CN102129226A - M-bus总线主站数据接收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种M-BUS总线主站数据接收装置，其在M-BUS总线中串联一个小容量电流采样电阻，基本无电压降，带从站能力强，通信距离远；采用差分电流检测技术检测电流采样电阻两端的电压降信号，并对其进行差分放大，有效地实现了对共模输入（干扰）信号的抑制作用和对差模输入（有效）信号的放大作用，灵敏度高，抗干扰能力强；具有负载自动适应功能，对总线负载变化能自动适应，使数据接收稳定可靠；M-BUS总线的电流信号与解调后的接收数据一致，无失真，不影响数据通信。

Description

M-BUS总线主站数据接收装置

技术领域

本发明属于现场总线控制技术领域，具体涉及一种用于M-BUS主站的数据接收装置，可用于M-BUS总线的水电气热表、工业现场仪表、消防报警及联动控制、智能家居、楼宇和小区等领域。

背景技术

M-BUS（Meter-BUS，EN1434-3）是消费类仪表国际通行标准。是一种经济实惠的现场总线，具有良好的开放性，其拓扑结构为总线结构，采用普通的两芯电缆连接，同时完成电源供电和数据通信的功能，在连接时不用区分极性，可按照任意拓扑结构布线施工，其施工成本和难度大大下降。

M-BUS总线电气接口应符合下列要求：

在从站由主站供电时，每个从站获得不大于2mA的电流，主站驱动能力应不小于64个从站。

主站至从站的信息传输是通过电平变化的方式来实现的。传号（逻辑电平为“1”）时：总线电压应比空号时的总线电压大10V，且总线电压小于等于42V；空号（逻辑电平为“0”）时：总线电压应大于12V。

从站至主站信息传输是通过从站电流大小的变化来实现的。传号（逻辑电平“1”）时：传号电流为0mA～1.5mA；空号（逻辑电平“0”）时：空号电流为在传号电流值的基础上增加约11mA～20mA；总线空闲时，主、从站应保持传号状态。

M-BUS总线主机接收电路通过检测总线上的电流变化，解调后得到从站返回的数据信息。

当前的M-BUS总线主站接收电路一般通过一个较大的电流采样电阻将电流信号转换为电压信号，实现数据的接收，存在以下不足：

M-BUS总线上串联较大容量的采样电阻，导致M-BUS总线输出电压降低，影响通信距离、降低带从站数量。

接收电路灵敏度不高，抗干扰能力差，通信成功率低。

不能自动适应总线负载变化，增加或减少从站引起的总线负载变化使得数据接收不稳定，影响数据通信。

电流信号与解调后的接收数据不一致，波形失真，影响数据通信。

发明内容

为弥补现有技术的不足，本发明提供一种M-BUS总线主站数据接收装置，其特征是：在总线上串联一个小容量的电流采样电阻，采用电流检测、差分放大、负载自适应技术实现数据的接收。

本发明具体采用以下技术方案：

一种M-BUS总线主站数据接收装置，包括电流采样电阻、电流检测放大电路、信号处理电路和信号比较电路，其特征在于：

所述电流采样电阻串联在M-BUS总线上；

所述电流检测放大电路的输入端连接至所述电流采样电阻的两端，输出端连接至信号处理电路；

所述信号处理电路的输入端连接至所述电流检测放大电路的输出端，输出端连接至所述信号比较电路的输入端；

所述信号比较电路的输入端连接至所述信号处理电路的输出端，输出端为解调后的总线接收数据，供控制器（如单片机）处理。

根据M-BUS总线标准要求，从站至主站信息传输是通过从站电流大小的变化来实现的。传号（逻辑电平“1”）时：传号电流为0mA～1.5mA；空号（逻辑电平“0”）时：空号电流为在传号电流值的基础上增加约11mA～20mA；总线空闲时，主、从站应保持传号状态。

M-BUS总线主站数据接收装置实现M-BUS总线电流的检测、解调，得到里面包括的总线接收数据，供控制器（如单片机）处理。

所述电流采样电阻是一个小容量电阻，M-BUS总线电流在此电阻上产生微小的电压降信号，提供给后续电路。

所述电流检测放大电路包括电流检测放大器U1，第二电阻R2、第三电阻R3；电流检测放大器U1检测电流采样电阻两端的电压信号，所述第二电阻R2连接在电流采样电阻一端和与该电流采样电阻一端对应的电流检测放大器U1输入端之间，所述第三电阻R3连接在所述电流检测放大器U1输出端与接地端之间。电流检测放大器U1对所采集的电压信号进行差分放大，所述第二电阻R2、第三电阻R3用于设定电压放大倍数。

所述电流检测放大电路是一个电流检测放大电路，检测电流采样电阻两端的电压降信号，并对其进行差分放大，有效地实现了对共模输入（干扰）信号的抑制作用和对差模输入（有效）信号的放大作用，电流检测放大电路可以是电流检测放大器、差分放大器、差动放大器、仪表放大器或多个运算放大器组合电路。

