基于Multisim 的M-Bus 主机接口电路设计分析

张成斌

（甘肃省定西市临洮农业学校，甘肃定西，730500）

0 引言

现阶段计量仪表智能化已成为仪表研发设计领域的主流趋势，电子、信息技术应用进一步加快数据采集模式的远程控制及智能化转型。M-Bus 总线是一种适用于测量仪表设计的传输总线，基于无极性二线制模式进行接线安装，具有组网简化、布线简单、稳定性强、拓扑结构灵活等性能优势，被广泛应用于智能化抄表系统中。为缩短总线电路研发设计周期、节约开发成本、提高设计精度，拟引入Multisim 软件应用于总线主机接口电路设计与仿真分析环节，为电路开发设计领域提供有效借鉴经验。

1 研究基础

1.1 Multisim 软件

该软件是基于EWB 平台研发的一款电子设计自动化工具，提供一种集成化设计环境，基于SPICE 模拟器对电路行为进行仿真，支持实现对电路的高效检验，满足电子线路设计与仿真需求[1]。在软件功能实现上，该软件集成强大的电路元器件库，可提供多种仿真测试仪表功能与仿真分析方法，并运用电路原理图描述语言输入方式，为电路设计与仿真分析提供可靠工具支持。

1.2 M-Bus 总线原理

Bus 总线是一种主从式半双工传输总线，采用总线型拓扑结构，由主机、从机及连接电缆组成网络，基于电压调制（主机→从机）/电流调制（从机→主机）的方式实现BT数据的传输（其模型如图1 所示）[2]。其中在电压调制模式下，主机向从机发送逻辑“1”，此时主机的总线电压Vmark取值为22～42V；若主机向从机发送逻辑“0”，则总线电压Vspace≥12V，且Vmark-Vspace≥10V。在电流调制模式下，总线上的任一从机均带有静态电流Imark，由从机向主机发送逻辑“1”，此时从机的总线电流Imark取值约为1.5mA；若从机向主机发送逻辑“0”，在总线接口电路的影响下，从机的总线电流Ispace取值为Imark+11～20mA，此时设M-Bus总线上有n 个从机，则总线电流Ibus的计算公式为：

图1 M-Bus 总线传输模型

M-Bus 总线协议中明确规定，将总线处于空闲状态下的逻辑记为“1”，总线电压取值为Vmark，此时位于总线上的第n 个从机获取的电流值即从机电源记为Imark；当主机通过检测总线上从机获取的电流值范围11～20mA，确认由从机处接收的逻辑为“0”时，从机可通过检测总线电压Vmark与动态参考电压Vspace，当Vmark-Vspace≥10V 时，即确认接收的逻辑为“0”。

2 主机接口电路的改进设计

2.1 发送电路

已知原总线驱动电路的端口为信号输入端，当发送信号经输入端口进入电路中，通过控制N-MOS 晶体管的开关执行电压信号的切换操作，使用BUS+/-端口将发送信号输出至总线上；此时位于总线驱动电路上的控制信号端，将通过光电耦合器控制开关断开，用于切断总线电源[3]。基于MOS 晶体管的发送电路在输出驱动设计上，可在宽电压下实现高性能输出且结构简化，然而该电路利用光电耦合器与晶体管的栅极、源极进行直连，用于实现对两管上开关的控制，由此使得电路运行过程中易暴露出以下问题：（1）在两N-MOS 管处于导通状态时，源极电压将受漏极干扰，因此需在栅极处提供较高的正/负电压驱动电源；（2）发送电路通过控制光电耦合器使单N-MOS 管处于截止状态，用于切断总线电源输出，然而在此情况下将使负电压驱动电源接入，仍使发送电路保持通路；（3）电路中MOS 管未限制栅极电压，倘若两管间漏极、源极电压发生突变，将因极间电容耦合使栅极处形成尖峰电压，增加栅源氧化层被击穿的概率（改进驱动电路如图2 所示）。

图2 改进驱动电路示意图

利用Multisim 软件设计主机发送电路，需对原通用主机端发送电路结构进行改进。基于M-Bus 总线的电压/电流调制方式进行主线接口发送电路设计（如图3 所示），当主机向从机发送比特流数据时，逻辑“1”的电平与逻辑“0”的电平差值≥10V，此处通常将总线电压Vmark取值为36V、参考动态电压Vspace取值为24V，Vmark-Vspace=12V。在12V 电压调试模式的实现上，将原驱动电路N-MOS 管替换为增强型MOS 管Q1 和三极管Q2，采用三端稳压管U1将输入的总线电压Vmark转换为Vspace输出，通过控制MOS 管和三极管两开关的通断，完成电压信号调制。当输入电压信号为高电平时，依照先Q2、后Q1的顺序控制两管导通，经Q1 输出36V总线电压，输出高电平信号；当输入低电平信号时，同样依照先Q2、后Q1 的顺序控制两管截止，经D1 管输出24V 参考动态电压，输出低电平信号。

