CN101995876B - M-bus总线控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种M-BUS总线控制器，可为M-BUS总线系统的从站提供电源并与之通信，其特征是：通过一个第二电子开关和一个二极管控制稳压电源第一极的导通或关断实现数据发送，结构简单可靠；在M-BUS总线中串联一个电流采样电阻，采用差分电流检测放大实现数据接收，具有较高的接收灵敏度，抗干扰能力强，自身电压降小，通信距离远；具有高灵敏度、高可靠性的总线故障保护功能，有效地保护了系统不易损坏；采用矩阵开关扩展了总线通道，增加了带从站的数量，降低了成本和能耗。
Description
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总线数据传输的控制器，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总线控制器（即主站）主要具有两个功能，一是为M-BUS总线上连接的从站提供足够的供电电源，同时具有故障保护功能（即总线短路或超负荷电流异常时，切断M-BUS总线的供给电源），二是与从站通信。
当前的M-BUS总线控制器或主站存在以下不足：
数据发送电路比较复杂，一般要经过整形滤波、比较、放大等电路才能实现M-BUS总线电压调制，存在电路繁琐、调试复杂、维修困难、工作不稳定等缺点。
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。
无总线故障保护功能或故障保护功能差（响应时间较慢、灵敏度较低、易误动作等），影响系统工作或损环设备元器件。
发明内容
为弥补现有技术的不足，本发明提供一种M-BUS总线控制器，其特征是：发送电路简单可靠，接收电路灵敏度高，抗干扰能力强，极小的电流采样电阻，基本无电压降，通信距离远，总线故障保护功能响应时间快、灵敏度高、无误动作，采用矩阵开关扩展总线通道，增加控制器带从站的数量，降低成本和能耗。
本发明具体采用以下技术方案：
一种M-BUS总线控制器，主要包括稳压电源、数据发送单元、电流采样电阻、数据接收单元、总线保护单元、第一电子开关、矩阵开关单元和控制单元，其特征在于：
所述稳压电源第一极和第二极连接至所述数据发送单元的输入端，所述稳压电源第三极连接至所述第一电子开关输入端。稳压电源输出为三个极，根据0V参考极的不同，分为三种情况，所以某一极的正或负是不固定的，详见实施例。
所述数据发送单元的控制端连接至所述控制单元。
所述电流采样电阻串联在M-BUS总线上，电流采样电阻的一端与所述数据发送单元输出端连接，另一端作为M-BUS总线的输出，连接至所述矩阵开关单元的输入端，所述电流采样电阻两端还连接至所述数据接收单元，通过所述数据接收单元采集M-BUS总线的电流信号。
所述数据接收单元还分别连接至所述总线保护单元和控制单元，所述数据接收单元对电流采样电阻两端电压信号进行差分检测放大处理，实现总线数据的解调接收，供控制单元处理，所述数据接收单元的部分信号还输出到所述总线保护单元。
所述总线保护单元还分别连接至所述控制单元和第一电子开关控制端，所述总线保护单元对所述数据接收单元输出信号进行处理判断，控制第一电子开关导通或关断，实现总线故障保护，控制单元通过总线保护单元控制第一电子开关导通或关断。
所述第一电子开关输出端为M-BUS总线的输出，连接至所述矩阵开关单元的输入端，控制端连接至所述总线保护单元。
所述矩阵开关单元输入端连接至M-BUS总线，输出端为各通道M-BUS总线输出，控制端连接至所述控制单元。
根据M-BUS总线标准要求，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。
所述稳压电源输出的电压：第一极与第三极间电压小于等于42V，第一极与第二极间电压大于10V，第二极与第三极间电压大于12V。
所述的数据发送单元包括一个第二电子开关和一个二极管，稳压电源第一极通过第二电子开关连接到输出端，稳压电源第二极通过二级管连接到输出端，当发送逻辑“0”时，控制单元控制第二电子开关关断，稳压电源第二极通过二级管连接到输出端，输出低电压，当发送逻辑“1”时，控制单元控制第二电子开关导通，二极管的阴极电压高于阳极电压(第一极电压﹥第二极电压)，二极管截止，稳压电源第一极连接到输出端，输出高电压，从而实现M-BUS总线发送电压的调制。
所述的电流采样电阻串联在M-BUS总线上，总线电流在此电阻上产生电压降信号，提供给数据接收单元处理，电流采样电阻小于1Ω，其产生的电压降可以忽略不计。
