基于M-BUS仪表总线传输原理的硬件设计

文章首先介绍了M-BUS仪表总线特点和收发机制,然后给出了不同于TI公司专门芯片技术的硬件设计原理电路及其分析。文中并对该设计的实际应用作了简要说明

基于Mbus原理的电源通讯总线原理设计

杨泽清

摘 要：文章首先介绍了M-BUS仪表总线特点和收发机制，然后给出了不同于TI公司专门芯片技术的硬件设计原理电路及其分析。文中并对该设计的实际应用作了简要说明。

关键词： M-BUS总线；主控器；节点；电平信号；电流信号

Hardware Design on Principle of Instrument Bus M-BUS

Abstract：This paper firstly presents the M-BUS including its character and tranceiver principle．Then gives a detailed analyse circuit , which is different from that TI’s chip TSS721 ．There are also some conclusions about hardware design on principle of instrument bus M-BUS after a brief introduce a practice application．

Key words：Meters bus；Main Controller；Node；Volt-signal；Ampare-signal

M-BUS即Meter Bus的英文简称，首先由德国帕德波恩大学的Dr.Horst Ziegler与美国TI公司的Deutschland GmbH和TechemGmbH共同提出，1997年欧盟针对热量计量推出标准即EN1434-1997时将其纳入其中，从而成为欧洲新的一种专门用于公共事业仪表的总线结构标准，称Meter-Bus，简称M-BUS[1] ,广泛应用于无源节点（水表、气表、热能表等）的数据自动采集场合。对于M-BUS的应用，TI公司有专门的节点收发器芯片TSS721[2]。本文介绍了一种完全不采用TSS721芯片技术的基于M-BUS传输原理的主控器收发电路和节点收发电路。该电路已经成功应用到某地区的煤气抄表系统中。

1 M-BUS总线特点及硬件原理

简单讲，M-BUS 总线可以称为电源通讯线，基于M-BUS传输机制构建的系统是一种两线制半双工的通讯网络。

1.1 M-BUS总线特点

1) 如图1所示，M-BUS总线可采用图中所示任一种拓扑结构组成网络，比如如星状型、环线型、总线型、树杈型等。在布线施工过程中，M-BUS总线上各节点的连接不分正负，无极性要求。这一特点为现场施工维护带来很大的方便，从设计上解决了人工接线导致的错误。这一特点使得M-BUS总线的扩展更容易，比RS-485总线的现场安装调试维护更方便。

a 星状型

b 环线型

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d 树杈型 总 线 节点支线 图1 M-BUS总线拓扑结构

2) 所有节点无须单独电源，全部由总线供给。这非常适合于比如燃气表、热量表、水表等无源节点的数据远程自动采集。

3）网络内任意节点短路故障不会造成网络瘫痪，降低了维护的难度和成本。

4）M-BUS总线通讯是一种适合低速数据采集场合的半双工通讯，主控器向节点发命令采用电平信号方式，节点响应主控器命令采用电流信号方式，这大大提高了通讯的可靠性和抗干扰能力。 1．2 M-BUS总线收发机制

概括而论，M-BUS总线收发机制即：信号在物理层的传输采用电流电平方式，主控器对节点的命令信号采用电平信号传输，节点响应主控器的命令信号采用电流信号传输，M-BUS总线采用半双工的通讯模式,物理层信号传输具有规定的电平特征。

主控器到节点的下行命令通过控制总线电平实现，把空闲状态下的总线电压Vmark当作信号的逻辑“1”电平；把总线电压下降12V（见后述，这个电平压降值可以更低，比如8V）以上，降到Vspace当作信号的逻辑“0”电平； Vmark电平一般不超过42V[3]，Vspace电平不低于12V[3]。

节点响应主控器的上行信号通过电流调制实现，把单个节点正常工作消耗的负载电流Imark当作逻辑“1” ，当发送逻辑“0”时，节点会额外从M-BUS总线吸取10-20mA的脉冲电流，形成Ispace。响应时只能有一个节点发出这个电流信号。

