CN106803340A - Mbus通信电路、通信方法及其制成的计量仪表 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MBUS通信电路，包括发送电路和接收电路；接收电路中电压比较器的同相端连接标准电压电路，从而将电压比较器的同相端固定为一标准电压；电压比较器的反相端连接电压放大电路，所述电压放大电路将发送电路中转换电阻的端电压放大后输入到电压比较器的反相端。本发明还公开了所述通信电路的通信方法。本发明还公开了包括所述通信电路和通信方法的计量仪表。本发明采用标准芯片代替原有的RCD电压降检测电路，因此使得电压比较器两端的电压更加稳定、可靠和精准，从而使得本发明提供的这种通信电路工作更加稳定、可靠和精准，降低了通信的误码率，从而也大大提高了通信的速率。

Description

MBUS通信电路、通信方法及其制成的计量仪表

技术领域

本发明具体涉及一种MBUS通信电路、通信方法及其制成的计量仪表。

背景技术

MBus总线是一种主从式半双工传输总线，采用主叫/应答的方式通信，即只有处于中心地位的主站（Master）发出询问后，从站（Slave）才会向主站传输数据。

目前常用的MBUS通信电路如图1所示：其中MBUS_RXD部分的电路为接收电路；MBUS_TXD部分的电路为发送电路。接收电路包括接收输出上拉电阻R2、隔离光耦U2、接收输入上拉电阻R3、电压比较器U1A、比较器同相限流电阻R1、比较器反相限流电阻R4和比较器反相RCD电路（泄流电阻R5、电容C1和二极管D1）。隔离光耦的输出端正极为信号接收端，也同时通过接收输出上拉电阻连接电源正极，隔离光耦的输出端负极接地，隔离光耦的输入端正极通过接收输入上拉电阻连接电源正极，隔离光耦的输入端负极连接电压比较器的输出端，电压比较器的同相端通过比较器同相限流电阻R1连接电压信号B1，电压比较器的反相端通过并联的泄流电阻R5和电容C1接地，同时还通过比较器反相限流电阻R4和二极管D1连接电压信号B1；发送电路中，转换电阻R6的一端连接电源芯片U3的输出端，而电压信号B1即为转换电阻R6的另一端的电压信号值。

MBus物理层bit流传输具有独特的电平特征如下表1。主站到从站的bit流传输通过总线电平切换实现，而从站到主站的bit流传输通过电流调制实现。定义逻辑“1”为MARK，逻辑“0”为SPACE

表1 MBus物理层bit流传输电平特征

主站向从站发送逻辑“1”（MARK）时，总线电压为Vmark（≤42V），发送逻辑“0”（SPACE）时，电压下降10V以上，降到Vspace（≥12V）；从站向主站发送逻辑“1”时，从站所取电流为Imark（≤1.5mA），发送逻辑“0”时，从站的MBus接口会在Imark上加上脉冲电流11-20mA，形成Ispace。

MBus协议规定总线处于空闲状态时用逻辑“1”表示，即总线电压维持在Vmark，而每个从站取电流Imark≈1.5mA，即两线制总线上的总电流等于Imark*从站总数。这样无论总线处于空闲状态还是数据传输状态，总线电压不低于Vspace，每个从站所取电流不小于Imark，这个电流就可用作从站电源。可见在MBus的正常运行状态下，总线可以持续不断地既传信号又供电源，使终端仪表所用电池成为备用电源，减少了仪表定期维护、更换电池等工作量，仪表的安装位置也可以比较随意。MBus总线上的bit流传输过程如图2所示。虚线左边的时间段是主站到从站的bit流传输，总线电压在Vspace和Vmark间切换，从站电流维持Imark不变；虚线右边的时间段是从到主的bit流传输，从站所取电流在Imark和Ispace间切换，总线电压基本维持Vmark不变，但由于MBus电源输出阻抗的存在，使得电流增大时总线电压略有减小。这表明数据传输过程中任意时刻MBus总线上要么传输电压信号，要么传输电流信号，所以MBus只能工作在主从半双工方式下。主站通过检测总线上是否出现11-20mA脉冲电流确定接收“0”还是“1”；从站接收数据时，由于总线绝对电压会随着距离和总线电流变化而变化，故通过检测总线电压与动态参考电压是否相差10V以上来确定接收“0”还是“1”。TI公司的MBus接口芯片TSS721A采用的就是这种动态电平识别逻辑，它的动态参考电压由从站接入位置处的Vmark对芯片内的一个电容充电获得。该电容充放电电流之比约为40，在波特率大于300的情况下只要在传输的bit流中每11位至少出现一个“1”（Vmark），就可以保证动态参考电压始终维持在Vmark附近。

