隙电压基准芯片U_REF用于产生标准电压V_REF，电容C₁用于稳定标准电压V_REF；两只接成达林顿形式三极管V₁、V₂连接成射极跟随器形式，用于跟随标准电压V_REF。射极跟随器可以降低电路的输出阻抗，从而构成恒压源。为了降低功耗，图2中A所示的恒压源电路的静态电流很小，它的静态电流主要由两部分组成：其一，电压基准电路产生标准电源时所消耗的电流；其二，从射极跟随器输入端(基极)所流入的电流。本发明采用低工作电流的带隙电压基准，其工作电流仅在100uA左右，远远小于传统电路(图3)中采用的稳压管DW₁的最小稳定电流I_S。射极跟随器输入所消耗的电流等于后续单片机电路所消耗的电流I和射极跟随器电流放大倍数β的商：I/β。因此本发明采用接成达林顿形式三极管V₁、V₂构成射极跟随器后，β将等于β₁×β₂(其中β₁是三极管V₁的电流增益，β₂是三极管V₂的电流增益)，有效的降低了输入端所消耗的电流。

为了保证单片机系统激活或其它动作引起的电流变化的频带偏离仪表总线协议所规定的波特率范围，图2采用方框B中所示的RC电路构成无源低通滤波器。RP为一阶RC滤波器中的电阻，C₂为RC滤波器的电容。一方面，为了保证负载变化时不会引起输出电压的较大波动，低通滤波器的输出电阻必须足够小；另一方面，电源低通滤波器的转折频率必须远低于通讯波特率。一阶RC滤波器的转折频率为：

f_c＝1/(2πRC)

为了获得足够低的转折频率，可以通过增大电阻或电容的方法获得足够低的转折频率，但仪表总线从机设备一般耗电在1-10mA之间变化，需要将滤波器的电阻RP控制在100Ω以下，来降低滤波器的输出电阻，从而降低电源电压的波动。因此只有通过增加低通滤波器电容C₂的方法来降低转折频率。具体来讲，如果RP取100Ω，而C取常用电容100uF，则转折频率在20Hz以下，远远的偏离了仪表协议的常用波特率0.6、2.4或9.6Kbps，完全达到了设计要求。

经过图2中方框B所示的低通滤波器后产生的电源电压V_CC就可以作为单片机测量系统的电源电压了，RL表示V_CC的负载。在具体从机系统中，RL就是单片机测量电路。

图3是为了说明本发明优势而附带提供的传统恒流源电源电路的原理图。图中仪表总线从插座MBUS_IN输出，三极管Q₁、Q₂和电阻Ra、Rb构成了恒流源，这个恒流源吸取的电流It由电阻Ra决定。电流流过It后将在稳压管上DW₁上产生一个恒定的电压，这个电压等于DW₁的额定反相击穿电压，这个电压经过电容Ca去耦后将产生从机单片机系统的工作电压Vcc。RL就代表单片机测量系统。

实施例1(基于仪表总线的小区水表抄表系统)：

某小区采用光电直读式远程水表抄表系统，经过仪表总线读取小区内500余户的用水量。本仪表总线系统中，仅在小区物管处有一个用于读取数据仪表总线主机，用水户家中仅安装了作为仪表总线从机的光电直读式表头。从机当中，被主机选中、处于激活状态的从机的耗电量约为6mA左右；其它未被选中、处于休眠状态的从机所需电量1mA左右。如果采用传统的、基于恒流源的从机电源，处于休眠状态的从机也必须从总线上吸收6mA以上的电流，以保证该从机被主机激活后，恒流源能够为它提供足够的工作电流。这样不论是否被激活，所有的从机都需要吸收6mA以上的电流。因此，主机必须为网络提供3000mA以上的电流才能够维持整个仪表总线系统的正常工作。如果采用本发明公开的基于恒压源的从机电源电路，所有的从机可以根据需要就从仪表总线上吸取电流，在每一个时刻主机只激活一个从机，小区内的绝大部分从机仅需要从总线上吸取1mA左右的电流，主机仅需要为仪表总线网络提供500mA左右的电流即可满足网络运行需要，极大的节约了能耗，在同等供电条件下增加了网络的容量，降低了布线难度。

本例中恒压基准U_REF采用低工作电流的带隙基准芯片LM4040-4.1，LM4040仅需60uA即可稳定工作。限流电阻R₁取75KΩ，保证系统在仪表总线通讯期间也能稳定工作。为了降低恒压源的静态电流，V₁、V₂接成达林顿形式，构成射极跟随器，V₁、V₂为具有足够耐压的小功率三极管2N5551。此时恒压源系统为从机提供的电源电压为2.9V左右，可以保证系统的低功耗从机单片机系统的工作。无源RC低通滤波器由RP和C₂构成，RP为100Ω，C₂为100uF，RP与射极跟随器的发射极串联。该滤波器的转折频率为1/(2π×RP×C₂)＝15.92Hz，远低于本仪表总线系统的通讯波特率2.4Kbps，从机系统用电不可能干扰系统的正常电流调制通讯。

实际应用表明，本发明的方法有效的降低了仪表总线系统的功耗，提高了系统的容量，降低了系统维护成本。

实施例2(基于仪表总线的小区煤气表、电表抄表系统)

本例中仪表总线总体电流消耗的分析和实施例1相同，这里不再复述。

至于电路的具体实现，本例采用另一款低功耗的基准芯片LM385-ADJ作为U_REF来产生电压基准，和上一例中使用的LM4040-4.1不同的是LM385-ADJ产生的基准电压是可调节的，且稳定工作的电流可以降低到10uA。将LM385-ADJ的输出电压调节到6.2V，这样整个电源系统产生的输出Vcc可以控制在5V左右，5V电源可以满足绝大部分常见的单片机系统需求。

具体来看本例中U_REF为输出被调整到6.2V的LM385-ADJ。限流电阻R₁取100KΩ即可满足LM385-ADJ的需要。V₁、V₂同样接成达林顿形式，它们的具体型号是9014。此时恒压源系统为从机提供的Vcc为5V左右，可以供大部分常见单片机系统工作。无源RC低通滤波器中RP为47Ω，C₂为100uF，该滤波器的转折频率为1/(2π×RP×C₂)＝＝33.88Hz，远低于本仪表总线系统的通讯波特率2.4Kbps，从机系统用电同样不可能干扰系统的正常通讯。

Claims

1.一种仪表总线从机的低功耗电源电路，其特征在于由一个恒压源电路和一个低通滤波电路构成，所述的恒压源电路是由两只接成达林顿形式的三极管作为射极跟随器，这个射极跟随器的基极连接到一个由电压基准产生的标准电压上，从发射极输出一个输出电阻很低的电压，从而构成恒压源；所述的低通滤波电路由一个电阻和一个电容串联而成；所述的射极跟随器的发射极与低通滤波电路的电阻连接。

2.如权利要求1所述的仪表总线从机的低功耗电源电路，其特征在于所述的低通滤波电路中的电阻的阻值为100Ω以下。