CN105139628A - 一种用于主机端的mbus电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于主机端的MBUS电路，包括供电电源、电源控制电路、总线发送电路、过流保护电路、总线接收电路以及信号耦合电路；其中信号耦合电路对控制单元发出的信号、MBUS总线接收信号进行光耦隔离形成MBUS总线的数据发送信号MBUS_TX、收发控制信号MBUS_Con及数据接收信号MCU_RX。本发明电路结构简单可靠、抗干扰能力强、实时过载保护、最多可支持320个子节点、从节点数量变化对抄表无影响。此外采用光耦隔离的方式提高了抗干扰能力，增加了过载实时保护功能。使用电子开关、电容实时存储总线静态电平，并实时刷新，提高了电路的适应性。

Description

一种用于主机端的MBUS电路

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种用于主机端的MBUS电路。

背景技术

MBUS作为一种主从半双工的通信技术，具有通信距离远、抗干扰能力强、供电灵活等特点，广泛应用于各种仪表的数据采集中。传统的MBUS主机电路通常具有电路结构复杂、接收动态范围小、过载响应速度慢、电磁兼容特性差、组网节点较少、从节点数量变动影响抄表成功率等缺点，使得现场维护工作非常复杂。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种电路结构简单可靠、抗干扰能力强、实时过载保护、支持子节点数量多、从节点数量变化对抄表无影响的用于主机端的MBUS电路。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案为：一种用于主机端的MBUS电路，其特征在于：包括供电电源、电源控制电路、总线发送电路、过流保护电路、总线接收电路以及信号耦合电路；其中信号耦合电路对控制单元发出的信号、MBUS总线接收信号进行光耦隔离形成MBUS总线的数据发送信号MBUS_TX、收发控制信号MBUS_Con及数据接收信号MCU_RX；所述的总线发送电路的输入端接至电源控制电路的输出端，同时总线发送电路接入数据发送信号MBUS_TX，总线发送电路输出端经电流采样、电压转换得到的总线采样电压BUS-与阈值电压共同输入过流保护电路，过流保护电路的输出端接至电源控制电路的输入端；所述的总线接收电路将总线采样电压经两路处理：总线采样电压经过第一路处理后作为第四比较器U4负极输入，总线采样电压经第二路处理后再经由收发控制信号MBUS_Con控制的电子开关接入第四比较器U4的正极输入端，第四比较器U4输出作为数据接收信号MBUS_RX。

所述的总线发送电路是这样的：电源控制电路的输出VMBUS-OUT经隔离电容C1接至线性稳压器LM317的电压输入端，数据发送信号MBUS_TX经电阻R13接至三极管Q2的基极，三极管集电极经分压电阻R14、R15接至三极管Q3的基极，三极管Q3的集电极经电阻R16接至线性稳压器LM317的调节输入端，线性稳压器LM317的调节输入端经相并联的电阻R17和电容C2接参考地GMBUS，线性稳压器LM317的调节输入端经并联的电阻R18和二极管D3接至线性稳压器LM317的电压输出端；线性稳压器LM317的电压输出端经二极管D2接至线性稳压器LM317的电压输入端，线性稳压器LM317的电压输出端经电容C3接参考地GMBUS并经二极管D4输出总线电平BUS+，电容C3并联有相串联的分压电阻R19、R20，并由分压电阻R20引出总线采样电压BUS-，总线电平BUS+、总线采样电压BUS-与参考地GMBUS之间分别接有瞬间抑制二极管TVS1、TVS2，总线电平BUS+与总线采样电压BUS-之间接有压敏电阻YM1。