图3 发送电路改进设计图

2.2 接收电路

已知原主机接收电路在总线接口上设有采样电阻，其阻值≤40Ω，当电流信号从输入端经过采样电阻转换为电压信号时，其电压信号的分辨区间较小，难以保证接收电路具备良好的信号处理能力[4]。在原主机接收电路设计上，主要利用电容将转换后的高电平信号控制在电压比较器LM2903N 的反相端，将其设为门限电压，但该电压值易受二极管压降、电阻分压、电容放电等多因素影响，一定程度上削弱门限电压的信号值。在此模式下，倘若在总线上挂接的负载信号值发生变化，将使总线端口处接收的信号值出现改变，此时接收电路上其他参数均保持不变，由此削弱门限电压的适应性，影响实际通信质量。

基于此，拟参考M-Bus 总线的电流调制方式，利用Multisim 对原接收电路进行改进设计（如图4 所示），根据从机向主机发送比特流的原理，确认逻辑为“0”时的总线电流与逻辑为“1”时的总线电流差值≥11～20mA。在11～20mA 电流调制方式的实现上，已知M_Bus 为总线电流接口，AD_1、DA_1 分别为模/数和数/模转换接口，RX_1 为信号输出接口。当主机接收到任意一个从机发送的比特流时，利用总线上的电阻R7 执行电流采样处理，同时将采样后的电压连至比较器的反相输入端，借助电路中的R5、R6 两电阻进行分压处理，并将电压VR6通过模/数转换接口接入相应电路中，经转换电路运算获得电压VR7值；此时将电压VR7值增至90mV 后通过数/模转换接口接入相应电路中，经转换后的电压VDA接入比较器的同相输入端，确认为基准电压。当主机接收到从机的电流脉冲序列时，逻辑“1”的VR71＜VDA，比较器输出RX_1 为高电平；逻辑“0”的VR70-VR71＞110～200mV，由此推导出VR70＞VDA，比较器输出RX_1 为低电平，完成由电流脉冲序列向电压脉冲序列的转换，最终实现总线上11～20mA 的电流调制。

图4 接收电路改进设计图

2.3 保护电路

在M-Bus总线上电流值大小主要受从机数量n的影响，从机数量的增加将使总线上电流值呈同步增大趋势，但考虑到主机电路的输出功率存在一定区间限制，一旦从机电路上出现短路故障，将导致总线上产生的电流值大于主机电路原负载能力，造成主机电路烧毁、损坏等问题[5]。基于此，需引入保护电路发挥对总线上电流的抑制作用，将主机发送电路的输出端口设为M_Bus_A，外部总线输出端口设为M_Bus_B，保护电路如图5 所示。

图5 保护电路设计图

3 仿真结果及应用

3.1 仿真分析结果

3.1.1 发送电路

在仿真实验环节，以发送电路的驱动能力作为主要衡量指标，已知M-Bus 总线伴随其通信距离的延长，传输线上的负载电容/电感将对信号产生较大影响，因此为保证正常通信效果，需将总线通信速率适当下调。假设M-Bus 总线的通信距离为2km、通信速率为9600b/s，在从机数量保持n 不变的前提下观察发送电路的波形变化情况可知（如图6 所示），其输出波形变化稳定，说明发送电路的驱动能力较为理想，且在将电路电源完全切断后，可保证输出无信号响应。同时，观察其仿真分析结果可知，伴随发送电路中输入信号的动态变化，输出信号基本保持同步变化，与理论分析结果保持一致。

图6 发送电路仿真结果

3.1.2 接收电路

在仿真实验环节，已知在M-Bus 总线上的静态电流大小为n×Imark，假设总线上从机数量n取值为50 个，可初步计算出总线上的静态电流值为75mA，进而得出VR6、VR71以及VDA值分别为375mV、750mV 和840mV。当位于M-Bus总线上的某一从机向主机发送逻辑“0”，使总线上电流值增加11～20mA 时，VR70值为860mV。此时将仿真电路上电流经采样电阻后的电压波形变化结果A 与电压比较器输出的电压波形B 进行比较（如图7 所示），从中可以看出在逻辑“1”状态下，比较器输出高电平；在逻辑为“0”状态下，比较器输出低电平，与理论分析结果保持一致。在此基础上，还需明确M-Bus 总线上的从机数量n 将直接影响静态电流值的大小，使基准电压数值发生变化，由此保证在读表环节面向不同从机数量时读取数据结果的准确性。

