M-Bus仪表总线,m-bus总线

('M-Bus仪表总线协议及其应用摘要文章详细介绍了M-Bus仪表总线，包括总线结构、总线的通信协议，及其在远程抄表中的应用。家用公共事业仪表通过扩展M-Bus总线，使其具有与M-Bus仪表总线通讯的功能,从而实现远程抄表。关键词M-Bus仪表总线应用1概述M-Bus是Paderborn大学的Dr.HorstZiegler与TI公司的DeutschlandGmbH和TechemGmbH共同提出的，专门用于公共事业仪表的总线结构，称Meter-Bus，简称M-Bus。M-Bus仪表总线属于局域网（LocalAreaNetwork，简称LAN），是处于同一幢建筑、同一大学或方圆几公里远地域内的专用网络，被用于连接远程监控计算机和工作站、测量仪表等设备，以便资源共享和数据传输。M-Bus仪表总线具有LAN的三个基本特征：（1）范围，（2）传输技术，（3）拓扑结构。LAN具有星形（StarTopology）、环形(RingTopology)和总线形(BusTopology)拓扑结构。M-Bus一般采用总线形拓扑结构。M-Bus仪表总线可以满足由电池供电或远程供电的计量仪表的特殊要求。当计量仪表收到数据发送请求时，将当前测量的数据传送到主站，（主站可以是手持单元、计算机或其它数据终端）。主站定期地读取某幢建筑中安装的计量仪表的数据。一般而言，挂接在仪表总线上的计量仪表的数目可达数百个，数据传输距离达数千米。在总线上传送的数据具有高度的完整性和快速性。2M-Bus总线的结构模型及特点国际标准化组织（ISO）于1978年提出了OSI(openSystemInterconnection，即开放系统互联)七层参考模型。M-Bus总线协议以ISO-OSI参考模型作为参考，但是只采用了OSI模型的物理层、数据链路层、网络层和应用层，如表1所示。仪表总线结构原理见图1所示。1)物理层物理层的功能是提供一条“非结构位流”传送的物理通道，并为数据链路层提供建立、维护和解除物理连接。物理层规定了主站与从站之间的物理接口的物理和电气特性，负责物理媒体上信息的接收和发送。M-Bus的物理层采用M-Bus总线标准。2)数据链路层数据链路层的功能是在物理连接的基础上建立、维护和解除数据连接。数据链路层以帧为单位传输信息，在每帧信息中附加了许多协议控制信息（如同步信息、地址信息、纠错信息、应答信息等），以保证信息无差错传送。M-Bus的数据链路层采用IEC870标准。3)应用层应用层是直接面对用户的一层。主要功能包括读数据、写数据、密钥设定、广播校对，以及更改通信速率等等。M-Bus的应用层采用EN1434-3标准。M-Bus总线协议为主-从结构的半双工通讯方式，可以进行一主一从或一主多从的操作，从站均有各自的地址编码。采用0.5mm2双绞线，连接250个从站时，最远连接距离可达到380m。采用1.5mm2双绞线，连接64个从站时，最远连接距离可达到3600m。M-Bus总线结构由主站(Masterstation)，以及挂接在双绞线上的一系列从站（Slavestation）组成，从站之间彼此并联。3M-Bus仪表总线协议主站发出的信息帧来控制。每帧由前导字节、帧起始符、仪表类型、从站地址域、控制码、数据长度、数据域、帧信息纵向校验码及帧结束符等九个域组成，每个域由若干字节组成。帧的格式见图2。每字节含8位二进制码，传输时加上1个起始位（0）、1个奇偶校验位和1个停止位（1）共11位，其传输序列如图3所示。D0是字节的最低位，D7是字节的最高位，先传低位后传高位。（1）前导字节由主站或从站发送的所有帧前面有一串规定数目的十六进制的字符“FE”，这些字符称为帧的前导字节。前导字节本质上是一种物理层的要求，经常用来使接收器适应和同步，一般是2－4个字符。（2）帧起始符帧起始符68H，表示一帧信息的开始。（3）仪表类型仪表类型（T）是指参与通信的从站属于那种类型的计量仪表，如表2所示。