M-Bus仪表总线原理研究

1、m-bus仪表总线原理研究research on principle of instrument bus m-bus摘要:本文详细的介绍了 m-bus总线的网络层次结构、数据传送丄作原理及网络协议等重要 内容，并对m-bus系统的总线收发器tss721作了详尽的阐述。在应用方面，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总线；总线收发器；远程抄表abstract： this paper presents the industrial background of bus and gives a detailed descr

2、iption about the important content of the hierarchy network structure > data transmission principle and network protocol of m-bus. the bus transceiver tss721 is also introduced at the same time for the application of m-bus, the remote reading of utility meters is a good example.key words： meters

3、bus； application； remotely coping meters1 m-bus总线的提出对于一个远程抄表系统来讲，总线上传输的数据就是终端用户所消费的水、电、气等重要数 据,因此对总线的抗外部干扰性要求非常高，要能抵抗各种容性、感性的偶合干扰，所有从 设备及从设备和主设备之间都相互隔离。同时乂要求组网成本相対较低，传输线无须使用屏 蔽电缆，而且为节约成本，要采川远程供电的方式给从设备捉供电源，以尽可能减少元器件 的使用。解决这些现实的问题必须要采用一种合适的总线结构。m-bus 由 paderborn 大学的 dr. horst ziegler 与 ti 公司的 deutsch

4、land gmbh 和 tcchcmgmbh 共同提出，m-bus总线的概念居于iso-osi参考模型，但是m-bus又不是真匸意义上的一 种网络。在osi的七层网络模型中，m-bus只対物理层、链路层、网络层、应用层进行了 功能定义，由于在iso-osi参考模型中不允许上一层次改变如波特率、地址等参数，因此 在七层模型之外m-bus定义了一个管理层，可以不遵守osi模型对任一层次进行管理。m-bus总线的提出满足了公用事业仪表的组网和远程抄表的需要，同时它还可以满足远程供 电或电池供电系统的特殊要求om-bus串行通信方式的总线型拓扑结构非常适合公用事业仪 表的口j靠、低成木的组网要求，可以

5、在几公里的距离上连接几百个从设备。2 m-bus工作原理m-bus是一个层次化的系统，由一个主设备、若干从设备和一对连接线缆组成，所有从设备 并行连接在总线上，由主设备控制总线上的所冇串行通信进程。如图1所示。m-bus图1 m-bus总线原理图为了实现对从设备的远程供电，总线上的码流表示如下:通过电平的偏移实现主设备到从设备的码流传递，在总线驱动器（主设备的一部分）上：逻 辑“1”（mark）对应36v的电压，在传送逻辑“0” （space）时，总线驱动器将总线上 的电压从36v减少到24v。从设备到主设备的码流传递则通过调制从设备消耗的电流來实现。逻辑 t 用1.5ma的恒定电流表示,逻辑

6、“0”则需在1.5ma的基础上再加上ll-20ma 的电流。mark值时的电流町以用來给接口电路甚至是仪表或传感器电路供电。图2表示 了主、从设备码流传送时电压和电流的变化。小 wbrk spacebus voltage at repeatervmark=36vvspace=24master tansnits to slavetim ft t.cutrent consumption ofa slave+(ll-20)ma -markch爲 < 1.5maslave transmits to masterspace7 ontimet从上图可以看到山于总线驱动器的阻抗影响，从设备传送低电平时

7、总线上的电压会略微降低 一些。此外还可以看到总线上的静止状态是逻辑“1”，此时总线驱动器上的电压是36v,从 设备的静态电流是1.5ma。当所有从设备都不输岀逻辑“()”时，总线驱动器输出一个恒定 的电流以驱动总线，由于传输线的阻抗衰减，同时根据从设备和主设备的距离及从设备总静 态电流的大小，在从设备端的实际电压耍略低于36v。因此从设备在识別总线上的码流吋是 根据12v电平的偏移而不是根据电压的绝对值來进行的。主设备在接收从设备发送的 space值时则是根据总线电流有11-20ma的增加来判別。因此m-bus在任何时候数据传输 的方向是单向的，从主设备到从设备或从从设备到主设备，这种通信方式

8、不仅实现了对从设 备的远程供电同时还获得了对外部干扰的很强的抵抗能力。为了满足m-bus总线上从设备的使用要求，ti公司开发了 m-bus总线收发器tss721。 tss721作为从设备到m-bus总线的接口电路，大人降低了设备成木。除了按m-bus总线规 范收发数据以外,tss721还提供了到微处理器的电平转换以实现从设备和微处理器的通信。 此外tss721还能提供极性反接保护和总线电压故障指示等功能。*数据接收总线电压vbus由busl1和busl2两端的压差决定并受到主从设备距离的影响，电容sc 上的动态参考电平可以使比较器tc3和总线上高电平电压能形成一种动态平衡。电容sc充 电和放电

9、的电流比例必须大于30倍以使uart通信协议独立于具体数据內容。比鮫电路tc3用来检测从主设备来的信号，并根据电压vbus=space或mark 来开关tx和tx1以输出数据给从机。*数据发送通过tc4和恒流源cs3可以将rx和rxi端接收到的信号转换为总线电流。在传送mark 信息时总线出现的是较低的静态电流，传送space信息时tc4将恒流源打开总线上出现附 加的11-20ma电流。电阻rris可以调节这个附加电流的大小。由于m-bus总线是半双工总图4数据发送电路4 m-bus总线协议*数据链路层m-bus数据链路层传输协议基于国际标准iec 870-5,该标准对远程设备和系统的通信协议

10、 进行了定义。m-bus数据链路层传输协议源于iec 870-5但是没有使用到其小的全部功能。 该协议釆用界步串行传输方式，信息帧的同步由起始位和结束位来实现，由丁总线的静止状 态为逻辑1 (mark),因此起始为必须是逻辑0 (space)而结束位是1 (mark)。此外 m-bus数据链路层还釆用iec 870-5数据完整性类别12的信息帧格式來处理传输过程屮可 能产生的传输故障。master to slavestart! 1 i 2 1 3 j 4 | 5 6 7 ! 8 i party i stopiiiii iiiii11iiiiii1i%迪1旳一i ii iiii iiiiiit5

11、链路层数据帧格式*应用层m-bus的应川层协议参照数据交换标准en1434-3屮的标准化应川层协议。这个标准同样也 适用于其它共用事业仪表如燃气表和水表等。然而en1434-3屮仅定义了冋应方向上的数据 结构，m-bus应川层协议还对主机到从机通信的数据结构进行了定义。应川层协议可以完成 包括数据传输、制造商识别码设定、从设备配置，以及应用层的故障甄别等功能。5 m-bus总线的应用m-bus总线的工作状态分为数据传输状态和空闲匸作方式两种，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。主站工作吋应向总线提供电源。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 实现远程抄表功能。典型的m-bus系统如图6所示。6结束语m-bus仪表总线是一种低成木的户用电了系统，使用m-bus仪表总线可以方便地实现户用 电表、水农、热量表等公共事业仪