CN212659182U - 一种数字化m-bus主站电路 - Google Patents

Abstract

本发明的数字化M‑BUS主站电路，包括微控制器、过流保护电路、24V和36‑42V同步升压电路、数字开关以及直流放大电路，24V和36‑42V同步升压电路的输出端接于数字开关电路的输入端，发送信号MBUS‑TX与微控制器的输入端和数字开关的输入控制端均相连接，数字开关电路的输出端形成MBUS+信号，MBUS‑信号经取样电阻接地，取样信号电压经直流放大电路接于微控制器的输入端。本发明的数字化M‑BUS主站发送电路，由于采用了24V和36‑42V同步升压电路，大大降低了发送电路自身的功耗，减少了发热量，提高了整机稳定性。具有抗干扰能力强，误码率低，对各种总线电流、线路长度、码型都有很强的适应能力。

Description

一种数字化M-BUS主站电路

技术领域

本发明涉及一种数字化M-BUS主站电路，更具体的说，尤其涉及一种由过流保护电路、24V和36-42V同步升压电路、数字开关组成和以单片机为接收电路的数字化M-BUS主站电路。

背景技术

M-BUS总线是仪表总线(Meter Bus)的简称，是一种专门为消耗量计量仪表设计的通信标准。主要特点是采用两根无极性传输线来同时供电和传输串行数据，广泛用于水表、燃气表和热量表等无源表计的远程抄表的场合。

M-BUS是一种主从式半双工传输总线，采用主叫/应答的通信方式，即主站(Master)发出查询指令后，从站(Slave)才能应答向主站传输数据，从站之间通过地址编码区分。M-BUS网络由一个主站、若干个从站和两根传输线组成。

主站是一个智能控制器，在为M-BUS总线提供电源的同时与从站进行通信，保存从站的测量数据，还可以利用其它通信手段与异地的计算机联网构成一个完备的远程管理计量系统。从站是各种计量仪表，如电表、水表、热表、气表等，它们通过M-BUS接口并联在总线电缆上，该接口负责收发总线数据，将总线电源变换成本机电源。两根传输线通常采用标准的双绞线，没有正负极性之分。

主站对从站提供36～42V(以下简称36V)的供电电压，主站到从站的信号传输采用电压调制方式，即36V代表逻辑1；24V代表逻辑0。M-BUS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。主站通过在M-BUS总线上不断改变电压值将信号传输到从站。如图1所示，给出了M-BUS总线主机到从机传输的数据码流示意图。

从站到主站之间的信息传输采用的是电流调制方式。从站不发送数据时，每个从站消耗掉电流约为1.5～2mA，该电流值表示逻辑1；当从站向主站传输逻辑0时，由从站增加一个11～20mA的电流，即总线上的电流消耗增加了11～20mA，这样主站很容易检测到逻辑0信号。如图2所示，给出了M-BUS总线从机向主机传输的(电流)数据码流示意图。

每个从站抽取电流Imark≈1.5mA，即总线上的工作电流等于Imark×N(N为从站总数)，主站通过检测总线上是否出现11-20mA脉冲电流确定接收逻辑“0”还是逻辑“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以上来确定接收逻辑“0”还是逻辑“1”。

M-BUS总线设备分为主站和从站两种，从站一般采用TI公司的TSS721A或国产类似的集成芯片，功能较为完善。主站电路由于带负载电流能力的要求不同，功率较大，还没有专门的集成电路可供使用，实际中多采用自行设计的模拟电路实现。

主站电路主要由发送电路和接收电路两部分组成。目前大多数主站电路采用美国德州仪器(TI)公司推荐的M-BUS主站电路方案或做一些小的修改。该方案需要双电源供电，电路复杂，需要使用大功率、高电压运放和比较器，成本较高。接收电流取样电阻阻值较高达27欧姆，虽然简化了接收电路，但使发送电路的效率大为降低，大电流时电压下降很快，难以满足大电流的情况。电路中的电阻电容和二极管的参数相互影响，调试困难，生产工艺很难控制。整机发热严重，性能不稳定，老化速度难以预计。有时出现大负载电流和小负载电流通信都正常，中间某段负载电流通信不正常的问题。