（4）地址域地址域由七个字节组成（A0A1A2A3A4A5A6），每个字节为2位BCD码格式。地址长度为14位十进制数。其中A6A5为厂商代码，低地址在前，高地址在后。当某一字节以AAH寻址时，忽略该字节地址。当地址为AAAAAAAAAAAAAAH时，为广播地址。（5）控制码控制码的格式见图4。其中，D7：0—表示由主站发出的控制帧；1—表示由从站发出的应答帧；D6：0—表示从站正确应答；1—表示从站对异常信息的应答；D5~D0：控制码000000：保留；000100：读计量数据；000101：读地址；001000：广播校时；001100：更改通信速率；010010：写机电同步数据；010100：写时域；010101：写阀门控制；011010：设定密钥；1xxxxx：厂商自定义。（6）数据长度数据长度字段包含一个表示字节数的整数，用十六进制表示，是数据长度字段和校验字段之间（不包括该两个字段）的数据字节的计数值。读数据时数据长度小于或等于64H。写数据时数据长度小于或等于32H，数据长度等于零表示无数据域。（7）数据域（DATA）数据传送时，发送方按字节进行加33H处理，接收方按字节进行减33H处理。（8）校验码（CS）一个字节从帧起始符开始到校验码之前的所有各字节进行二进制算术累加，不计超过FFH的溢出值。4数据的传输所有多字节数据域均先传送低位字节，再传送高位字节。例如，传送数据域的值为12345678，其传输次序如图5所示。每次通讯先由主站发出命令帧，被选择的从站根据命令帧的要求做出响应。传输响应的时序见图6、图7。数据通信过程中，若接收方检测到校验和奇偶校验或格式出错，均放弃该信息帧不予响应。图中，Tbit=1/波特率秒-----二进制位传送时间Tbyte=11Tbit-----字节传送时间Td1=Tbyte-----延迟时间Tframe=帧字节数Tbyte-----帧传输时间Tr=50ms+30Tbyte-----最长响应时间Tfba=实际帧字节长度Tbyte-----实际帧传输时间Tb≤1Tbyte-----字节间的停顿时间5M-Bus仪表总线的应用M-Bus总线（户用仪表总线）的工作状态分为数据传输状态和空闲工作方式两种。数据传输状态又分为主站至从站的数据传输和从站至主站的数据传输。主站至从站的数据传输只允许一个主站连接到户用仪表总线。主站工作时应向总线提供电源。仪表总线的应用示意图如图8所示6小结M-Bus仪表总线是一种低成本的户用电子系统，可以实现公共事业表的联网和远程抄表功能。公共事业表包括户用电表、水表、热量表等计量仪表。文章详细介绍了M-Bus仪表总线，包括总线结构、总线的通信协议，及其在远程抄表中的应用。家用公共事业仪表通过扩展M-Bus总线，使其具有与M-Bus仪表总线通讯的功能,从而实现远程抄表。来源:上海理工大学信息与控制工程研究所沈昱明甄兰兰管晓春魏捷（上海理工大学，上海200093）485总线与M-Bus总线技术对比区别目前工控中采用较多多的通讯方式仍然以485总线为主，这使得原本为工业自动化数据采集而设计的少结点（一般不多于100点）、短距离（一般数百米）、可规范布线的485总线通讯在多结点（以千、万计）、长距离（数千米）、任意分布的布线方式的通讯中难以可靠应用，即使目前在工业自动化应用领域中，多结点、远距离的数据通讯也早以采用了PRFBUS、CAN、HART、FF等通讯方式。在欧洲，户用仪表的通讯方式以M-BUS为主，它可以解决多结点、长距离的通讯问题.目前国内诸多大型水、电、气、热表企业已采用或拟采用MBUS总线通讯技术。技术概述:M-BUS是一种低成本的一点对多点的总线通讯系统，具有通讯设备容量大（500点），通讯速率高（9600bps），成本低，设计简单，布线简便（无极性可任意分支，普通双绞线），抗干扰能力强，并总线可提供高达500mA电源的特点。系统具有自动登录功能，此功能可完成设备的自动登录、结点中断报警等双向可中断的先进的通讯功能。总线隔离设备具有总线故障隔离性能，保证部分总线故障时其它部分正常通讯。