基于Multisim的M-Bus主机接口电路设计与仿真

翟亚芳，巩银苗

（安阳工学院电子信息与电气工程学院，河南安阳455000）

0 引言

随着电子技术、信息技术和通信技术的发展，我国城镇居民所使用的电能表、水表、热量表等计量仪表逐步被智能仪表所取代，同时仪表的数据采集由人工抄表方式向远程智能抄表方式转变[1]。M-Bus（Meter Bus，仪表总线）是一种专门为耗能测量仪表及传感器传递数据信息而设计的主从式半双工总线标准[2]，使用无极性二线制安装接线，采用主叫/应答的通信方式，具有布线简单、组网成本低、抗干扰能力强、拓扑自由等特点，可广泛地应用于智能住宅小区、自动化办公大楼的智能化抄表系统[3]。Multisim软件是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows操作系统为基础的电路仿真工具，具有丰富的电路仿真分析能力[4-5]。将Multisim软件的仿真技术应用于M-Bus总线接口电路的设计，缩短了电路设计的研发周期，减少了研发过程中的失误，从而提高了研发的工作效率，节约了研发成本。

1 Multisim软件简介

Multisim软件是在EWB（Electronics Workbench，电子设计工作平台）的基础上发展而来的，是一款专门用于电子线路仿真与设计的EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）工具软件[6]。Multisim软件是一个完整的集成化设计环境，它将计算机仿真和虚拟仪器技术完美地结合在一起，利用工业标准的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，仿真电路模拟器）模拟器仿真电路行为，能在电子线路设计过程中对电路进行快速、高效地验证，为电子线路的仿真和设计提供了良好的环境[7]。

Multisim软件拥有电路基本元器件、信号源、模拟集成电路、数字集成电路、指示部件、3D虚拟元件等庞大的元器件库，具有万用表、失真度分析仪、函数发生器、示波器、波特图仪、逻辑分析仪、频谱分析仪等仿真测试仪表，具有直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真度分析、零极点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析、蒙特卡罗分析等多种仿真分析方法，采用电路原理图图形输入或电路硬件描述语言输入方式，实现器件建模及仿真、电路构建及仿真、系统组成及仿真、仪器仪表原理及仿真等功能，能够满足一般电子线路设计与仿真的要求[8]。

2 M-Bus总线的调制方式

M-Bus总线通常采用总线型网络拓扑结构，由一个主机、若干从机以及连接主机和从机的电缆组成。M-Bus总线的比特流数据传输采用电压调制和电流调制相结合的方式，当主机向从机传输比特流数据时采用电压调制的方式，当从机向主机传输比特流数据时采用电流调制的方式[9-10]。

当主机向从机发送逻辑“1”时，M-Bus的总线电压为Vmark(22 V≤Vmark≤42V)；当主机向从机发送逻辑“0”时，M-Bus的总线电压为Vspace，Vspace比Vmark至少低 10V，但要大于 12V，即12V≤Vspace≤(Vmark-10)V。M-Bus总线上的每个从机都要有一定的静态电流Imark(Imark≈1.5mA)，当从机向主机发送逻辑“1”时，从机的总线电流为Imark；当从机向主机发送逻辑“0”时，从机的总线接口电路使总线电流在Imark的基础上增加11～20 mA，形成Ispace，此时M-Bus的总线电流Ibus=[Imark×n+(11～20)]mA，其中n表示M-Bus总线上从机的个数[11]。

M-Bus总线协议规定总线处于空闲状态时用逻辑“1”表示，此时总线电压维持在Vmark，每个从机获取总线电流Imark，该电流可以用作从机的电源。主机通过检测M-Bus总线上的11～20 mA脉冲电流来确定接收的是逻辑“0”，从机通过检测MBus总线电压与动态参考电压的差值（大于10 V）来确定接收的是逻辑“0”。M-Bus总线比特流数据传输与逻辑电平之间的关系如图1所示[12]。

图1 M-Bus总线数据传输与逻辑电平的关系

3 主机接口电路设计与仿真

3.1 主机发送电路设计与仿真

按照M-Bus总线的调制方式，当主机向从机发送数据时，逻辑“1”的电平比逻辑“0”的电平高10 V以上，在设计时一般取两者的差值为12 V，即将Vmark设置为36 V，将Vspace设置为24 V。因此，主机发送电路的设计重点是如何实现12 V的电压调制，用Multisim设计发送电路的仿真电路如图2所示。