对主站电路改进的专利比较多，主要是针对提高发送电路效率，增加带载能力和降低接收电路误码两方面开展的。如申请号CN201220015969.2的《一种MBUS主控数据发送电路》实用新型，申请号CN201220016531.6的《一种MBUS主控数据接收电路》实用新型，申请号CN201621238363.X的《一种MBUS主机收发电路》实用新型，和申请号CN201510512840的《一种用于主机端的MBUS电路》实用新型等。

这些专利中，在发送电路采取的主要措施一是采用24V和36V两组电源，分别产生发送高低电平，由电子开关在TX信号的控制下，在两组电源之间切换来实现发送电压信号，简化发送电路。二是通过动态稳流电流提高动态电阻，或接收电路采用放大滤波电路等措施来增大接收电流信号幅度，降低取样电阻，提高发送电路的效率，增大输出电流，提高带负载能力。

接收电路的改进主要体现在接收信号判决电平的产生上，接收码元的判别仍然采用模拟比较器，电流信号取样电压接到比较器的同向端，判决电平接到比较器的反向端。(或相反，取决于取样电压的极性)，大多数仍然采用TI公司推荐的电路或变形电路，并没有多大改进。

这些改进都属于模拟处理的范围，没有从根本上解决主站电路存在的问题。

发送电路存在的问题有：

1、采用了24V和36V两组电源，但24V由36V通过三端稳压电路得到，只不过将大功率运放(或运放加三极管扩流)承担的功耗转移到稳压电源上罢了，整机效率并没有提高。假设总线电流为1A，收发信号之间没有间隔，各占一半时间。发送信号中的1码和0码的概率相等。那么，24V稳压电路自身的功耗等于(36-24)×1×0.5×0.5＝3W。与采用轨到轨运放的功耗是一样的。

2、采用大功率高速运放或小功率运放加三极管组成的动态扩流的电路，由于运放输出和扩流电流都有一定压降，效率更低。假设压降为2V，总线工作电流为1A，则运放或扩流电路自身的功耗为2×1＝2W。

3、采用动态电阻可以减小取样电阻，但仍在1欧以上。假设为1欧，功耗在1×1²＝1W。取样不但需要采用多只功率电阻并联，体积大，价格高。产生的热量给整机带来隐患。

4、为了弥补取样电阻上的压降，电源电压还需要提高。

接收电路存在的问题主要有：

1、动态扩流电路由于控制电路中的RC时常数的限制，很难做到在一个数据帧内动态电阻不变。通常是帧开始时动态电阻大，随着扩流控制电路中电容的放电，动态电阻逐渐减小。从波形上来看就是帧开始时，接收波形幅度大，然后是逐渐减小。幅度的不稳定，将影响正确判别。

2、总线工作电流在取样电阻上形成固定的偏压，1欧姆的采样电阻，当工作电流为10mA时，会产生10mV的直流偏压；当工作电流变化到1A时，会产生1V的直流偏压。电流信号产生11-20mVp-p的信号电压，直流偏压比信号要大得多，并随工作电流不同而变化。为了正确判别出信号波形，比较器输入端的信号幅度至少在200mVp-p以上，所以必须经过放大才行。为了抑制直流偏压而放大信号电压，专利中使用的放大器无一例外地使用了交流放大器。受到耦合电容隔离直流电压的影响，在接收信号帧起始和结束时，放大器输出将出现严重的中点偏移问题，给后续的码元判别带来困难，处理不好将出现严重的误码。因此，使用交流放大器是不合适的。

3、接收信号的码元判别，最佳判决电平是位于取样电压信号高低电平的中点上，大多数专利采用的仍然是TI公司推荐电路或相似电路，如图3所示，给出了TI公司推荐的接收电路。