所述的数据接收单元包括电流检测放大电路、信号转换电路、信号比较电路、信号嵌位电路。电流检测放大电路是一个差分检测放大电路，对输入的信号进行差分放大，有效地实现对共模输入（干扰）信号的抑制作用和对差模输入（有效）信号的放大作用；信号转换电路是一个由运算放大器组成的减法器电路，经此处理后的信号一方面供给信号比较电路，另一方面供给总线保护单元；信号比较电路是一个高速比较器电路，输入的信号经此较后得到包含有效接收数据的信号；信号嵌位电路限制输入到控制单元的信号幅值，使之在允许的安全范围内。
所述的总线保护单元是一个故障检测电路，监视数据接收单元输出的信号，同时控制第一电子开关导通或关断，当M-BUS总线的电流在正常范围内时，第一电子开关处于导通状态，一旦M-BUS总线负载出现异常（短路或电流超负荷），经电流采样电阻和数据接收单元处理后的信号也超出允许范围，故障检测电路监视到此异常信号后，立即自动地控制第一电子开关关断，切断M-BUS供给电源，有效的保护了整个系统。
所述的矩阵开关单元实现M-BUS总线一到多通道的扩展，一个M-BUS总线控制器可轮流接通多个通道，扩大了带从站的数量。
本发明的有益效果：数据发送电路简单，调试维护简单方便；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；具有总线故障保护功能，响应时间快、灵敏度高、无误动作，有效地保护了系统不易损坏；采用矩阵开关扩展了总线通道，大大地增加了控制器带从站的数量，降低了成本和能耗。
附图说明
图1是本发明的总体原理示意图；
图2A是本发明中数据发送单元第二电子开关电路实施方式之一原理示意图；
图2B是本发明中数据发送单元第二电子开关电路实施方式之二原理示意图；
图3是本发明中数据接收单元的电路原理示意图；
图4是本发明中总线保护单元的电路原理示意图；
图5是本发明中矩阵开关单元原理示意图；
图6A是本发明中矩阵开关单元第1通道开关电路实施方式之一原理示意图；
图6B是本发明中矩阵开关单元第1通道开关电路实施方式之二原理示意图；
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总线控制器主要包括稳压电源、数据发送单元1、电流采样电阻2、数据接收单元、总线保护单元、第一电子开关3、矩阵开关单元和控制单元。
所述稳压电源第一极和第二极连接至所述数据发送单元1的输入端，所述稳压电源第三极连接至所述第一电子开关3输入端。
所述数据发送单元1的控制端连接至所述控制单元。
所述电流采样电阻2串联在M-BUS总线上，电流采样电阻2的一端与所述数据发送单元1输出端连接，另一端作为M-BUS总线的输出，连接至所述矩阵开关单元的输入端，所述电流采样电阻2两端还连接至所述数据接收单元，通过所述数据接收单元采集M-BUS总线的电流信号。
所述数据接收单元1还分别连接至所述总线保护单元和控制单元，所述数据接收单元对电流采样电阻2两端电压信号进行差分检测放大处理，实现总线数据的解调接收，供控制单元处理，所述数据接收单元的部分信号还输出到所述总线保护单元。
所述总线保护单元还分别连接至所述控制单元和第一电子开关3控制端，所述总线保护单元对所述数据接收单元输出信号进行处理判断，控制第一电子开关3导通或关断，实现总线故障保护，控制单元通过总线保护单元控制第一电子开关3导通或关断。
所述第一电子开关3输出端为M-BUS总线的输出，连接至所述矩阵开关单元的输入端，控制端连接至所述总线保护单元。
所述矩阵开关单元输入端连接M-BUS总线，输出端为各通道M-BUS总线输出，控制端连接至所述控制单元。其工作原理为：发送数据时，控制单元控制数据发送单元调制成发送电压信号，该电压信号经电流采样电阻连接到矩阵开关单元，接收数据时，M-BUS总线的电流信号在电流采样电阻两端产生电压降信号，数据接收单元处理该电压降信号后传输到控制单元，该电压降信号同时提供给总线保护单元，一旦总线负载出现异常（短路或电流超负荷），总线保护单元立即自动地控制第一电子开关关断，切断电源与M-BUS总线负极的连接。控制单元控制矩阵开关单元选择相应的M-BUS总线通道，实现M-BUS总线一到多通道的扩展。
根据M-BUS总线标准要求，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。
稳压电源输出的电压：第一极与第三极间电压小于等于42V，第一极与第二极间电压大于10V，第二极与第三极间电压大于12V。根据参考极（0V电压）的不同，分为以下3种情况：
1、第一极为参考极（0V），则第二极电压范围为-10V至-30V，第三极电压范围为-22V至-42V。