图2 发送电路仿真图

图2中的U1为三端稳压集成电路LM7824CT，Q1为P沟道增强型MOS管AOD409，Q2为三极管TIP41C，D1为肖特基二极管SS16T3G。LM7824CT的作用是将36 V输入电压转换为24 V电压输出，通过控制Q1和Q2的通断来实现电压信号的调制。当输入信号为高电平时，Q2和Q1先后导通，36 V电压经Q1输出，将输出信号电平变为高电平；当输入信号为低电平时，Q2和Q1先后截止，24 V电压经D1输出，将输出信号电平变为低电平。发送电路的仿真结果如图3所示，从仿真结果中可以看出，输出信号跟随者输入信号的变化而变化，与理论分析相符。

图3 发送电路仿真结果

3.2 主机接收电路设计与仿真

按照M-Bus总线的调制方式，当从机向主机发送数据时，逻辑“0”的总线电流比逻辑“1”的总线电流高11～20 mA。因此，主机接收电路的设计重点是如何实现11～20 mA的电流调制，用Multisim设计接收电路的仿真电路如图4所示。

图4 接收电路的仿真电路

图4中的M_Bus表示总线电流接口，AD_1表示模/数转换接口，DA_1表示数/模转换接口，RX_1表示调制后的信号输出，LM2903N为电压比较器。该电路的工作原理为：当主机接收从机发送的数据时，总线上的电流利用电阻R7进行采样，并将采样后的电压值连接到LM2903N的反相输入端，同时利用电阻R5和R6进行分压，把电阻R6两端的电压VR6经AD_1接入模/数转换电路，经过计算后可以得到R7两端的电压VR7，将电压VR7增加90 mV（逻辑“1”向逻辑“0”转换的阈值电压）后进行数/模转换，将转换后的电压VDA经DA_1连接到LM2903N的同相输入端，并将VDA作为基准电压。当主机接收从机电流脉冲序列时，逻辑“1”对应的VR71比VDA小，LM2903N输出RX_1为高电平；逻辑“0”对应的VR70要比逻辑“1”的电压VR71高110～200 mV，使VR70大于VDA，LM2903N输出RX_1为低电平，从而将总线上的电流脉冲序列转换为电压脉冲序列，实现M_Bus总线上的电流调制。

由于M_Bus总线静态电流为Imark×n）n为从机个数），假设总线上接有50个从机，则此时M-Bus的总线静态电流为75 mA，此时VR6=375mV，经过计算可以得到VR71=750 mV、VDA=840 mV。当总线上的某个从机发送逻辑“0”时，总线上的电流增加11～20 mA，使VR70变为860～950 mV，在此取VR70=860 mV，从而可以得到如图5所示的仿真电路，其仿真结果如图6所示。图6中的A表示M_Bus总线上的电流经采样电阻R7后的电压波形，B表示LM2903N的输出电压波形。从图6中可以看出，当M_Bus总线上的电流为 75 mA（逻辑“1”）时，LM2903N的输出电压为高电平；当M_Bus总线上的电流为86mA(逻辑“0”)时，LM2903N的输出电压为低电平。可见，电路仿真结果与理论分析相符。

图5 从机数量为50时的仿真电路

图6 从机数量为50时的仿真结果

需要指出的是，总线上的静态电流将跟随从机个数变化而变化，从而使基准电压发生改变，因此，不同从机个数对应的基准电压不同，以保证从机个数不同时读表数据的正确性。

3.3 主机保护电路设计与仿真

对于M-Bus总线来说，总线上的电流与从机数量有关，每增加一个从机，都会使总线电流增加，而主机电路的输出功率是有限的，当从机电路发生短路故障时，会使总线上的电流超过主机电路的负载能力，给主机电路造成损害[13]。因此，当总线上的电流过大时，要采取保护措施，同时给用户相应的提示。用Multisim设计保护电路的仿真电路如图7所示。

图7 保护电路的仿真电路

图7中的EN_R为保护使能信号，M_Bus_A表示发送电路的输出接口，M_Bus_B表示外部MBus总线的输出端口。当M-Bus总线上的电流过大时，EN_R变为高电平，三极管2N5551导通，继电器线圈得电，继电器常闭触点断开，使M-Bus发送电路断开与外部M-Bus总线的连接，外部MBus总线上电压为0V，与此同时，发光二极管LED1通电发光，提示用户M-Bus总线过载。EN_R为高电平的仿真结果如图8所示，电路仿真结果与理论分析相符。

图8 保护电路的仿真结果

4 结论

利用Multisim软件的电路仿真功能建立了M_Bus总线主机接口电路的电路模型，并对电路模型进行了仿真，得到的仿真结果与电路理论分析一致，设计的主机发送电路、主机接收电路符合M_Bus总线的调制方式。可见，利用Multisim软件对电路进行设计与仿真，能够直观、方便地对电路参数进行调整，有利于提高电路设计的工作效率，节约电路开发成本。