这种电路适合于负极性的信号判别，即从站发送1信号时，取样电压高；发送0信号时，取样电压降低。采用肖特基二极管D302、电阻R302、R303和电容C302组成的峰值检波电路，通过二极管的0.2V压降，使判决电平低于信号峰值电平(也就是1信号电平)0.2V。此类电路的特点是能够自动提供一个跟踪取样电压的变化的判决电压。缺点是由于二极管的非线性，当取样电压低于二极管导通电压时，判决电平一直等于0，比较器输出一直为高电平；由于二极管的非线性，判决电平与信号峰值电平之间的差值随取样电压大小而变化，取样电压低，二极管压降小，判决电平比最佳值高；取样电压高，二极管压降大，判决电平比最佳值低。无法保证始终处于最佳判决电平上。而且，采用峰值检波作为判决电平还存在抗干扰能力差的致命缺点。一旦出现一个大的干扰信号，判决电平将在一个相当长的时间内处于较高的电压上，比较器将输出一个很长的低电平信号。即存在大信号阻塞现象。

4、申请号201510512840的《一种用于主机端的MBUS电路》提出的，在取样电压基础上加70mV偏移，并用电子开关来保持在一个数据帧内不变化的电压作为判决电平，属于不错的改进。电子开关由主站收发电路控制，发送时电子开关接通，将取样电压加上70mV存入保持电容中；接收时，电子开关断开，依靠电容中存储的电压来作为判决电平。这类电路适用于正极性的信号判别，也就是取样电压与从机发送信号一致，1信号取样电压低，0信号取样电压高。这种电路可以保证判决电平始终比取样电压的低电平高70mV，容易满足最佳电平的实现条件。但缺点是电路复杂，既要实现电压的相加，还要用电子开关来实现取样保持电路，才能保证在信号判别期间判决电平不发生变化。长时间处于接收状态时，电容漏电将使判决电平降低，容易造成误码。

5、信号判别和过流保护采用的都是模拟比较器电路，容易受温度变化的影响。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种数字化M-BUS主站电路。

本发明的数字化M-BUS主站电路，包括微控制器、过流保护电路、24V同步升压电路、36-42V同步升压电路、数字开关和直流放大电路，过流保护电路的输入端接于+12～+18V的直流输入电源上，过流保护电路的输出与24V同步升压电路和36-42V同步升压电路的输入端均相连接；其特征在于：24V同步升压电路和36-42V同步升压电路的输出端分别接于数字开关电路的两个电源输入端，待发送的输入信号MBUS-TX与微控制器的输入端和数字开关的输入控制端均相连接，数字开关电路的输出端形成M-BUS总线的MBUS+信号，微控制器的输出端与36-42V同步升压电路的调压控制端相连接；M-BUS总线的MBUS-信号经取样电阻接地，取样信号电压经直流放大电路接于微控制器的输入端。

本发明的数字化M-BUS主站电路，所述过流保护电路由PMOS场效应管Q1、三极管Q2、电阻R1和电阻R2组成，+12～+18V的直流输入接于Q1的源极，Q1的漏极为+12～+18V保护输出，Q1的栅极经电阻R1与其源极相连接，Q1的栅极接于Q2的集电极上，Q2的发射极接地，微控制器的输出端所形成的过流保护OC输入经电阻R2接于Q2的基极。

本发明的数字化M-BUS主站电路，所述24V同步升压电路(3)由同步升压控制芯片U1、NMOS场效应管Q3和Q4、升压电感L1、输出电容C2、分压电阻R3和R4组成，芯片U1上设置有VDD、BOOST、HGATE、LGATE和FB端口，过流保护电路(2)输出的+12～+18V直流电接于U1的VDD端口上，Q3为开关管，源极接地，栅极接于U1的LGATE端口上，漏极通过升压电感L1接电源输入VDD；Q4为同步整流管，源极与Q3的漏极相连接，栅极接于HGATE端口上，漏极接+24V升压输出；Q3的漏极还经电容C1与BOOST端口相连接，通过U1内部电路处理后为Q4栅极驱动提供一个比输入电源VDD高的动态偏压；工作时，Q3和Q4交替导通，采用Q4代替整流二极管，利用场效应管导通电阻远低于整流二极管来提高升压电路效率；R3和R4将升压输出分压后，加到控制芯片U1的FB端，通过反馈，实现稳压输出。