数据发送信号MBUS_TX输出高电平时，三极管Q2饱和导通，三极管Q3截止，线性稳压器LM317的反馈电阻等效为电阻R17，线性稳压器LM317输出电压为(Vref为LM317调节输入端与电压输出端的压差，一般为1.25V)为总线高电平；数据发送信号MBUS_TX输出低电平时，三极管Q2截止，三极管Q3饱和导通，线性稳压器LM317的反馈电阻等效为电阻R16与电阻R17的并联电阻，线性稳压器LM317输出为总线低电平。二极管D2、D3防止输入、输出短路时线性稳压器LM317被烧坏；二极管D4防止总线被高电平干扰损坏；瞬间抑制二极管TVS1、TVS2防止总线被静电损坏；压敏电阻YM1防止总线被瞬间高压损坏，电阻R20为总线采样电阻。

所述的过流保护电路是这样的：总线采样电压BUS-经电阻R11接至第一比较器U1的负极输入端，电源VMBUS经分压电阻R12、R10分压得到阈值电压接入第一比较器U1的正极输入端，第一比较器U1的输出端经电阻R9接至三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极接至参考地GMBUS，三极管Q1的集电极经电阻R8接至场效应管M1的栅极，同时经并联的稳压二极管D1和电阻R7接至场效应管M1的源极，场效应管M1的源极接至电源VMBUS，场效应管M1的漏极作为电源控制电路的输出VMBUS-OUT。

当总线采样电压BUS_小于阈值电压时，第一比较器U1输出高电平，驱动三极管Q1饱和导通，场效应管M1的栅、源极电压经R7、R8分压满足导通条件，电源控制电路的输出VMBUS_OUT与电源VMBUS相同；当总线采样电压BUS_大于阈值电压时，第一比较器U1输出低电平，三极管Q1截止，集电极对地电阻等效为无限大，场效应管M1的栅源极电压几乎相等，场效应管M1截止，电源控制电路的输出VMBUS_OUT为0。电源控制电路的输出VMBUS_OUT控制电源控制电路的开关。当电流超过设定的阈值时，电源控制电路被切断。

所述的总线接收电路是这样的:总线采样电压BUS-经电阻R23接至第二比较器U2的正极输入端，第二比较器U2的正极输入端经分压电阻R24、R25分别接电源VMBUS和参考地GMBUS，第二比较器U2的负极输入端经电阻R21接参考地GMBUS，并经电阻R22接至第二比较器U2的输出端，第二比较器U2的输出端经电阻R26接至第四比较器U4的负极输入端；电源VMBUS经分压电阻R30、R31接至参考地GMBUS，参考地GMBUS经电阻R34接至第三比较器U3的负极输入端，第三比较器U3的负极输入端经电阻R35接至第三比较器U3的输出端，第三比较器U3的正极输入端经电阻R32接至相串联的电阻R30、R31之间，并经电阻R33接至第二比较器U2的输出端，第三比较器U3的输出端经电阻R36接至场效应管M2的源极，场效应管M2的漏极连接至场效应管M3的漏极，场效应管M2、M3的栅极并接至收发控制信号MBUS_Con,场效应管M3源极接至第四比较器U4的正极输入端，并经电容C4接地，第四比较器U4的输出端经电阻R27作为数据接收信号MBUS_RX。

分压电阻R24、R25第二比较器U2提供合适的静态工作点。第二比较器U2、电阻R21、电阻R22构成负反馈放大电路，因此第二比较器U2的输出电压为 $\left(\frac{\frac{R24*R25}{R24+R25}}{\frac{R24*R25}{R24+R25}+R23}\right)*(\frac{R22}{R21}+1)*(Vbus\_+V_Q),$ Vbus_为总线采样电压，V_Q为U2的静态工作点电压。通过配置电阻R21、R22、R23、R24、R25，使第二比较器U2的输出电压U2out为10*(Vbus_-+V_Q)，在电阻R32、R33远远大于电阻R30、R31的条件下，通过配置电阻R30、R31可以使R31的电压为因此第三比较器U3的正极输入电压为第三比较器U3、电阻R34、R35构成负反馈电路。第三比较器U3的输出电压为通过配置电阻R32、R33、R34、R35，使第三比较器输出电压比第二比较器输出电压大70mV。主机发送数据前收发控制信号MBUS_Con输出高电平，场效应管M2、M3导通为电容C4充电，使电容C4的电压为10*(Vbus_-+V_Q)+70mv,且为比较器U4正极输入，充电完成后，收发控制信号MBUS_Con输出低电平，场效应管M2、M3断开使电容C4的电平保持。当从节点发送高电平时，第四比较器U4负极电压为10*(Vbus_-+V_Q)_小于第四比较器U4的正极输入，第四比较器U4输出高电平；当从节点发送低电平时(假设从节点发送低电平需要总线电流11mA)，第四比较器U4负极为(10*(Vbus_+V_Q+11))大于第四比较器U4的正极输入，第四比较器U4输出低电平。