2、第二极为参考极（0V），则第一电压范围为+10V至+30V，第三极电压范围为-12V至-32V；
3、第三极为参考极（0V），则第一电压范围为+22V至+42V，第二极电压范围为+10V至+30V；
如附图1所示，数据发送单元1包括一个第二电子开关4和一个二极管5，稳压电源第一极通过第二电子开关4连接到输出端，稳压电源第二极通过二级管5连接到输出端，当发送逻辑“0”时，控制单元控制第二电子开关4关断，稳压电源第二极通过二级管5连接到输出端，输出0V电压，当发送逻辑“1”时，控制单元控制第二电子开关4导通，二极管5的阴极电压高于阳极电压，二极管5截止，稳压电源第一极连接到输出端，输出正电压，从而实现M-BUS总线发送电压的调制。
如附图2A所示，附图1的第二电子开关4由三极管Q1、MOSFET管Q2和电阻R2、R3、R4、R5组成，三极管Q1的基极连接电阻R2的一端，电阻R3连接在三极管Q1的基极和发射极之间，电阻R5连接在MOSFET管Q2的栅极和源极之间，电阻R4连接在MOSFET管Q2的栅极和三极管Q1的集电极之间，MOSFET管Q2的源极连接到稳压电源第一极，MOSFET管Q2的漏极连接到二极管5的阴极，二极管5的阳极连接至稳压电源第二极，二极管5的阴极为数据发送单元的输出端。
如附图2B所示，附图1中的第二电子开关4电子开关由三极管Q3、继电器K1、二极管D1和电阻R6、R7组成，电阻R6的一端连接三极管Q3的基极，电阻R7连接在三极管Q3基极和发射极之间，续流二极管和继电器线圈并联连接在三极管Q3的集电极和继电器K1的连接到稳压电源第一极的一端。继电器K1的一端连接到稳压电源第一极，另一端连接到二极管5的阴极，二极管D1为继电器的续流二极管，二极管5的阳极连接稳压电源第二极，二极管5的阴极为数据发送单元的输出端。如附图3所示，数据接收单元包括电流检测放大电路、信号转换电路、信号比较电路、信号嵌位电路。电流检测电路由电流检测芯片U1和电阻R9、R10组成，信号转换电路由运算放大器U2A和电阻R11、R12、R13、R14组成，信号比较电路由比较器U3A、二极管D2、电容C1和电阻R15、R16、R17组成，信号嵌位电路由二极管D3和电阻R18、R19组成。电流检测放大电路是一个差分检测放大电路，对输入的信号进行差分放大，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；信号转换电路是一个由运算放大器组成的减法器电路，经此处理后的信号一方面供给信号比较电路，另一方面供给总线保护单元；信号比较电路是一个高速比较器电路，输入的信号经比较后得到包含有效数据信息的信号；信号嵌位电路限制输入到控制单元的信号幅值，使之在允许的安全范围内。
如附图4所示，总线保护单元包括信号比较电路、信号嵌位电路和信号锁存电路。信号比较电路由U3B和电阻R20、R21、R22、R23组成，信号嵌位电路由二极管D4、电容C2和电阻R24、R25、R26组成，信号锁存电路由锁存器U4A、电阻R27、R28组成，通过电阻R20和R21设定总线的故障保护电流值。
如附图5所示，为矩阵开关电路原理示意图，包含16个相同的通道开关（通道数量可根据需要增减），每个通道开关的输入端与M-BUS总线连接，输出端连接到输出端子，控制端与控制单元连接。通过通道开关，控制信号可同时控制M-BUS总线正极、负极与输出端子的导通或关断。通道开关是一个双刀开关。
在本实施例中，以矩阵开关电路的第1通道开关为例说明其电路结构原理。
如附图6A所示，为矩阵开关电路的第1通道开关电路实施方式之一原理示意图。图5中的通道开关S1由4个电子开关组成：由电阻RA1、RA4和三极管QA2组成的第1电子开关，由电阻RA2、RA3和MOSFET管QA1组成的第2电子开关，由二极管DA1、电阻RA5和三极管QA3组成的第3电子开关，由电阻RA6、RA7和MOSFET管QA4组成的第4电子开关；其中电阻RA4的一端连接到三极管QA2的基极，另一端连接到控制单元；MOSFET管QA1的源极连接到M-BUS总线的负极，漏极为该通道的负极输出，连接到输出端子；MOSFET管QA4的源极连接到M-BUS总线的正极，漏极为该通道的正极输出，连接到输出端子；
工作原理为：控制单元控制第1电子开关导通或关断，第1电子开关控制第2电子开关和第3电子开关导通或关断，第3电子开关控制第4电子开关导通或关断，即输入控制信号同时控制M-BUS总线正极、负极与输出端子的导通或关断。