本发明的数字化M-BUS主站电路，所述36-42V同步升压电路由同步升压控制芯片U2、升压电感L2、NMOS场效应管Q5和Q6、输出电容C4和分压电路组成，分压电路由6个NMOS场效应管Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12组成；NMOS场效应管Q7至Q12的栅极分别与微控制器的6个I/O口相连，源极均接地，漏极分别接电阻R7、R8、R9、R10、R11、R12后与分压电阻R6并联；当需要输出36V电压时，Q7至Q12的栅极输入低电平，场效应管全部截止，分压由R5和R6决定，通过对电阻R5和R6阻值的选择，使输出电压稳定在36V；当需要高于36V的电压时，使Q7至Q12中的一个导通，导通的场效应管上的电阻与R6并联，阻值减少，输出电压升高；Q7至Q12场效应管分别对应增加的1V电压值，通过R7至R12阻值的选择，实现程控36-42V的稳压输出。

本发明的数字化M-BUS主站电路，所述数字开关电路由三极管Q13、三极管Q14、三极管Q15、PMOS场效应管Q16、NMOS场效应管Q17组成，Q16的栅极与Q17的栅极相连接，经电阻R17接于24V同步升压电路输出的+24V电源上，再经电阻R16接于36-42V同步升压电路输出的+36-42V电源上，Q16与Q17的漏极相连接并形成M-BUS总线的MBUS+信号，Q16、Q17的源极分别接于+36-42V电源和+24V电源上；待发送的输入信号MBUS-TX经电阻R13接于Q13的基极上，Q13的发射极接地，Q13的集电极经电阻R14和电阻R15形成的串联回路接于+36-42V电源上，Q14和Q15的基极均接于R14与R15的连接处，Q14和Q15的发射极相连接并接于Q16和Q17的栅极上，Q14的集电极接于+36-42V电源上，Q15的集电极接地。

本发明的数字化M-BUS主站电路，所述微控制器采用型号为Cortex^TM-M3处理器的32单片机，微控制器的3个输出端形成分别与指示灯相连接的MBUS-TX-LED、MBUS-RX-LED、OC-LED信号。

本发明的数字化M-BUS主站电路，MBUS-信号通过小阻值的取样电阻取样和10倍直流放大器后，将接收信号送至微控制器模拟端口，通过微控制器内部的A/D转换器转换成数字信号后，采用全数字化的运算方法，实现了数字滤波，总线电流测量，最佳判决电平产生和接收信号解调，过流信号产生以及各种指示灯显示等全部功能；数字技术的运用使接收电路的抗干扰能力、对负载电流变化的适应能力和环境温度变化适应能力得到极大提高。

本发明的有益效果是：本发明的数字化M-BUS主站发送电路，由过流保护电路、24V同步升压电路、36-42V同步升压电路和数字开关组成，直流输入首先经过流保护后输入至24V和36-42V同步升压电路的输入端，实现了对过流情况下的保护作用，24V和36-42V同步升压电路分别形成M-BUS总线的低电平和高电平电压，输入至数字开关的输入端。待发送的MBUS-TX信号接于微控制器的输入端和数字开关的控制端，使得数字开关的输出信号跟随MBUS-TX的变化而输出，形成M-BUS总线的输出信号MBUS+；M-BUS总线的MBUS-信号经取样电阻接地，取样信号经直流放大电路后接于微控制器是输入端，实现对MBUS接收信号数字处理，解调出MBUS-RX信号。由于采用了24V和36-42V同步升压电路，使得电源效率得到极大提高，减少整机了发热量，提高了稳定性。同时通过单片机的控制，还可以调整输出电压至36-42V，补偿了线路损耗，使传输距离大为提高。

接收电路是本发明突出的优点，通过小阻值的取样电阻取样和10倍直流放大器后，将接收信号送至微控制器模拟端口。通过微控制器内部的A/D转换器转换成数字信号后，采用全数字化的运算方法，实现了数字滤波，总线电流测量，最佳判决电平产生和接收信号解调，过流信号产生以及各种指示灯显示等全部功能。数字技术的运用使接收电路的抗干扰能力、对负载电流变化的适应能力和环境温度变化适应能力得到极大提高。

