基于MBUS的智能集中器设计

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The design of intelligent concentrator based on MBUSLuo Yonggang ，Zou Zhiyuan。

1.Colege of Electrical and Electronic Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255000，China；2.Shandong Bellin Technology Co.Ltd，Zibo 255000，ChinaAbstract：Aimming at centralized meter reading system focused around the inteligent water meter and heat meter，a kind ofMBUS concentrator is designed.The MBUS concentrator can complete the colecting of the intelligent meter data that connects tothe MBUS bus and the uploading to the monitoring computer via GPRS.n the paper the working principle of the concentrator andMBUS bus are introduced，and the transceiver circuits of the MBUS bus signals are described in detail.Because of the use of thesingle-chip control，the bus voltage can be detected real-time，the reference voltage of the comparator can be adjusted constantly，SO the adaptability of the MBUS receiving circuit increases greatly.The test results show that the concentrator that has been real-ized has high reliability，strong load ability and high reading eficiency.And it has achieved very good efects in the practical ap-plication。

Key words：concentrator；MBUS；GPRS目前 ，我 国城市居民的水表和热量表数据基本上都是人 工抄 收 ，然 后月底 结算 。这种 方式不 仅要 消耗 大量的人力物力 ，而且抄收时间长 、精度低，不利于管理部门实时掌握用户的用水或用热情况，因此需要-种智能的抄表系统 ，完成对表内数据的实时采集1。集中器在抄表 系统 中 占有非 常重要 的地位 ，现有市 场上 的集 中器大部分带负载能力差，每个通信线路负载带有 60个 ，-个集中器有 2路 MBUS最多带 120个表。随着高层建筑越来 越多 ，每户 使用 的表 计 数量 不 断增 加 ，集 中器 带 负载能力差 的缺点越 来越 突 出，这大 大增加 了抄 表 系统 的设备成本 ，因此设计-种带负载能力强的集中器非常有必要 。本文设计的集中器带有 4路 MBUS总线，每路至少可带 100个负 载。

/z 欢 迎 网上投 稿 om1集 中器工作 原理集 中器主要 完成定 时抄表 和直抄 两个功 能 。定时抄表是指集中器在设定抄表时间启动抄表程序 ，并把抄收的数据存储到外部存储器中，等待上位机查询。直抄是指 当集 中器接 收 到来 自上位 机 的抄 表命 令 之 后立 刻 开始 抄 收指 定地 址 的表 计 ，将 抄 收的 表数 据 返 回 给上 位机 。图 1是集 中器系统 框 图 ，系统 主要 由主控制 器 、时钟模 块 、电源模 块 、GPRS拈 、RS485拈 、MBUS主 站模块 、存储拈组成。主控制器采用 PC16F946，该芯片有10位 8通道的 A/D 转换器；2个带 8位可编程可预分频的 8位定时器/计数器和 1个 16位增强型的定时器/计数器；2个捕捉 、比较和 PWM拈；宽工作 电压范围21。

《电子技术应用》2013年 第39卷 第10期 l l 时钟拈- - 叫GPRS拈 存储拈l-- 主控制器 ---Rs485拈电l模 块 --，图 1集 中 器系 统 框 图GPRS拈提供集 中器和上位机的无线通信 ，RS485电路用 来完 成集 中器 的级联 功 能 ，当集 中器 与集 中器 距 离很 近时 ，通过 RS485总线完 成级 联 ，共 用- 个 GPRS模块 ，以便节省成本 。存储拈用于存储抄表数据信息及系统参数 。4路 MBUS主站拈用 于集中器和表计 连接 ，完 成对 表计 的数据 抄 收。

2 MBUS总 线由于水表或者热量表都是电池供电，为了延长电池使 用 寿 命 ，表 内 主 电路使 用 光 电 隔离 器 与 通信 电路 隔离。通信电路由总线供电。水表或热表抄表系统通信大部分采用 MBUS总线 ，它是 -种二线制无序总线 ，既给表计提供电源又用来传输信号，大大节省了布线成本。

图 2是 MBUS总线连接图，通信系统分为从站和主站 ，从 站并 接到 总线 上 。

图 2 MBUS总 线连 接 图MBUS总线 协 议规 定 了通信 协议 的物 理层 ，对其 他通信层没有涉及。它是-种半双工通信总线，通信时采用主从方式。MBUS总线上传输 的数据位定义如下：1由主站 向从站传输的信号采用 电压值的变化来表示，即主站向从站发送的数据码流是-种电压脉冲序列，用 36V表 示逻辑 1，用24V表 示逻 辑 0。在稳 态 时，线路将保持逻辑 1状态，图 3a所示是由主站 向终端从站传输的数据码流图。2从站向主站传输的信号采用电流 值 的 变 化来 表 示 ，即 由从 站 向 主站 发 送 的数 据 码 流是 - 种 电 流脉 冲 序列 ，通 常用 1.5 mA的 电 流值 表 示 逻辑 1，当传输 0时，由从站控制使 电流值增加 11～20mA。

图 3b所示是 由从站向主站传输数据的码3 主站信 号收 发 电路由于总线需要 给从 站节点供 电 ，因此 电源 需要 有 足够 的驱 动 能力 。如果 每个 节点 消耗 2～3mA，当 100个节 点时 需要 的 电流在 0.2～0.3A。

