HomeBUS载波通讯在多联空调系统中的研究与应用

李玉发 刘泉洲 张 争 叶铁英

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519000）

前言

随着智能家居和空调行业的发展，越来越多场合使用多联空调系统，多联空调内外机间、内机与内机间、内机与线控器间的通讯距离较远，要求长距离通讯可靠，且线控器一般由内机供电，因此，两线载波通讯的HomeBUS通讯方式被越来越多的多联空调系统所应用[1]。

1 HomeBUS载波通讯概述

HomeBUS是由日本提出的一种家庭总线系统，它能以电力载波的方式将差分信号加载到两根总线上，实现两根线同时供电和通讯[2]。HomeBUS总线上的通讯是以差分信号的方式传输，能很好抑制共模干扰，提高通讯可靠性，适合多联空调这种多节点、长距离通讯的系统。HomeBUS通讯总线只需要两根线，安装方便，且通讯是无极性的，工程安装无需担心接错线[3]。

2 基于MM1192的HomeBUS通讯方案

目前市场上的HomeBUS通讯方案多采用MM1192芯片，芯片结构图见图1。

图1 MM1192芯片结构

MM1192的工作原理：总线上的差分信号从Pin15、Pin16进入，经过芯片内部的Receiving Circuit（接收电路）将差分信号转化为数字信号，从Pin1输出给MCU；反之，MCU的控制信号从Pin6进入MM1192，通过芯片内部的Transmitting Circuit（发射电路）将数字信号转换为差分信号，从Pin9、Pin10输出。基于此工作原理，电路应用如图2所示。

图2 MM1192通讯方案电路

差分信号进入MM1192芯片后，是通过比较差分信号的差值与接收灵敏度（VRS）来进行信号转换。当差分信号的差值|VIN1-VIN2|＞VRS,则Pin1输出信号“0”，当|VIN1-VIN2|＜VRS，Pin1输出信号“1”[4]。在多联空调系统中，由于连接的内机台数多，且距离远，要保证长距离通讯的可靠性，就必须保证差分信号在进入MM1192芯片前的差值能够达到芯片接收灵敏度的识别范围。MM1192芯片的灵敏度在0.65～0.85 V间，如果总线上的信号直接进入芯片，总线上的干扰信号很容易造成信号误翻转，因此需要增加衰减电阻R1、R2来进行调节。

图4为HomeBUS差分信号翻转的电路示意图，从电路分析我们可以得出信号翻转阈值（VRIN）、衰减电阻阻值（RS）与接收灵敏度（VRS）三者之间的关系如下：

图3 MM1192接收灵敏度

图4 信号翻转电路图

式中：

VRIN—差分信号翻转阈值；

VRS—MM1192芯片接收灵敏度；

RS—外部串联衰减电阻；

Rin—MM1192芯片内部输入电阻。

由以上公式可知，我们可以通过调节衰减电阻的阻值RS来调节信号翻转阈值VRIN，只要设置VRIN的值小于总线上过来差分信号的差值|V1-V2|，并且大于总线上过来的干扰信号幅值，就能够保证通讯信号翻转的准确性。根据实际工作条件调节衰减电阻后，在多联空调系统中实测通讯距离单节点可超过1 000 m，16个节点250 m通讯无异常。

3 无差模电感HomeBUS通讯方案

现有的HomeBUS载波通讯中，总线既要供电又要传输数据，为了实现交流通讯信号与直流电源信号的有效隔离，需要在电路中增加差模电感进行隔离，防止电源信号与通讯信号相互干扰从而影响通讯质量，如图5所示。如果要提高隔离效果和增大负载电流，就必须要增加差模电感的感量跟负载电流，将导致差模电感体积增大，占用PCB大量布板面积，对于终端产品（譬如线控器）的小型化设计极为不利。

图5 得电端设备电路示意图

MAX22088芯片方案可以很好地解决上述问题。如图6所示，MAX22088芯片内部集成有源电感，有源电感的感量可以通过外置的电容CACT进行配置，配置关系如下：

图6 MAX22088芯片结构图（电源部分）

式中：

LACT—有源电感感量；

CACT—外置配置电容；

ILOAD—负载电流。

总线上的信号进入芯片后经过有源电感将通讯信号隔离，电源从Pin VRAW输出，供设备使用。芯片内部还集成一个5 V LDO模块，从有源电感出来的电源经过5 V LDO模块直接输出一路5 V/70 mA的电源。这样不仅省去了体积庞大的差模电感，还减少电源转换电路，有利于线控器的小型化设计。

除了内置有源电感和LDO模块，MAX22088在通讯信号的翻转方面与MM1192也存在差异。如图7所示，MAX22088存在两个信号翻转阈值：VTVT和VTVL，这两个阈值通过外置的电阻R1、R2、R3分压设置，对应关系如下：

图7 MAX22088通讯方案电路

式中：

VTVT—信号由“0”翻转为“1”的电压阈值；

VTVL—信号由“1”翻转为“0”的电压阈值；

R1，R2，R3—分压电阻；

VCC—芯片供电电压。

当差分信号差值|VIN1-VIN2|＞VTVL时，输出信号“0”，当差值|VIN1-VIN2|＜VTVT时，输出信号“1”。信号翻转示意图如图8。

图8 信号翻转示意图

4 HomeBUS通讯编码方式

HomeBUS信号在总线上以差分信号的形式进行传输，从芯片输出的信号“0”有“0+”和“0-”两种形式。由于总线上的通讯信号进来都要经过去耦电容，如果长时间输出 “0+”或者“0-”信号，会在去耦电容上累积直流分量，造成通讯质量下降，因此信号发送时“0+”和“0-”信号需要交替发送，如图9所示。

图9 信号发送时序图

HomeBUS通讯采用AMI编码方式：正负电平占空比为50 %的方波编码方式，将信号“0”拆分为“01”，信号“1”拆分为“11”，这样就可以避免连续输出信号“0”，保证通讯质量。

5 两种HomeBUS通讯方案对比

基于MM1192的HomeBUS通讯方案具有稳定性高、通讯可靠等优点，外部衰减电阻可以调节差分信号的翻转阈值，能根据不同使用环境灵活调节；另外MM1192芯片驱动能力强，在多节点通讯网络中，即使出现多台设备意外掉电，总线通讯波形也不会明显跌落，使得其他设备可以正常通讯。但是在实现载波通讯时，需要使用体积庞大的差模电感进行信号隔离，对体积较小的产品PCB不仅很不友好，也增加物料成本。

基于MAX22088的HomeBUS通讯方案弥补了这一缺陷，芯片内部集成有源电感，实现电源信号与通讯信号隔离的同时输出一路5 V/70 mA的电源，不仅省去差模电感，还减少电源转换电路。但是MAX22088的电源输出能力不强，所以芯片还设计了一路从有源电感出来的电源，输出电流高达200 mA,可满足大部分场景使用。另外，MAX22088还使用了双阈值信号翻转，进一步降低信号误翻转概率。

6 结语

本文研究了传统的HomeBUS通讯电路和无差模电感的HomeBUS通讯电路的工作原理，基于MM1192的HomeBUS通讯方案可以实现两线载波无极性通讯，应用在多联空调系统上可以保证长距离通讯可靠性，方便工程接线，节省成本，但是电路需要用体积庞大的差模电感将通讯信号与电源信号隔离[5]。基于MAX22088的HomeBUS通讯方案芯片内部集成有源电感，可以取消得电端设备电路上的差模电感[6]，有利于线控器等终端产品小型化设计，缺点是芯片供电能力不强。可以根据实际情况选择合适的HomeBUS通讯方案。