附图说明

图1为M-BUS总线主机到从机传输的数据码流示意图；

图2为M-BUS总线从机向主机传输的(电流)数据码流示意图；

图3为TI公司推荐的接收电路；

图4本发明的数字化M-BUS主站电路的电路原理图；

图5本发明中过流保护电路的电路图；

图6本发明中24V同步升压电路的电路图；

图7本发明中36-42V同步升压电路的电路图；

图8本发明中数字开关的电路图。

图中：1微控制器，2过流保护电路，3 24V同步升压电路，4 36-42V同步升压电路，5数字开关，6直流放大电路。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图4所示，给出了发明的数字化M-BUS主站电路的电路原理图，其由微控制器1、过流保护电路2、24V同步升压电路3、36-42V同步升压电路4、数字开关5和直流放大电路6组成，微控制器1具有信号采集、数据运算和控制输出的作用，微控制器1采用Cortex^TM-M3处理器的32单片机，具有72MHz的最高处理速度，带硬件除法器，12位模数转换器(ADC)最大1MHz的采样速率。过流保护电路2输入端接+12～18V直流输入，过流保护电路2的输出接于24V同步升压电路3和36-42V同步升压电路4的输入端，经升压后，24V同步升压电路3和36-42V同步升压电路4的输出端接于数字开关电路5的两个电源输入端。

待发送的输入信号MBUS-TX接于微控制器1的输入端以及数字开关电路5的控制输入端，数字开关电路5的输出形成M-BUS总线的MBUS+信号。输入信号MBUS-TX对数字开关5通断状态进行控制，使其输出的MBUS+信号跟随MBUS-TX变化而变化，实现信号传输。M-BUS总线的MBUS-信号经取样电阻接地，信号取样电压经直流放大电路6接于微控制器1的输入端，实现对MBUS-信号的接收。

如图5所示，给出了本发明中过流保护电路的电路图，其由PMOS场效应管Q1、三极管Q2、电阻R1和电阻R2组成，+12～+18V的直流输入接于Q1的源极，Q1的漏极为+12～+18V保护输出，Q1的栅极经电阻R1与其源极相连接，Q1的栅极接于Q2的集电极上，Q2的发射极接地，微控制器的输出端所形成的过流保护OC输入经电阻R2接于Q2的基极。正常工作时OC为高电平，Q1导通。当发生过流故障时，OC信号出现低电平，Q1截止，保护电路关闭，保护后续电路不损坏；当故障消失后，保护电路又自动恢复导通。

如图6所示，给出了24V同步升压电路的电路图，其由同步升压控制芯片U1、NMOS场效应管Q3、Q4、升压电感L1、输出电容C2和分压电阻R3、R4等组成。芯片U1上设置有VDD、BOOST、HGATE、LGATE和FB端口，过流保护电路输出的+12～+18V直流电接于U1的VDD端口上。Q3为开关管，源极接地，栅极接于U1的LGATE端口上，漏极通过升压电感L1接电源输入VDD。Q4为同步整流管，源极与Q3的漏极相连接，栅极接于HGATE端口上，漏极接+24V升压输出。Q3的漏极还经电容C1与BOOST端口相连接，通过U1内部电路处理后为Q4栅极驱动提供一个比输入电源VDD高的动态偏压。工作时，Q3和Q4交替导通，采用Q4代替整流二极管，利用场效应管导通电阻远低于整流二极管来提高升压电路效率，这就是同步升压电路的基本原理。R3和R4将升压输出分压后，加到控制芯片U1的FB端，通过反馈，实现稳压输出。24V同步升压电路的满载效率可以达到90％以上。