系 统 采 用 12 V 直 流 供 电 ，通 过LM7805降压 到 5 V直 流 ；将 l2 V直 流 升压到 36V，通 过 78M24得 到 24V。升压 电《电子技术应用》2013年 第39卷36V<1.5a主站 到从 站信 号以 电平方 式传输b从站到主站信号以电流方式传输图 3 MBUS物理层信号路采用电压芯片 FP5138，配合几个元器件就可以升压到 36V。该芯 片输 入 电压 1.8～15V。提供 高精度 的 电压输出，输出误差在 2%以内。工作频率在 50 kHz～1 MHz，并且 有 短路保 护功 能 。

升 压 电路如 图 4所 示 ，OUT引 脚为 PWM 波 形输 出 ，直接驱动 MOS管 ；FB引脚 为电压反馈 输入 ；CTL引脚为输 出电流 大胸 制 ，电阻越 大 ，输 出电流越 小 ，当断 开时 ，芯 片不 工作 ，可 以用 该 电阻 控 制芯 片处 于 正 常工 作模式或待机模式 ；SCP引脚外接电容 电阻来决定内部振荡频率 ；COMP引脚用来对 内部 比较器补偿；COSC引脚连 接 电容 ，用于 电源 的软启 动 ，系统 上 电后 开 始 给 电容C2充 电 ，当充 电电压 到 达 0.8 V 时 ，引脚 OUT开始 输出 。图 4中输 出 电压为：oUr1R4/R3×0.5169×0.535 V集 中器 的主 要 功 能 是 通 过 MBUS总 线 连 接 智 能 表计 ，采集 仪 表 内存储 的数 据 ，因此 能否 正 确 与表计 通 信是整个 系统 的核心 。发送 电路 如 图 5所示 。

图 5中 ，Vout为 12 V直流 升压 后得 到 的 35 V直流 ，然 后 通过 78M24转 换 为 24V。TXD为单 片 机 串行 口发送引脚 ，当 TXD为高电平时，三极管 Q102导通 ，场效应管 QlO5导通 ，总 线上输 出 35 V直流 ，为逻 辑高 电平 。当TXD为低 电平时 ，Q102不导通而 Q105截止 ，24V直流第10期图 4升压 电路73 图 5 MBUS主站 信 号 发送 电路经 过 D102连接 总线 ，总线 为逻辑低 电平 。MBUS采用两线制，MBUS发送 电路接-根线 ，另外-根线连接 MBUS接 收 电路 。

MBUS从 站到 主站发送 的数据 码 流是- 种 电流脉 冲序 列 。逻辑 1对 应 的最大 电 流可达 到 1.5 mA的稳 态 电流 ，逻 辑 0对 应的 电流是 在逻辑 1对应 的稳 态 电流基 础上额 外增 加 11～20mA。如何 识 别 电流脉 冲序 列是 成 功接收从机回传数据的关键。

MBUS接收电路如图 6所示∮收电路中 MBUS总线 经 过 R5、R6电 阻 分 压 之后 连 接 到单 片机 的 AD1引脚，单片机通过测量分压点的电压得到稳态时比较器反相端 2引脚 的电压 。比较器 的同相端 3引脚 连接 电容然后通过 R1连接单 片机 的PWM 引脚 ，并 通过 电阻 R2、R3分压后 接单 片机 的 AD2引脚 ，用 于测量 比较 器 同相端 3引脚 的电压 。

系统上 电后 ，总线给从机通信电路供电，由于负载的个 数 以及负 载 的特性 等原 因，在 7上 的压 降会 有所不 同 ，这 也 是很 多 MBUS接收 电路 当负载 特性 或个 数有变 化时不 能正确 抄收数 据 的原 因。该 电路上 电后 ，先 测量 R4与 R7之间的电压 ，计算出比较器 2引脚的电压。

然后控制 PWM输 出给电容 C1充电 ，并不 断采集 AD2点 的 电压 ，使 比较 器 3引脚 电压 大 于 比较 器 2引 脚 电：图 6 MBUS主站信号接收电路压 ，而略小 于当总线 中传 输数 字 0时 比较 器 2引 脚 的电压 。该 电压 作为 比较器 的基准 电压 。基准 电压根据 AD1点 的电压不 同而不 同 ，建 立-个 表格 存储 到单 片机存 储器中，以备查询。当从站返回电流脉冲序列时 ，改变了比较器 2引脚 的 电压 ，通 过与基 准 电压相 比较 ，OUT1引脚输出电压脉冲序列。经过电平转换为 05 V信号后，接单 片机 的串 口接 收 引脚 。 由于软件 根 据 AD1点 的 电压实 时调整 比较器 3引脚 的基准 电压 ，使该 接 收电路 适应能力 大大增 强41。

在 通信 过程 中 ，因为 AD1点 电压值 不 断改 变 ，因此当集 中器通 过 总线 向表计 发送 数 据前 ，停 止 AD1点 的电压采样。当接收到从站数据返 回之后 ，重新启动对AD1点 的 电压采 样 。每 隔 1 S根据 AD点不 同的 电压 ，更 新- 次基准 电压 。

4 从站信 号收发 电路从站 MBUS信号的收发主要由集成芯片 TSS721A完成。TSS721A是 T公 司专为 MBUS总线开发的从站收发芯片，执行异步半双工通信协议，波特率最大 为 9600b/s。发送器 的通信 电流大猩通过 电阻编程来调 节 。如 图 7所压 。当总图 7从站收发电路74 欢迎网上投稿 际跤τ谩