假定MBUS通信中的Vmark电平为31V；则MBus_TXD数据发送，发送高电平时U4截止，U3选型为78L05，Z1和Z2是2个13V稳压管由于U4截止会将U3的GND抬高26V，因此U3输出电压对地为31V。这个电平是主机到从机bit流中“1”的Vmark电平。

MBus_TXD发送低电平时U4导通，Z2被U4旁路，U3的GND被Z1太高13V，因此U3输出电压对地为18V。这个电平是主机到从机bit流中“0”的Vspace电平。

MBus_RXD数据接收，电流的变化通常比较难以检测。现有技术中是将电流变化转换成电压变化来进行数据解析的。转换电阻R6为阻值为100欧的功率电阻，会将接收数据中11~20mA的电流变化转换为B1节点1.1~2V的电压波动。

从站bit流传输“1”时，Imark仅为负载静态电流消耗，B1位置没有电压变化，但是由于D1前向电压的存在、前向电压大约1V，比较器U1的第3脚电压31V高于第2脚电压30V，U1输出高电平U2截止，因此MBus_RXD处为高电平。

从站bit流传输“0”时，TB1处会产生20mA的电流消耗，这个电流消耗在R6上产生2V的压降，因此B1位置电压降低到29V。由于二极管D1反向截止以及C1电容上的能量无法得到快速释放特性，比较器第3脚电压29V低于第2脚电压30V，U1输出低电平U2导通，因此MBbus_RXD处为低电平。

但是，现有的MBUS电路中，其接收电路是通过RCD电路的充放电在比较器的比较端产生的电压变化来进行数据传输的。这种电路由于RCD的误差较大，造成充放电时间差别也很大。这种用模拟电路来模拟数字信号的方法性能较差，致使MBus电路只能在较低的通信波特率下运行，成为MBus通信电路发展的一个瓶颈。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种通信速率高且误码率低的MBUS通信电路。

本发明的目的之二在于提供一种所述MBUS通信电路的通信方法。

本发明的目的之三在于提供一种包括所述MBUS通信电路，并采用所述通信方法的计量仪表。

本发明提供的这种MBUS通信电路，包括发送电路和接收电路；所述接收电路包括接收输出上拉电阻，隔离光耦，接收输入上拉电阻和电压比较器，隔离光耦的输出端正极为信号接收端，也同时通过接收输出上拉电阻连接电源正极，隔离光耦的输出端负极接地，隔离光耦的输入端正极通过接收输入上拉电阻连接电源正极，隔离光耦的输入端负极连接电压比较器的输出端，电压比较器的同相端连接标准电压电路，从而将电压比较器的同相端固定为一标准电压；电压比较器的反相端连接电压放大电路，所述电压放大电路将发送电路中转换电阻的端电压放大后输入到电压比较器的反相端。

所述的电压放大电路为采用电流检测芯片构成的电压放大电路。

所述的电流检测芯片的型号为INA139。

所述的电压放大电路具体为芯片的输出引脚直接连接电压比较器的反相端，同时还通过负载电阻接地，芯片的电源引脚连接电压比较器的电源，芯片的电压输入引脚直接连接在转换电阻的两端，从而采样流过转换电阻的电流信号；所述的芯片将流过转换电阻的电流信号放大为电压信号并输入到电压比较器的反相端。