如图7所示，给出了本发明中36-42V同步升压电路的电路图，其由同步升压控制芯片U2、升压电感L2、NMOS场效应管Q5、Q6，输出电容C4和分压电路等组成。升压部分与+24V升压部分一致，区别在于分压电路。NMOS场效应管Q7至Q12栅极与单片机的6个I/O口相连，源极接地，漏极分别接R7—R12后，与分压电阻R6并联。当需要输出36V电压时，Q7—Q12输入低电平，全部截止，分压由R5和R6决定，通过两个电阻阻值的选择，可以使输出电压稳定在36V。当需要37V电压时，Q7导通，R7与R6并联，阻值减少，输出电压升高，调整R7，可以使输出电压稳定在37V。余此类推，通过选择R7-R12阻值，在单片机的控制下，可以实现36-42V的稳压输出。同步升压电路采用了程控调压方式，可以通过单片机I/O口控制输出电压，输出电压的调整可以采用人工输入电压数值或跟踪总线电流大小自动改变两种模式。

如图8所示，给出本发明中数字开关的电路图，其由三极管Q13、三极管Q14、三极管Q15、PMOS场效应管Q16、NMOS场效应管Q17组成，Q16的栅极与Q17的栅极相连接，经电阻R17接于24V同步升压电路输出的+24V电源上，再经电阻R16接于36-42V同步升压电路输出的+36-42V电源上，Q16与Q17的漏极相连接并形成M-BUS总线的MBUS+信号，Q16、Q17的源极分别接于+36-42V电源和+24V电源上；待发送的输入信号MBUS-TX经电阻R13接于Q13的基极上，Q13的发射极接地，Q13的集电极经电阻R14和电阻R15形成的串联回路接于+36-42V电源上，Q14和Q15的基极均接于R14与R15的连接处，Q14和Q15的发射极相连接并接于Q16和Q17的栅极上，Q14的集电极接于+36-42V电源上，Q15的集电极接地。

当输入信号MBUS-TX为低电平时，Q13截止，Q14导通，导致Q17导通、Q16截止，输出信号MBUS+为+24V电压信号；当输入信号MBUS-TX为高电平时，Q13导通、Q15导通，导致Q17截止、Q16导通，输出信号MBUS+为+36V电压信号。可见，通过电平转换送到数字开关对24V和36V电源输出进行选择。输入高电平时，选择36V电源输出；输入低电平时，选择24V电源输出，完成MBUS总线信号的发送。

MBUS-TX发送信号还送到单片机的I/O口，实现脉冲捕捉。MBUS-TX发送信号时，首先出现一个低电平的起始位。单片机一旦捕捉到MBUS-TX信号的下降沿，便开始进行数字帧检测，将发送帧识别信号MBUS-TX-LED置高电平，同时启动一个可重复触发数字单稳延时电路，延时时间为帧周期的两倍。在帧识别信号为高电平期间，如果MBUS-TX信号再出现一个下降沿，则单稳触发器重新触发，延时时间仍然为设定值。这样，在数据发送期间，帧信号一直为高电平。直到最后一帧数据发送完毕，在延时期间不再出现下降沿，则在延时结束时，将MBUS-TX-LED信号置低电平。帧信号高电平脉宽约等于数据帧时间加上2个帧的时间。发送帧识别信号有两个用途，一是从单片机相应引脚输出，驱动LED二极管，指示工作状态；二是在单片机内部将MBUS-RX信号强制置高电平，防止出现自发自收现象。

发送电路中的过流保护电路、24V升压电路、36V升压电路和数字开关全部采用由NMOS或PMOS功率管组成的电路，导通电阻在mΩ数量级。自身功耗很小，可以忽略不计。大大降低了发送电路自身的功耗，减少了发热量，提高了整机稳定性。

取样电阻接在总线MBUS-端与电源负极(接地)之间，将从站发送来的电流信号转换成取样电压信号。为了减少整机功率消耗，提高带载能力，取样电阻取值很小。按公式1进行选取。

式中：Vimax为单片机A/D转换最高输入电压、Imax为总线最大工作电流、K为直流放大器放大量。如Vimax＝3.3V、Imax＝1A、K＝10，则Rs＝0.33Ω，取0.3Ω。

