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、数据传送工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 M-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 M-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 b

3、us；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。同时又要求组网成本相对较低，传输线无须使用屏蔽电缆，而且为节约成本，要采用远程供电的方式给从设备提供电源，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DrHorst Ziegler与TI公司的Deutschland GmbH和TechemG

4、mbH共同提出，M-Bus总线的概念居于ISO-OSI参考模型，但是M-Bus又不是真正意义上的一种网络。在OSI的七层网络模型中，M-Bus只对物理层、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。M-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可靠、低成本的组网要求，可以在几公里的距离上连接几百个从设备。2 M-Bus工作

5、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有串行通信进程。如图1所示。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来实现。逻辑“1”用1.5mA的恒定电流表示，逻辑“0”则需在1.5mA的基础上再加上11-20mA的电流。MARK值时的电流可以用来给接口电路甚

6、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。从上图可以看到由于总线驱动器的阻抗影响，从设备传送低电平时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出逻辑“0”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要略低于36V。因此从设备在识别总线上的码流时是根据12V电平的偏移而不是根据电压的绝对值来进行的。主设备在接收从设备发送的SPACE值时则是根据总线电流有11-2

7、0mA的增加来判别。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。3 M-Bus 总线收发器为了满足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，大大降低了设备成本。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

8、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内容。比较电路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总线是半双工总线，为避免总线冲

9、突，RX（I）上的信号会回应在TX（I）上。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但是没有使用到其中的全部功能。该协议采用异步串行传输方式，信息帧的同步由起始位和结束位来实现，由于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数据链路层还采用IEC 870-5数据完整性类别I2的信息帧格式来处理传输过程中可能产生的传输故障。* 应用层M-Bus的应用层协议参照数据交换标准EN14

10、34-3中的标准化应用层协议。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中仅定义了回应方向上的数据结构，M-Bus应用层协议还对主机到从机通信的数据结构进行了定义。应用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。家用公共事业仪表通过扩展MBus总线，使其具有与MBus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本的户用电子系统，使用M-Bus仪表总线可以方便地实现户用电表、水表、热量表等公共事业仪表的联网和远程抄表功能，在