电流检测放大电路是电流检测放大器或差分放大器或差动放大器或仪表放大器或多个运算放大器组合电路。

所述信号处理电路优选为一个由运算放大器U2组成的减法器电路，与所述电流检测放大电路输入的电压信号相减，实现对该输入信号的转换处理，使之符合后续电路要求。

所述信号比较电路包括比较器U3、二极管D1、电容C1、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10，所述信号处理电路输出端通过第九电阻R9连接到比较器U3的正相输入端，信号处理电路输出端依次通过二极管D1、第十电阻R10连接到比较器U3的反相输入端，电容C1和第八电阻R8并联连接在二极管D1负极和比较器U3反相输入端的连线与地之间。该信号比较电路是一个比较、解调电路，输入的信号经此电路比较、解调后得到包含有效总线数据接收的信号，比较器的参考点能自动适应，对总线负载变化引起的输入电压变化能自动适应，使数据接收稳定可靠。

本发明的有益效果：M-BUS总线上串联的电流采样电阻小，基本无电压降，通信距离远；接收电路采用差分电流检测技术，灵敏度高，抗干扰能力强；具有负载自动适应功能，增加或减少从站引起的总线负载变化影响数据通信；M-BUS总线的电流信号与解调后的接收数据一致，无失真，不影响数据通信。

附图说明

图1是本发明的总体原理示意图；

图2是本发明中关键点信号波形示意图；

图3是本发明中电流检测放大电路原理示意图；

图4是本发明中信号处理电路原理示意图；

图5是本发明中信号比较电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明作进一步的说明

如附图1所示，M-BUS总线主站数据接收装置，主要包括电流采样电阻、电流检测放大电路、信号处理电路和信号比较电路，其特征在于：

所述电流采样电阻串联在M-BUS总线上；

所述电流检测放大电路的输入端连接至所述电流采样电阻的两端，输出端连接至信号处理电路；

所述信号处理电路的输入端连接至所述电流检测放大电路的输出端，输出端连接至所述信号比较电路的输入端；

所述信号比较电路的输入端连接至所述信号处理电路的输出端，输出端为解调后的总线接收数据；

根据M-BUS总线标准要求，从站至主站信息传输是通过从站电流大小的变化来实现的。传号（逻辑电平“1”）时：传号电流为0mA～1.5mA；空号（逻辑电平“0”）时：空号电流为在传号电流值的基础上增加约11mA～20mA；总线空闲时，主、从站应保持传号状态。

M-BUS总线主站数据接收装置实现M-BUS总线电流的检测、解调，得到里面包括的接收数据。

如附图2所示，为本实施例中各电路模块关键点信号波形示意图，以从站返回的一个串行字符数据68H = 01101000B为例说明。一个字符传输时，由一位低电平的起始位S开始，接着传输8位数据位（按低位在前，高位在后的顺序传输，即00010110），最后传输的是高电平的停止位P。

在本实施例中，设计为：

M-BUS总线空号（逻辑电平“0”）时，其电流为Iba

M-BUS总线传号（逻辑电平“1”，空闲状态）时，其电流为Ibb，则有Iba＞Ibb

M-BUS总线从站发送数据时，总线变化电流（数据电流）：

△Ib=Iba-Ibb(11mA≤△Ib≤20mA)

则电流采样电阻R1两端的电压降：

空号时电压降：

Vba=Iba×R1

传号时电压降：

Vbb=Ibb×R1

数据传输时电压降差：

△Vb=Vba-Vbb=(Iba-Ibb)×R1=△Ib×R1

如附图3所示，电流检测放大电路包括电流检测放大器U1，第二电阻R2、第三电阻R3；电流检测放大器U1检测电流采样电阻两端的电压信号，所述第二电阻R2连接在电流采样电阻R1一端和与该电流采样电阻一端对应的电流检测放大器U1输入端之间，所述第三电阻R3连接在所述电流检测放大器U1输出端与接地端之间；

电流检测放大器U1对所采集的电压信号进行差分放大，所述第二电阻R2、第三电阻R3用于设定电压放大倍数Av=                                               

。

电流检测放大器U1检测电流采样电阻R1两端的电压信号，并对其进行差分放大，有效地实现了对共模输入（干扰）信号的抑制作用和对差模输入（有效）信号的放大作用，引脚1为该电路的输出端。