直流放大器将取样电压放大，以适应单片机A/D转换器的要求。没有采用交流放大器，是为了克服放大器中点电压随接收信号的帧结构而变化的问题。直流放大器采用单电源运算放大器，并增加了滤波电路，以消除数据信号脉冲上升沿和下降沿快速变化带来的高频过冲，截止频率设计在最高数据波特率的5倍，一般可选50KHz左右。

单片机采用Cortex^TM-M3处理器的32单片机，具有72MHz的最高处理速度，带硬件除法器，12位模数转换器(ADC)最大1MHz的采样速率。

直流放大器输出信号加到单片机的模拟输入引脚，所有的接收信号的处理都由单片机来完成。处理过程如下：

①、高速AD转换：AD取样频率设置为100KHz以上，可实现9600bps波特率的数据处理能力。

②、数字滤波运算：消除高频干扰。

③、总线电流值计算：将滤波后的数据，再进行平均运算，得到当前的总线电流数据。

④、过流(OC)判别：将总线电流数据与设定的总线最大电流值数据进行比较，如果连续出现10个大于最大电流值，则从OC引脚输出一个0.5S的高电平，关闭输入直流电源；之后，再从OC引脚输出低电平，开启输入电压。如果不再出现总线电流数据连续10个大于最大电流值，则不再在OC引脚出现高电平；如果继续出现连续10个大于最大电流值，则重复上述过程，直至过流现象消失。采用这种“打嗝”式保护，在实现保护的同时，还可以实现故障消失后的自恢复。在过流保护期间，在OC-LED输出高电平，用于指示处于过流保护状态。

⑤、MBUS-RX信号解调：上电后将MBUS-RX置高电平。总线电流数据加上门限值等于判决门限值。滤波后的数据与判别门限进行比较，当连续2个数值大于判决门限值后，将MBUS-RX置低电平；如果连续2个数据小于判决门限值，再将MBUS-RX置高电平。也就是MBUS-RX信号与AD数据的变化是反向的，符合串口通信的需要。在一帧数据的判别过程中，判决门限值保持不变，避免受数据中0码和1码概率不同造成的门限值抖动。通过输入数据与判决门限的数字比较，可以将MBUS-RX信号解调出来。门限值选在最佳电平值上，它与总线最大电流值有关，以单片机常见的12位AD为例，如表1所示：

表1

MBUS-RX-LED接收帧识别：对MBUS-RX信号按照前面的MBUS-TX相同的方法判别并输出接收帧信号MBUS-RX-LED。用于数据收发状态指示灯的指示，也可以作为将串口数据转换成RS-485总线传输的收发转换信号DE/RO使用。

本发明的数字化M-BUS主站电路除了升压电路和直流放大器之外，整机全部由数字电路和单片机组成。其特点体现在：

①、电路简洁，没有任何需要调整的地方，生产效率高。

②、整机效率高，发热量小，整机效率在最大输出1A时，可以达到90％以上；

③、带载能力强，最多可带到500个从站；

④、抗干扰能力强，通过硬件与软件滤波，能抗拒线路上的各种干扰；

⑤、误码率低，对各种总线电流、线路长度、码型都有很强的适应能力，误码率低于10^-5数量级；

⑥、可通过调整取样电阻，实现各种不同的总线电流要求；

⑦、性能稳定，全部采用数字电路及单片机程序控制，不受温度等环境变化的影响；

⑧、通信速率高，可实现9600bps的波特率。

Claims (6)

1.一种数字化M-BUS主站电路，包括微控制器（1）、过流保护电路（2）、24V同步升压电路（3）、36-42V同步升压电路（4）、数字开关（5）和直流放大电路（6），过流保护电路的输入端接于+12～+18V的直流输入电源上，过流保护电路的输出与24V同步升压电路和36-42V同步升压电路的输入端均相连接；其特征在于：24V同步升压电路和36-42V同步升压电路的输出端分别接于数字开关的两个电源输入端，待发送的输入信号MBUS-TX与微控制器的输入端和数字开关的输入控制端均相连接，数字开关的输出端形成M-BUS总线的MBUS+信号，微控制器的输出端与36-42V同步升压电路的调压控制端相连接；M-BUS总线的MBUS-信号经取样电阻接地，取样信号电压经直流放大电路接于微控制器的输入端。