所述的标准电压电路为由分压电阻构成的标准电压电路；分压电阻串接在电压比较器的电源端和地之间，并将分压得到的标准电压信号输入到电压比较器的同相端。

本发明还提供了一种所述MBUS通信电路的通信方法，包括如下步骤：

S1. 若MBUS要发送高电平数据，则将MBUS发送电路的电源芯片的地信号抬高两个档位，从而使得电源芯片的输出端输出Vmark电平信号；

S2. 若MBUS要发送低电平数据，则将MBUS发送电路的电源芯片的地信号抬高一个档位，从而使得电源芯片的输出端输出Vspace电信信号；

S3. 若MBUS要接收高电平数据，则电流检测芯片将转换电阻的端电压放大，电压比较器将放大的转换电阻的端电压信号与标准电压信号进行比较并输出高电平，从而接收电路接收到高电平信号；

S4. 若MBUS要接收低电平数据，则电流检测芯片将转换电阻的端电压放大，电压比较器将放大的转换电阻的端电压信号与标准电压信号进行比较并输出低电平，从而接收电路接收到低电平信号。

本发明还提供了一种包括所述MBUS通信电路，并应用所述通信方法进行通信的计量仪表。

本发明提供的这种通信电路和通信方法，采用标准芯片代替原有的RCD电压降检测电路，因此使得电压比较器两端的电压更加稳定、可靠和精准，从而使得本发明提供的这种通信电路工作更加稳定、可靠和精准，降低了通信的误码率，从而也大大提高了通信的速率。应用本发明的通信电路和通信方法的计量仪表，其通信更加稳定可靠和精准，而且通信的误码率低，通信的速率高。此外，本发明提供的这种通信电路和通信方法，还可用于其他任何需要进行MBUS通信的电子设备，包括各类型的计量仪表（比如电能表、水表、燃气表、热量表等）、电能管理终端、配电终端、电能质量监控设备、电网自动化终端、采集终端、集中器、数据采集器、计量仪表、手抄器、故障指示器等。

附图说明

图1为现有技术的MBUS通信电路的电路示意图。

图2 为现有技术的MBUS总线上的bit流传输过程。

图3为本发明的MBUS通信电路的电路原理图。

图4为本发明的MBUS通信电路的通信方法的流程示意图。

具体实施方式

如图3所示为本发明的MBUS通信电路的电路原理图：本发明提供的这种MBUS通信电路，包括发送电路（图中的下半部分）和接收电路（图中的上半部分）；所述接收电路包括接收输出上拉电阻R3，隔离光耦U3，接收输入上拉电阻R4和电压比较器U1A，隔离光耦的输出端正极为信号接收端MBUS_RXD，也同时通过接收输出上拉电阻连接电源正极，隔离光耦的输出端负极接地，隔离光耦的输入端正极通过接收输入上拉电阻连接电源正极，隔离光耦的输入端负极连接电压比较器的输出端，电压比较器的同相端连接标准电压电路，从而将电压比较器的同相端固定为一标准电压；电压比较器的反相端连接电压放大电路，所述电压放大电路将发送电路中转换电阻的端电压放大后输入到电压比较器的反相端。

所述的标准电压电路为由分压电阻构成的标准电压电路；分压电阻串接在电压比较器的电源端和地之间，并将分压得到的标准电压信号输入到电压比较器的同相端。

所述的电压放大电路为采用型号为INA139的电流检测芯片构成：芯片的输出引脚直接连接电压比较器的反相端，同时还通过负载电阻接地，芯片的电源引脚连接电压比较器的电源，芯片的电压输入引脚直接连接在转换电阻的两端，从而采样流过转换电阻的电流信号；所述的芯片将流过转换电阻的电流信号放大为电压信号并输入到电压比较器的反相端。

上述电路在工作时，发送电路的工作原理与现有技术的一致，而接受电路的工作原理如下：

从站bit流传输“1”时，Imark仅为负载静态电流消耗小于1.5mA，R6电阻阻值为10欧姆，U2芯片的作用是将R6上的电压放大10倍输出，那么U2的OUT脚输出电压应小于10*10欧*1.5mA*10^-3=0.15V。此时比较器U1端的参考电压设计为1V。比较器输出为高U3截止，因此MBUS_RXD接收到高电平。

从站bit流传输“0”时，TB1处会产生20mA的电流消耗，这个电流消耗在R6上产生0.2V的压降，因此U2输出电压为2V。比较器发生翻转，U1输出低电平U2导通，因此MBbus_RXD处为低电平。