M-BUS规定总线处于空闲状态时总线电压维持在Vmark，而每个节点在无通讯状态下的负载电流Imark(≤1.5mA)作为单位电流。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，每个节点所取电流不大于Ispace。这样在正常运行状态下，只要节点负载电流设计不超过单位电流,总线可以持续不断地既传信号又供电源。为简化起见，以单节点系统为例， M-BUS 总线上的电压电流信号变化情况如图2 所示。 M-BUS总线工作在半双工的模式，从图2可以看出，在数据传输过程中，任意时刻M-BUS总线要么传输电压信号，要么传输电流信号，主控器对节点的任何命令都是广播方式，任何时候只能有一个节点响应。

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2 基于M-BUS收发机制的硬件设计原理

如前所述，M-BUS总线的传输机制最早是由美国TI公司的技术专家参与提出来的，而且针对应用，TI公司推出了专门的M-BUS总线节点收发器芯片[2]，但笔者下面介绍完全抛开TI公司收发器芯片设计的主控器和节点的收发电路。

2.1 主控器发送和接收

1）主控器发送电路如图3所示，原理分析计算如下：

当CPU控制BDTxd 输入为高（空闲时总为高），光耦不导通，运放工作在同相输入方式：

R8R5 Ubus=（1+）**Vdd； R3+R7R4+R5

举例1：Vdd=27V，R2=4.7 kΩ，R3=4.7 kΩ，R4=47kΩ，R5=62 kΩ，R7=10 kΩ，R8=10 kΩ；

则空闲时总线电平： Ubus≈30V，即此时Vmark≈25.5V

当CPU控制BDTxd 输入为低，光耦导通，运放工作在差动输入方式：

R8R3R8R5**Vdd+（1+ ）**Vdd； Ubus= R7R2+R3R7R4+R5

以例1参数为例：

则发送逻辑“0”时总线电平： Ubus≈17.5V，即此时Vspace≈17.5V。 图3中Q1的作用主要是扩展运放的带负载能力，R9限流保护Q1。

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图3 基于M-BUS原理的总线主控器发送电路

2）主控器接收电路如图4所示，原理分析如下：

接收电路由两级运放和光耦隔离电路组成，BD_rxd接到CPU串口输入。运放U1工作在差动输入方式，运放U2工作在比较器状态。当总线空闲状态或发送逻辑“1”时，采样电阻SR两端无明显电平变化，差模输入信号接近为0，U1工作在静态，此时U1输出作为U2的反向输入电平U2-由R4，R5分压提供的偏置电压决定。R8，R11分压提供比较电平U2+。静态时U2+>U2-，U2输出为高，光耦不导通，BD_rxd为“1”。

当节点发送逻辑“0”，总线有额外11~20mA脉冲电流时，脉冲宽度取决于通讯的波特率，采样电阻SR两端有电平突变，突变信号经U1放大输出，使得U2->U2+。U2输出低电平，光耦导通，BD_rxd为“0”。

图4 基于M-BUS原理的总线主控器接收电路

2.2 节点的接收和发送

1) 节点的接收电路原理分析如下：

如图5所示，当总线空闲状态或发送逻辑“1”时 ，C5处于充满电荷状态，UC5+≈

R8*Vmark；Q3截止，Vrxd+=Vcc>Vrxd-；比较器输出为高。 R8+R9

当总线发送逻辑“0”时，C5通过R8、R10、Vcc放电，Q3导通，Vrxd+< Vrxd- ，比较器输出为低。比较器输出送到微控制器接收处理即可完成信号接收。

Vcc系节点工作电压，在M-BUS总线供电的系统中，节点一般设计成低功耗；在笔者的应用中，节点正常工作电流不超过1mA,Vcc=3.3V；图6也给出了总线向节点供电的原理图，读者可自行分析其原理，这里不再赘述。