以该芯片为核心构成的总线通讯系统可广泛应用于三表集抄、智能家庭控制网络、消防报警及联动网络、小区智能化控制网络、中央空调控制系统等。系统由来近年来，随着各种电子设备的发展，越来越需要进行低端电子设备的低成本联网管理。虽然各种高速通讯网络迅速发展并得以应用，但对于低端设备，其接口显然复杂而昂贵，过去多年来，485技术主着导这一技术的应用，但已经不能满足大容量集中抄表网络的需要，在应用过程中存在以下问题：1.485的通讯设备容量少，理论上最多容许接入量不超过128个设备，这显然不适用以楼宇为结点的多用户容量要求。2.485的通讯速率低，并且其速率与通讯距离有直接关系，当达到数百米以上通讯距离时，其可靠通讯速率<1200bps，这使得大量结点的抄表速度非常低。3.非隔离方式不能应用与长距离户外通讯，隔离方式需要隔离电源，成本较高。4.485方式不能给下接设备供电，设备需要单独解决供电问题。5.485芯片功耗较大，静态功耗达到2-3mA，工作电流（发送）达到20mA，这增加了线路电压降，不利于远程布线。6.长距离通讯时485芯片容易损坏。7.以485构成的网络只能以串行布线，不能构成星形等任意分支，而串行布线对于小区的实际布线设计及施工造成很大难度，不遵循串行布线规则又将大大降低通讯的稳定性。8.由于485自身的电性能决定了其在实际工程应用中稳定性较差，并且多节点、长距离的调试需要对线路进行阻抗匹配等调试工作，大量安装时调试工作复杂。M-BUS总线通讯方式克服了以上所有缺点，同时具有的总线供电模式特别适应于居民煤气、水、电、热表集中抄收，中断报警并自动上传功能又很适用于实时性要求高的应用，如消防报警系统，家庭智能化控制总线等.M-BUS总线通讯设备及系统构成A：结点通讯设备：智能电表、水表、煤气表、热量表、家庭自动化设备终端、火灾报警、联动设备、手动报警按钮、网络显示器、网络仪表设备、控制设备、温度探测器、温度控制器等。B：总线隔离（保护）器：当其所在分支发生短路时，自动断开其分支，使其他设备正常通讯。工作电流<0.1mA；总线故障时电流<15mA；工作保护电流可根据需要在0.5A,0.1A，0.2A，0.5A，1.0A之间设置（可恢复保险丝）。隔离中继器：当通讯距离超过2km时，可使用该设备再延长2km。本设备需要现场供电，工作电流0.5mA。集中控制器：向上连接计算机（或手持式抄表设备），向下连接C-MBUS总线的控制设备，内部有以CMT100为核心的电源控制器、232/485与M-BUS之间的通讯转换器等电路。M-BUS型总线系统特点1.高速稳定的通讯速率，在4.8kb/s的通讯速率时可达到2.4Km的可靠通讯距离；2.在4.8kb/s、2.4Km的可靠通讯距离时，可有多达500个接点的容量；3.允许串型、星型、交叉等任意接线分支的布线方式；4.极低的静态功耗，低达200uA；5.使用普通双绞线，无极性二线制安装接线；6.隔离通讯设备可保证在遭雷击时可靠工作，7.恒流的电流环通讯方式，抗干扰性强；8.具有设备自动登录等功能，可容纳多种设备，预留多种通讯协议，扩展方便；9.通过总线可向从设备提供200mA电流；附录：RS485、M-BUS性能对比比较项目RS485（75LBC184）M-BUS（TI721）价格（元）922通讯距离（m）12001000通讯电平差分电压下行12V电压上行电流环总线最高电压5V24V最长距离适用通讯速率24004800接线方法四线（含电源）二线（可供电）是否具有极性极性无极性布线方式串连任意分支线缆要求屏蔽双绞线普通RV1.5双绞线是否能给结点设备供电否能，但功率小供电电流不能提供<0.65mA芯片静态电流损耗2.4mA0.8mA负载能力<128<256总线隔离装置无有，复杂配套的集中控制器简单复杂电磁兼容性差好结点中断上传功能无有主站M-BUS接口电路随着智能表越来越多的使用，各种类型的抄表器（既M-BUA主站）需求也随之增加。M-BUS接口电路作为抄表器的一个主要模块，决定了抄表器性能的好坏，也较为影响抄表器的成本高低。