在具体的电路参数选择上，U1型号为LM393；U2型号为INA139电流检测芯片；电阻R6取值在5.1~10欧之间；RT3热敏电阻型号为MZ11-05M25-50，而且要求直流阻抗小于50欧姆，不动作电流大于45mA；U4型号为78L05，且要求最高耐压大于35V；通过R1、R2的分压而得到的U1A第3脚参考电压范围1~1.8V。

如图4所示为本发明提供的所述MBUS通信电路的通信方法，包括如下步骤：

S1. 若MBUS要发送高电平数据，则将MBUS发送电路的电源芯片的地信号抬高两个档位，从而使得电源芯片的输出端输出Vmark电平信号；

S2. 若MBUS要发送低电平数据，则将MBUS发送电路的电源芯片的地信号抬高一个档位，从而使得电源芯片的输出端输出Vspace电信信号；

S3. 若MBUS要接收高电平数据，则电流检测芯片将转换电阻的端电压放大，电压比较器将放大的转换电阻的端电压信号与标准电压信号进行比较并输出高电平，从而接收电路接收到高电平信号；

S4. 若MBUS要接收低电平数据，则电流检测芯片将转换电阻的端电压放大，电压比较器将放大的转换电阻的端电压信号与标准电压信号进行比较并输出低电平，从而接收电路接收到低电平信号。

Claims (7)

1.一种MBUS通信电路，包括发送电路和接收电路；所述接收电路包括接收输出上拉电阻，隔离光耦，接收输入上拉电阻和电压比较器，隔离光耦的输出端正极为信号接收端，也同时通过接收输出上拉电阻连接电源正极，隔离光耦的输出端负极接地，隔离光耦的输入端正极通过接收输入上拉电阻连接电源正极，隔离光耦的输入端负极连接电压比较器的输出端，其特征在于电压比较器的同相端连接标准电压电路，从而将电压比较器的同相端固定为一标准电压；电压比较器的反相端连接电压放大电路，所述电压放大电路将发送电路中转换电阻的端电压放大后输入到电压比较器的反相端。

2.根据权利要求1所述的MBUS通信电路，其特征在于所述的电压放大电路为采用电流检测芯片构成的电压放大电路。

3.根据权利要求2所述的MBUS通信电路，其特征在于所述的电流检测芯片的型号为INA139。

4.根据权利要求3所述的MBUS通信电路，其特征在于所述的电压放大电路具体为芯片的输出引脚直接连接电压比较器的反相端，同时还通过负载电阻接地，芯片的电源引脚连接电压比较器的电源，芯片的电压输入引脚直接连接在转换电阻的两端，从而采样流过转换电阻的电流信号；所述的芯片将流过转换电阻的电流信号放大为电压信号并输入到电压比较器的反相端。

5.根据权利要求4所述的MBUS通信电路，其特征在于所述的标准电压电路为由分压电阻构成的标准电压电路；分压电阻串接在电压比较器的电源端和地之间，并将分压得到的标准电压信号输入到电压比较器的同相端。

6.一种权利要求1~5之一所述的MBUS通信电路的通信方法，包括如下步骤：

S1. 若MBUS要发送高电平数据，则将MBUS发送电路的电源芯片的地信号抬高两个档位，从而使得电源芯片的输出端输出Vmark电平信号；

S2. 若MBUS要发送低电平数据，则将MBUS发送电路的电源芯片的地信号抬高一个档位，从而使得电源芯片的输出端输出Vspace电信信号；

S3. 若MBUS要接收高电平数据，则电流检测芯片将转换电阻的端电压放大，电压比较器将放大的转换电阻的端电压信号与标准电压信号进行比较并输出高电平，从而接收电路接收到高电平信号；

S4. 若MBUS要接收低电平数据，则电流检测芯片将转换电阻的端电压放大，电压比较器将放大的转换电阻的端电压信号与标准电压信号进行比较并输出低电平，从而接收电路接收到低电平信号。

7.一种计量仪表，其特征在于包括权利要求1~5之一所述的MBUS通信电路，并应用权利要求6所述的通信方法进行通信。