图7 接收电路仿真结果

3.1.3 保护电路

在仿真实验环节，当总线上电流超出其负载值时，保护使能信号将转换为高电平，三极管导通、继电器得电，随后将继电器触点断开，中断发送电路与外部总线的连接，使外部总线上的电压值变为零；此时，电流将传递至发光二极管处，使其通电发光，用于提示总线发生过载故障（其仿真结果如图8 所示）。

图8 保护电路仿真结果

3.2 实际应用分析

3.2.1 工作原理

以某远程智能抄表系统的M-Bus 主机方案为例，为解决原抄表系统通信距离、总线上挂载从机数量受限的问题，将上述主机接口电路应用于智能抄表系统中，通过在主机、从机之间现场铺设M-Bus 总线作为通信线，同时兼作监测n 个从机的电源线，实现对原M-Bus 总线电路与通信网络的改进设计，用于保证室内主机、室外多个从机间实现正常的通信交互以及电源线、通信线的复用。

3.2.2 系统设计

选择在室外信号机周围部署n 个从机，在信号机械室内部署主机，基于一对总线进行主机与n 个从机的连接，并将上述M-Bus 总线主机接口电路连接方案应用于实际部署环节，利用报警总线实现双向信息交互，同时兼作从机的电源线为其供电，使从机从主机处获取工作电压。主机经AC-DC 模块输出220V 直流电，通过总线传递至各从机处，该直流电源挡位可调，需结合从机与信号室的间距进行直流供电电压的调节，保证为从机的正常运行提供工作电压。

在主机的M-Bus 总线方案部署上，通过主机的接口电路实现与总线、室外n 个从机的连接，并基于M-Bus 协议实现信息交互功能，向室外从机提供工作电源。选用M-Bus作为总线，基于主叫/应答方式建立通信连接，当主机发出询问指令后，由从机向主机进行比特流数据的传递。在主机各功能模块设计上，主要包含以下六个功能模块：（1）可控电源，基于主机CPU 控制电源模块的运行，执行比特流发送任务，主机可通过调节总线输出电压值实现比特流发送功能；（2）总线扩流，该模块支持提供附加驱动功能，根据可控电源模块的数据发送状态调节远程供电情况；（3）总线移位，基于逻辑“1”和“0”实现室内主机与室外从机的连接，支持对数据电压、电流输出情况建立实时监控，并兼用作其他模块的接口；（4）电流检测，支持对M-Bus总线电流进行实时监测，参考主机CPU 的比特流接收情况进行总线电流解码；（5）状态监测，支持对M-Bus 总线电压变化情况进行实时监测，判断主机总线上发生的故障情况；（6）匹配防护模块，将浪涌保护器、EMI 等部署在主机的接口处，用于维持电气平衡、实现保护电路功能。

在现场安装部署环节，在信号机械室内完成主机安装，随后在室外各信号变压器箱内完成从机的安装，并同步完成电流、电压各类传感器的部署，用于实现对电流、电压等信息的采集。基于改进后的发送电路、接收电路、保护电路以及M-Bus 总线通信协议运行上述网络系统，主机可同步接收室外各从机上传的报警信号及监测信息，同时反馈对室外各从机的监控结果、判断有无脱机问题，并且为各从机运行提供工作电源。在此基础上，基于嵌入式操作系统进行采集信号的分析与处理，计算出电流、电压等结果，用于判断仪表的工作状态；当仪表工作状态或采集的比特流出现异常值时，由从机将故障信息自动编辑并经接口发送至主机处，实现仪表控制的智能化。

3.2.3 应用效果

将上述系统的实际应用结果进行汇总可知，通过对原M-Bus 总线主机接口电路与通信协议进行改进设计后，可实现主机与多个从机间的信息交互功能，并支持通信、电源线缆的复用，有效简化电路结构、节约开发成本，且系统集成度强、可延长通信距离，现场设备安装及配置灵活性强，具备良好的应用及推广价值，满足智能仪表控制需要。

4 结论

通过运用Multisim 软件提供的强大仿真功能进行M-Bus 总线主机接口电路的设计与仿真实验，最终仿真结果证明与理论分析结果保持一致，且上述主机发送、接收与保护电路均能够满足总线的电流/电压调制模式，支持对电路中的关键参数进行灵活调节，进一步提升主机接口电路设计与运行效率，有效简化电路开发结构、保证运行稳定性，为同类电路开发设计提供良好示范经验。