现今大多数抄表器都是延用TI推荐的M-BUS接口电路方案（或是做了一些小的修改），该方案电路复杂，成本也较高，并不太适合大众化抄表器的使用。笔者根据M-BUS的工作原理，结合自身多年的电路开发经验，设计出一款简单实用、稳定可靠、成本低廉的主站M-BUS接口电路。这款接口电路经电路模拟仿真以及实际抄表测试，性能良好，工作可靠，完全可以替代TI的M-BUS接口电路方案。电路原理根据主站M-BUS的工作原理：发送：传号电压：24V~36V（CJ-T188-2004：20.8V~42V）空号电压：传号电压－12V（CJ-T188-2004：传号电压－10V）接收：传号电流：≤1.5mA空号电流：11~20mA1．发送电路发送电路的设计主要需要考虑的问题有：发送传、空号电压的变化量要大于等于12V（10V）；电路的驱动能力，几十上百个智能表不能影响发送电压低于12V。用一个直流稳压器应该可以满足这些要求。图1是发送电路框图。V1输出正12V稳压电压，V2输出负18V稳压电压。当搬动开关K时，总线上的电压即可在30－18V间变换。由于采用稳压电源，负载变化只要不超过稳压电源的驱动能力，总线上的电压不会有大的变化。一个5～10W的直流稳压电源足以驱动100只智能表。图2是发送电原理图。在这个电路中Q2设定为具有简单稳压能力的射随器，发射极的电压是随基极电压而变化。传号时，串口TX端为高电平，Q3不导通，R4、R5分压使Q2的基极电平在12.7V左右，BUS+端的电平即可保持在12V左右。由于BUS-端的电平为-18V，所以R1上获得电压为30V左右。空号时，串口TX端为低电平，Q3导通，Q2的基极电平为零，BUS+端的电平即可保持在－0.7V左右。由于BUS-端的电平始终为-18V，R1上获得电压为17.3V左右。空号比传号电压低了12.3V左右。当调整VSS电平为－12V时，R1上的传号电压为24V。若增加VSS电平为－24V时，R1上的传号电压可达36V。事实上无论VSS电平是多少，只要不大于0，空、传号电压差值都是12V，不会受VSS影响。V1V2＋12V-18VM-BUS+M-BUS-K图1图2改变R4、R5分压值为10.7V，即可使空、传号电压差值为10V左右。稳压电源的过载能力和短路保护能力直接对BUS总线施加影响，不必再另外设计保护电路。2．接收电路接口电路接收部分的主要难点是不要误读。在一个稳压电路中要读取它的电流，就象是在测它的纹波一样，串一个取样电阻是需要的。稳压电路本身纹波很小，取样电阻大了影响稳压效果，小了有取不出可用值。更要命的是，负载大小引起的电流变化远比接收电流引起的电流变化来的大，直接影响直流电平偏移，造成接收波形失真。一个25欧姆的采样电阻，当接收电流变化20MA时，会产生0.5V的接收电压；当负载变化100MA时，会产生2.5V的接收电平偏移变化。负载变化往往是缓慢的，智能表安装完毕通常不会再变，而接收信号在300～9600Hz。采用电容耦合的方式，可以有效地避免负载变化对接收波形的影响。图3是接收波形采集。接收电流采样电阻R7被放置在Q2的集电极回路，不会对发送电压产生影响。同时R7一端是交流接地，也便于电容直接耦合。最终的设计见图4。Q5、Q6完成接收波形的放大整型。C2和R14组成截止频率很低（1Hz左右）的高通滤器，阻止负载变化对接收波形的影响，而让300～9600Hz的接收信号顺利通过。这一设计的另一特点是，提高稳压电源VCC的电压和功率（有效电流）就可以很容易的增加M-BUS接口的驱动能力，而电路的其它器件无需做任何改动。其实，这个设计和原始的电话机电路非常接近，只是电话机收发的是模拟型号，而M-BUS接口收发的是数字信号。图4的电路可直接放入Multisim仿真。注意收发不要同时进行，实际使用也是这样的。图3该电路经与杭州竞达的LXS-20D电子式智能水表（M-BUS接口，DL-T645规约）对接测试，每秒钟读一次表，连读一分钟，无一差错，完全满足使用要求。图4',)