图5中整流桥的作用就是保证工程施工中总线的无极性连接。F1和F2保证节点在故障

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短路的情况下隔离节点，从而不会造成总线短路，确保总线在有节点发生短路故障时仍然能够正常工作。

图5 总线供电的节点接收电路

图6 节点电源电路原理

2) 节点发送电路原理原理分析如下：

如图7所示，Q1 、Q3、R3组成恒流源电路；当发送逻辑“1”，Vtxd为高，Q2不导通；Q1、Q3都截止；R3没有电流流过；当发送逻辑“0”，Vtxd为低，Q2导通；Q1、Q3都导通；R3有电流流过；总线从而有额外突增的电流。调节R3大小，可将这个突增的脉冲电流控制在11~20mA。

图7 节点发送电路原理

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3 实际应用

在某地区煤气公司的抄表项目中，笔者完全抛开TI公司的M-BUS收发器，将以上电路应用于该抄表系统，主控器驱动功率设计为3W/27V,总线线材选用特征阻抗<50Ω/千米的普通电线，节点正常功耗控制在1mA以下，在此参数条件下，主控器的设计容量可达1千米的距离内可带110个节点（此时全部节点以接在线路末端考虑，由线材本身的阻抗产生的压降也只有5~6V）。为可靠性考虑，在实际应用中，1千米的距离内节点数控制在64个。即1个主控器带64个节点。采用以上电路，总线波特率可达9600，实际应用中，波特率采用2400。通过现场的实际安装运行表明，这样的设计是成功的。

通过前面的分析，我们可以更深一步探讨设计基于M-BUS收发机制的应用系统设计要点，并根据具体情况发挥：

1）M-BUS总线的传输距离

M-BUS总线的传输距离和主控器驱动能力；线材阻抗特性；节点功耗以及系统内的节点数密切相关。在一定的主控器总线驱动能力和线材下，节点正常功耗越大，M-BUS总线的传输距离越短。节点功耗一定时，总线驱动能力越强，传输的距离越远。 2）M-BUS总线的节点数

在一定的主控器总线驱动能力和线材下，节点功耗越小，总线距离越短，系统可带的节点数就越多。同样的，主控器总线驱动能力越强，系统可带的节点数越多。

3）总线电平变化差值的含义

M-BUS总线电平变化差值是指空闲时的总线电平Vmark与主控器在发送信号时的总线电平Vspace之间的差。一般要求M-BUS总线电平的差值不低于12V。实际上，这个差值可以更低，这与所设计的系统总线的长度、节点的功耗有关，最根本是取决于系统内距离主控器最远的节点能够检测到的最小变化电平信号。换言之，节点接收电路的性能指标很关键。如前所述，在笔者的设计中，这个差值在8V左右，仍然能够可靠运行。但是，这并不表示说，这个差值越低越好。相反，这个差值越高，对节点接收电路的设计更容易，抗干扰能力越强。但另一方面，这个差值还受限于节点电源电路的动态稳定特性。也就是当总线无论在Vmark电平还是在Vspace电平，都要保证节点电源输出不受总线输入电平变化的影响。

4 结束语

美国德州仪器公司专门针对M-BUS总线推出了收发控制芯片，产品成本是一方面，另外还牵涉供货周期的问题。在大力提倡自主知识产权的今天，笔者完全抛开美国TI公司专用芯片技术而设计了以上收发电路并成功运用到某地煤气抄表系统中。

参考资料

[1] 胡志华，郭其一．M-Bus仪表总线原理研究．传感器与仪器仪表，2005年 第21卷第10-1期117页，118页

[2] 常东来，江亿．TSS721A在自动抄表系统中的应用．电子技术应用，2000年第8期59页，60页

[3]宋鹏，王俊杰．仪表总线M-BUS协议的研究．自动化仪表第25卷第8期19页，25页

（本文撰写于2005年中，深圳）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nkv4.html