总线主节点每次发送数据前，电子开关(即场效应管M2、M3)导通，并为电容C4充电，充电完成后，电子开关断开。

总线从节点发送数据时，第四比较器U4正极为发送数据前采样的总线静态电平并加70mv，比较器负极为总线动态电平。根据总线协议，从节点发送“1”时，消耗0～1.5mA总线电流；从节点发送“0”时，消耗11～20mA总线电流，因此可以将从节点数据检出。

由于接收电路将总线电流放大10倍，降低了采样电阻的阻值与功率，增加了从节点的数量，提高了电路的稳定性。总线主节点每次发送数据前都刷新比较器的基准电压，因此总线节点的变化对抄表无影响。

所述的信号耦合电路是这样的：控制单元发出的发送信号MCU_TX驱动第一光耦后形成MBUS总线的数据发送信号MBUS_TX；控制单元发出的控制信号MCU_Con驱动第二光耦后形成MBUS总线的收发控制信号MBUS_Con；MBUS总线数据接收信号MBUS_RX驱动第三光耦后形成信号MCU_RX。

总线的通信信号通过光耦进行隔离，可以有效保护主控电路，增加了电路的抗干扰能力。

本发明电路结构简单可靠、抗干扰能力强、实时过载保护、最多可支持320个子节点、从节点数量变化对抄表无影响。此外采用光耦隔离的方式提高了抗干扰能力，增加了过载实时保护功能。使用电子开关、电容实时存储总线静态电平，并实时刷新，提高了电路的适应性。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为信号耦合电路；

图3为过流保护电路；

图4为总线发送电路；

图5为总线接收电路；

具体实施方式

一种用于主机端的MBUS电路，如图1所示包括供电电源、电源控制电路、总线发送电路、过流保护电路、总线接收电路以及信号耦合电路；其中信号耦合电路对控制单元发出的信号、MBUS总线接收信号进行光耦隔离形成MBUS总线的数据发送信号MBUS_TX、收发控制信号MBUS_Con及数据接收信号MCU_RX；所述的总线发送电路的输入端接至电源控制电路的输出端，同时总线发送电路接入数据发送信号MBUS_TX，总线发送电路输出端经电流采样、电压转换得到的总线采样电压BUS-与阈值电压共同输入过流保护电路，过流保护电路的输出端接至电源控制电路的输入端；所述的总线接收电路将总线采样电压经两路处理：总线采样电压经过第一路处理后作为第四比较器U4负极输入，总线采样电压经第二路处理后再经由收发控制信号MBUS_Con控制的电子开关接入第四比较器U4的正极输入端，第四比较器U4输出作为数据接收信号MBUS_RX。

如图2所示，所述的信号耦合电路是这样的：控制单元发出的发送信号MCU_TX驱动第一光耦后形成MBUS总线的数据发送信号MBUS_TX；控制单元发出的控制信号MCU_Con驱动第二光耦后形成MBUS总线的收发控制信号MBUS_Con；MBUS总线数据接收信号MBUS_RX驱动第三光耦后形成信号MCU_RX。