如附图6B所示，为矩阵开关电路的第1通道开关电路实施方式之二原理示意图。图5中的通道开关S1由第5电子开关和继电器KA1、二极管DA2组成，其中第5电子开关由电阻RA8、RA9和三极管QA5组成，与继电器KA1并联的二极管DA2起续流作用，M-BUS总线的正极和负极分别连接到继电器KA1的公共端，继电器KA1的常开端分别连接到该通道的输出端子。控制单元通过电子开关驱动继电器控制M-BUS总线的输出端正极、负极与输出端子的导通或关断。
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 (8)
1.一种M-BUS总线控制器，主要包括稳压电源、数据发送单元、电流采样电阻、数据接收单元、总线保护单元、第一电子开关、矩阵开关单元和控制单元，其特征在于：
所述稳压电源第一极和第二极连接至所述数据发送单元的输入端，所述稳压电源第三极连接至所述第一电子开关输入端；
所述数据发送单元的控制端连接至所述控制单元；
所述电流采样电阻串联在M-BUS总线上，电流采样电阻的一端与所述数据发送单元输出端连接，另一端作为M-BUS总线的输出，连接至所述矩阵开关单元的输入端，所述电流采样电阻两端还连接至所述数据接收单元，通过所述数据接收单元采集M-BUS总线的电流信号；
所述数据接收单元还分别连接至所述总线保护单元和控制单元，所述数据接收单元对电流采样电阻两端电压信号进行差分检测放大处理，实现总线数据的解调接收，供控制单元处理，所述数据接收单元的部分信号还输出到所述总线保护单元；
所述总线保护单元还分别连接至所述控制单元和第一电子开关控制端，所述总线保护单元对所述数据接收单元输出信号进行处理判断，控制第一电子开关导通或关断，实现总线故障保护，控制单元通过总线保护单元控制第一电子开关导通或关断；
所述第一电子开关输出端为M-BUS总线的输出，连接至所述矩阵开关单元的输入端，控制端连接至所述总线保护单元；
所述矩阵开关单元输入端连接至M-BUS总线，输出端为各通道M-BUS总线输出，控制端连接至所述控制单元。
2.根据权利要求1所述的M-BUS总线控制器，其特征在于：所述稳压电源输出的电压：第一极与第三极间电压小于等于42V，第一极与第二极间电压大于10V，第二极与第三极间电压大于12V。
3.根据权利要求1所述的M-BUS总线控制器，其特征在于：所述数据发送单元包括一个第二电子开关和一个二极管，所述稳压电源第一极通过第二电子开关连接到M-BUS总线，稳压电源第二极通过所述二极管连接到M-BUS总线，当发送逻辑“0”时，第二电子开关关断，稳压电源第二极通过二极管连接到M-BUS总线，输出低电压，当发送逻辑 “1”时，第二电子开关导通，稳压电源第一极连接到M-BUS总线，输出高电压，从而实现M-BUS总线发送电压的调制。
4.根据权利要求3所述的M-BUS总线控制器，其特征在于：所述第二电子开关由三极管（Q1）、MOSFET管（Q2）以及电阻R2、R3、R4、R5组成，三极管（Q1）的基极连接电阻R2的一端，电阻R3连接在三极管（Q1）的基极和发射极之间，电阻R5连接在MOSFET管（Q2）的栅极和源极之间，电阻R4连接在MOSFET管（Q2）的栅极和三极管（Q1）的集电极之间，MOSFET管（Q2）的源极连接到所述稳压电源第一极，MOSFET管（Q2）的漏极连接到所述二极管的阴极，二极管的阳极连接稳压电源第二极，二极管的阴极为数据发送单元的输出端。
5.根据权利要求3所述的M-BUS总线控制器，其特征在于：所述第二电子开关由三极管（Q3）、继电器（K1）、电阻R6、R7组成，电阻R6的一端连接三极管（Q3）的基极，电阻R7连接在三极管（Q3）基极和发射极之间，续流二极管和继电器线圈并联连接在三极管（Q3）的集电极和继电器（K1）的连接到稳压电源第一极的一端，继电器（K1）的一端连接到稳压电源第一极，另一端连接到二极管的阴极，二极管的阳极连接稳压电源第二极，二极管的阴极为数据发送单元的输出端。
6.根据权利要求1所述的M-BUS总线控制器，其特征在于：所述电流采样电阻串联在M-BUS总线上，总线电流在此电阻上产生电压降信号，提供给数据接收单元处理。
7.根据权利要求1所述的M-BUS总线控制器，其特征在于：所述数据接收单元包括依次连接的电流检测放大电路、信号转换电路、信号比较电路、信号嵌位电路，通过对电流采样电阻两端的电压检测、放大、处理实现数据的接收。
8.根据权利要求1所述的M-BUS总线控制器，其特征在于：所述总线保护单元包括信号比较电路、信号嵌位电路和信号锁存电路，所述总线保护单元控制第一电子开关导通或关断，从而控制M-BUS总线电源的供给或关断；当M-BUS总线负载出现异常时所述总线保护单元自动地控制第一电子开关关断，切断M-BUS供给电源。
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