2.根据权利要求1所述的数字化M-BUS主站电路，其特征在于：所述过流保护电路（2）由PMOS场效应管Q1、三极管Q2、电阻R1和电阻R2组成，+12～+18V的直流输入接于Q1的源极，Q1的漏极为+12～+18V保护输出，Q1的栅极经电阻R1与其源极相连接，Q1的栅极接于Q2的集电极上，Q2的发射极接地，微控制器的输出端所形成的过流保护OC输入经电阻R2接于Q2的基极。

3.根据权利要求1或2所述的数字化M-BUS主站电路，其特征在于：所述24V同步升压电路（3）由同步升压控制芯片U1、NMOS场效应管Q3和Q4、升压电感L1、输出电容C2、分压电阻R3和R4组成，芯片U1上设置有VDD、BOOST、HGATE、LGATE和FB端口，过流保护电路（2）输出的+12～+18V直流电接于U1的VDD端口上，Q3为开关管，源极接地，栅极接于U1的LGATE端口上，漏极通过升压电感L1接电源输入VDD；Q4为同步整流管，源极与Q3的漏极相连接，栅极接于HGATE端口上，漏极接+24V升压输出；Q3的漏极还经电容C1与BOOST端口相连接，通过U1内部电路处理后为Q4栅极驱动提供一个比输入电源VDD高的动态偏压；工作时，Q3和Q4交替导通，采用Q4代替整流二极管，利用场效应管导通电阻远低于整流二极管来提高升压电路效率；R3和R4将升压输出分压后，加到控制芯片U1的FB端，通过反馈，实现稳压输出。

4.根据权利要求1或2所述的数字化M-BUS主站电路，其特征在于：所述36-42V同步升压电路由同步升压控制芯片U2、升压电感L2、NMOS场效应管Q5和Q6、输出电容C4和分压电路组成，分压电路由6个NMOS场效应管Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12组成；NMOS场效应管Q7至Q12的栅极分别与微控制器的6个I/O口相连，源极均接地，漏极分别接电阻R7、R8、R9、R10、R11、R12后与分压电阻R6并联；当需要输出36V电压时，Q7至Q12的栅极输入低电平，场效应管全部截止，分压由R5和R6决定，通过对电阻R5和R6阻值的选择，使输出电压稳定在36V；当需要高于36V的电压时，使Q7至Q12中的一个导通，导通的场效应管上的电阻与R6并联，阻值减少，输出电压升高；Q7至Q12场效应管分别对应增加的1V电压值，通过R7至R12阻值的选择，实现程控36-42V的稳压输出。

5.根据权利要求1或2所述的数字化M-BUS主站电路，其特征在于：所述数字开关（5）由三极管Q13、三极管Q14、三极管Q15、PMOS场效应管Q16、NMOS场效应管Q17组成，Q16的栅极与Q17的栅极相连接，经电阻R17接于24V同步升压电路输出的+24V电源上，再经电阻R16接于36-42V同步升压电路输出的+36-42V电源上，Q16与Q17的漏极相连接并形成M-BUS总线的MBUS+信号，Q16、Q17的源极分别接于+36-42V电源和+24V电源上；待发送的输入信号MBUS-TX经电阻R13接于Q13的基极上，Q13的发射极接地，Q13的集电极经电阻R14和电阻R15形成的串联回路接于+36-42V电源上，Q14和Q15的基极均接于R14与R15的连接处，Q14和Q15的发射极相连接并接于Q16和Q17的栅极上，Q14的集电极接于+36-42V电源上，Q15的集电极接地。

6.根据权利要求1或2所述的数字化M-BUS主站电路，其特征在于：所述微控制器（1）采用型号为Cortex™-M3处理器的32单片机，微控制器的3个输出端形成分别与指示灯相连接的MBUS-TX-LED、MBUS-RX-LED、OC-LED信号。

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