如图3所示，所述的过流保护电路是这样的：总线采样电压BUS-经电阻R11接至第一比较器U1的负极输入端，电源VMBUS经分压电阻R12、R10分压得到阈值电压接入第一比较器U1的正极输入端，第一比较器U1的输出端经电阻R9接至三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极经电阻R8接至场效应管M1的栅极，同时经并联的稳压二极管D1和电阻R7接至场效应管M1的源极，场效应管M1的源极接至电源VMBUS，场效应管M1的漏极作为电源控制电路的输出VMBUS-OUT。

如图4所示，所述的总线发送电路是这样的：电源控制电路的输出VMBUS-OUT经隔离电容C1接至线性稳压器LM317的电压输入端，数据发送信号MBUS_TX经电阻R13接至三极管Q2的基极，三极管集电极经分压电阻R14、R15接至三极管Q3的基极，三极管Q3的集电极经电阻R16接至线性稳压器LM317的调节输入端，线性稳压器LM317的调节输入端经相并联的电阻R17和电容C2接参考地GMBUS，线性稳压器LM317的调节输入端经并联的电阻R18和二极管D3接至线性稳压器LM317的电压输出端；线性稳压器LM317的电压输出端经二极管D2接至线性稳压器LM317的电压输入端，线性稳压器LM317的电压输出端经电容C3接参考地GMBUS并经二极管D4输出总线电平BUS+，电容C3并联有相串联的分压电阻R19、R20，并由分压电阻R20引出总线采样电压BUS-，总线电平BUS+、总线采样电压BUS-与参考地GMBUS之间分别接有瞬间抑制二极管TVS1、TVS2，总线电平BUS+与总线采样电压BUS-之间接有压敏电阻YM1。

如图5所示，所述的总线接收电路是这样的:总线采样电压BUS-经电阻R23接至第二比较器U2的正极输入端，第二比较器U2的正极输入端经分压电阻R24、R25分别接电源VMBUS和参考地GMBUS，第二比较器U2的负极输入端经电阻R21接参考地GMBUS，并经电阻R22接至第二比较器U2的输出端，第二比较器U2的输出端经电阻R26接至第四比较器U4的负极输入端；电源VMBUS经分压电阻R30、R31接至参考地GMBUS，参考地GMBUS经电阻R34接至第三比较器U3的负极输入端，第三比较器U3的负极输入端经电阻R35接至第三比较器U3的输出端，第三比较器U3的正极输入端经电阻R32接至相串联的电阻R30、R31之间，并经电阻R33接至第二比较器U2的输出端，第三比较器U3的输出端经电阻R36接至场效应管M2的源极，场效应管M2的漏极连接至场效应管M3的漏极，场效应管M2、M3的栅极并接至收发控制信号MBUS_Con,场效应管M3源极接至第四比较器U4的正极输入端，并经电容C4接地，第四比较器U4的输出端经电阻R27作为数据接收信号MCU_RX。

Claims (5)

1.一种用于主机端的MBUS电路，其特征在于：包括供电电源、电源控制电路、总线发送电路、过流保护电路、总线接收电路以及信号耦合电路；其中信号耦合电路对控制单元发出的信号、MBUS总线接收信号进行光耦隔离形成MBUS总线的数据发送信号MBUS_TX、收发控制信号MBUS_Con及数据接收信号MCU_RX；所述的总线发送电路的输入端接至电源控制电路的输出端，同时总线发送电路接入数据发送信号MBUS_TX，总线发送电路输出端经电流采样、电压转换得到的总线采样电压BUS-与阈值电压共同输入过流保护电路，过流保护电路的输出端接至电源控制电路的输入端；所述的总线接收电路将总线采样电压经两路处理：总线采样电压经过第一路处理后作为第四比较器(U4)负极输入，总线采样电压经第二路处理后再经由收发控制信号MBUS_Con控制的电子开关接入第四比较器U4的正极输入端，第四比较器(U4)输出作为总线数据接收信号MBUS_RX。