电流检测放大电路可以是电流检测放大器、差分放大器、差动放大器、仪表放大器、或多个运算放大器组合电路。

结合附图2，电流检测放大电路输出端VSEN的各电压值如下：

空号时电压：

Vsa=Vba×Av=Iba×R1×

传号时电压：

Vsb=Vbb×Av=Ibb×R1×

数据传输时电压降差：

△Vs=Vsa-Vsb=(Iba-Ibb)×R1×

=△Vb×Av=△Ib×R1×

如附图4所示,信号处理电路是一个由运算放大器U2，第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7组成的减法器电路，与参考电压（VBUS+）相减（即波形的倒相），实现对输入信号的转换处理，使之符合后续电路要求。

结合附图2，信号转换电路输出端VDAT的各电压值如下：

空号时电压：

Vda=(VBUS+)-Vsa=(VBUS+)-Iba×R1×

传号时电压：

Vdb=(VBUS+)-Vsb=(VBUS+)-Ibb×R1×

数据传输时电压降差：

△Vd=(Vda-Vdb)=[(VBUS+)-Vsa]-[(VBUS+)-Vsb]

= -(Vsa-Vsb)= -△Vs= -△Ib×R1×

如附图5所示,信号比较电路由比较器U3，二极管D1，电容C1和第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11组成，电容C1和第八电阻R8并联形成参考稳压网络，二极管D1起隔离电压和降压作用，信号转换电路输出的波形信号VDAT经此网络后得到平稳的电压参考值（如附图2中的波形Vref），经第十电阻R10输入到比较器U3的反相输入端，同时波形信号VDAT（如附图2中的波形VDAT）通过第九电阻R9输入到比较器U3的同相输入端，比较器两输入端的信号比较后得到有效的数据信息，（如附图2中的波形VBIT）。

电容C1起稳压作用，使参考电压稳定；第八电阻R8设定参考电压，调节R8参数使参考电压值Vref为波形信号的中部值,如附图2中的波形Vref，则

比较器U3反相输入端的参考电压：

空号时电压：

Vref=Vda+|△Vd/2|= Vdb-|△Vd/2|

传号时电压：

Vref=Vdb-|△Vd/2|= Vda+|△Vd/2|

比较器U3同相输入端的信号电压：

空号时电压：Vda

传号时电压：Vdb

这样，无论输入的信号VDAT如何变化，比较器U3同相输入端和反正输入端电压差始终为|△Vd/2|=[△Ib×R1×

]/2，而△Ib（11mA～20mA中的某一固定值）和电阻R1、R2、R3为固定值，这样电压差与外部量无关，从而不管从站数量多少，总线电流大小如何，电压差始终为|△Vd/2|，为波形信号的中部，从而实现了M-BUS总线负载的自适应。

整个硬件电路采用快速放大器和比较器，响应速度快，无滞后效应；采用比较器解调信号，无失真，波形完整，数据可靠。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种M-BUS总线主站数据接收装置，所述接收装置用于实现M-BUS总线电流的检测、解调，该接收装置包括电流采样电阻、电流检测放大电路、信号处理电路和信号比较电路，其特征在于：

所述电流采样电阻串联在M-BUS总线上；

所述电流检测放大电路的输入端连接至所述电流采样电阻的两端，电流检测放大电路的输出端连接至信号处理电路的输入端；

所述信号处理电路的输出端连接至所述信号比较电路的输入端；

所述信号比较电路的输出端为解调后的总线接收数据，供控制器处理。

2.根据权利要求1所述的M-BUS总线主站数据接收装置，其特征在于：

所述电流检测放大电路包括电流检测放大器（U1），第二电阻（R2）、第三电阻（R3）；电流检测放大器（U1）检测电流采样电阻两端的电压信号，所述第二电阻（R2）连接在电流采样电阻一端和与该电流采样电阻一端对应的电流检测放大器（U1）输入端之间，所述第三电阻（R3）连接在所述电流检测放大器（U1）输出端与接地端之间；

电流检测放大器（U1）对所采集的电压信号进行差分放大，所述第二电阻（R2）、第三电阻（R3）用于设定电压放大倍数。

3.根据权利要求1和2所述的M-BUS总线主站数据接收装置，其特征在于：电流检测放大电路是电流检测放大器或差分放大器或差动放大器或仪表放大器或多个运算放大器组合电路。

4.根据权利要求1所述的M-BUS总线主站数据接收装置，其特征在于：所述信号处理电路优选为一个由运算放大器（U2）组成的减法器电路，与所述电流检测放大电路输入的电压信号相减，实现对该输入信号的转换处理。

5.根据权利要求1所述的M-BUS总线主站数据接收装置，其特征在于：所述信号比较电路包括比较器（U3）、二极管（D1）、电容（C1）、第八电阻（R8）、第九电阻（R9）、第十电阻（R10），所述信号处理电路输出端通过第九电阻（R9）连接到比较器（U3）的正相输入端，信号处理电路输出端依次通过二极管（D1）、第十电阻（R10）连接到比较器（U3）的反相输入端，电容（C1）和第八电阻（R8）并联连接在二极管（D1）负极和比较器（U3）反相输入端的连线与地之间。

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