2.根据权利要求1所述的用于主机端的MBUS电路，其特征在于：所述的总线发送电路是这样的：电源控制电路的输出VMBUS-OUT经隔离电容(C1)接至线性稳压器LM317的电压输入端，数据发送信号MBUS_TX经电阻(R13)接至三极管(Q2)的基极，三极管(Q2)集电极经分压电阻(R14、R15)接至三极管(Q3)的基极，三极管(Q3)的集电极经电阻(R16)接至线性稳压器LM317的调节输入端，线性稳压器LM317的调节输入端经相并联的电阻(R17)和电容(C2)接参考地GMBUS，线性稳压器LM317的调节输入端经并联的电阻(R18)和二极管(D3)接至线性稳压器LM317的电压输出端；线性稳压器LM317的电压输出端经二极管(D2)接至线性稳压器LM317的电压输入端，线性稳压器LM317的电压输出端经电容(C3)接参考地GMBUS并经二极管D4输出总线电平BUS+，电容(C3)并联有相串联的分压电阻(R19、R20)，并由分压电阻(R20)引出总线采样电压BUS-，总线电平BUS+、总线采样电压BUS-与参考地GMBUS之间分别接有瞬间抑制二极管(TVS1、TVS2)，总线电平BUS+与总线采样电压BUS-之间接有压敏电阻(YM1)。

3.根据权利要求1所述的用于主机端的MBUS电路，其特征在于：所述的过流保护电路是这样的：总线采样电压BUS-经电阻(R11)接至第一比较器(U1)的负极输入端，电源VMBUS经分压电阻(R12、R10)分压得到阈值电压接入第一比较器(U1)的正极输入端，第一比较器U1的输出端经电阻(R9)接至三极管(Q1)的基极，三极管(Q1)的集电极经电阻R8接至场效应管(M1)的栅极，同时经并联的稳压二极管(D1)和电阻(R7)接至场效应管(M1)的源极，场效应管(M1)的源极接至电源VMBUS，场效应管(M1)的漏极作为电源控制电路的输出VMBUS-OUT。

4.根据权利要求1所述的用于主机端的MBUS电路，其特征在于：所述的总线接收电路是这样的:总线采样电压BUS-经电阻(R23)接至第二比较器(U2)的正极输入端，第二比较器(U2)的正极输入端经分压电阻(R24、R25)分别接电源VMBUS和参考地GMBUS，第二比较器(U2)的负极输入端经电阻(R21)接参考地GMBUS，并经电阻(R22)接至第二比较器(U2)的输出端，第二比较器(U2)的输出端经电阻(R26)接至第四比较器(U4)的负极输入端；电源VMBUS经分压电阻(R30、R31)接至参考地GMBUS，参考地GMBUS经电阻(R34)接至第三比较器(U3)的负极输入端，第三比较器(U3)的负极输入端经电阻(R35)接至第三比较器(U3)的输出端，第三比较器(U3)的正极输入端经电阻(R32)接至相串联的电阻(R30、R31)之间，并经电阻(R33)接至第二比较器(U2)的输出端，第三比较器(U3)的输出端经电阻(R36)接至场效应管(M2)的源极，场效应管(M2)的漏极连接至场效应管(M3)的漏极，场效应管(M2、M3)的栅极并接至收发控制信号MBUS_Con,场效应管(M3)源极接至第四比较器(U4)的正极输入端，并经电容(C4)接地，第四比较器(U4)的输出端经电阻(R27)作为数据接收信号MCU_RX。

5.根据权利要求1所述的用于主机端的MBUS电路，其特征在于：所述的信号耦合电路是这样的：控制单元发出的发送信号MCU_TX驱动第一光耦后形成MBUS总线的数据发送信号MBUS_TX；控制单元发出的控制信号MCU_Con驱动第二光耦后形成MBUS总线的收发控制信号MBUS_Con；MBUS总线数据接收信号MBUS_RX驱动第三光耦后形成信号MCU_RX。