USB接口便攜式M-BUS抄表儀的設(shè)計

摘要：M—BUS總線集中抄表系統(tǒng)中，M—BUS主站電路通常集成在集中器中，集中器體積大，功能復(fù)雜，成本高，并且需要接入220V電源才能正常工作，在開發(fā)、現(xiàn)場調(diào)試和運營維護過程中很不方便。我們提出了一種由PC機USB接口提供電源便攜式M—BUS抄表儀。實現(xiàn)了USB升壓轉(zhuǎn)換、電壓調(diào)制、電流解調(diào)功能，同時具有USB通信電壓接口電平轉(zhuǎn)換功能，該方案具有體積小、成本低廉、攜帶方便、USB供電等優(yōu)點
關(guān)鍵詞：集中抄表系統(tǒng)；M—BUS總線；抄表儀；便攜

    集中抄表系統(tǒng)(Automatic Meter Reading——AMR)是指采用通訊和計算機網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，通過專用設(shè)備自動讀取和處理電表、水表、氣表計量數(shù)據(jù)的過程。
    計量儀表與抄表主機的通訊方式(下段信道)是自動抄表系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。常用的下段信道有電力線載波、有線(總線)、無線(RFID)等方式。
    總線抄表方式技術(shù)成熟、穩(wěn)定、簡單，在通訊信道正常情況下，可以實現(xiàn)實時通訊，是用戶廣泛采用的一種集中抄表系統(tǒng)。
    M—BUS總線又叫Meter-Bus通用儀表總線，采用歐洲標準的2線制總線，是一種專門為測量儀器和計數(shù)器傳送信息而設(shè)計的數(shù)據(jù)總線，也是專門用于遠程抄表的一種高可靠性、高速、廉價的家用電子系統(tǒng)的歐洲總線標準。2004年，建設(shè)部引進該標準并轉(zhuǎn)化為行業(yè)標準，標準號為CJ／T 188—2004，標準名稱為《戶用計量儀表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件》，該標準對M—BUS總線的電氣接口參數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸方式做出了詳細規(guī)定。
    M—BUS總線可同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和遠端供電，存非電量能源計量儀表如水表、燃氣表、熱量表等集中抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。
    為解決M—BUS總線通訊信道易受人為、大范圍損壞，損壞后故障排除困難、恢復(fù)時間長、信道后續(xù)運營維護維護量大等問題，我們開發(fā)了便攜式M—BUS抄表儀。
    便攜式M—BUS抄表儀與筆記本計算機可組成移動抄表平臺，可集中記錄數(shù)據(jù)并保存在筆記本計算機中，再由工作人員攜帶到機房后傳輸給管理中心計算機。也可采集一只或一組獨立工作的表計的耗能數(shù)據(jù)，可方便的進行系統(tǒng)開發(fā)或現(xiàn)場調(diào)試及故障排查。
    綜合考慮計算機USB接口的驅(qū)動能力和M—BUS總線的特點及實現(xiàn)難度，我們確定便攜式M—BUS抄表儀的技術(shù)指標如下：總線電壓30V，電流驅(qū)動能力是100mA，最多可同時驅(qū)動35只表。

1 主要原理
1．1 集中抄表系統(tǒng)原理
    集中抄表系統(tǒng)是一個三層的網(wǎng)路系統(tǒng)，由上層、中間層和底層組成。主站軟件位于系統(tǒng)的最上層，集中器和采集器構(gòu)成系統(tǒng)的中間層、智能計量終端是系統(tǒng)的底層。主站軟件實現(xiàn)主站調(diào)度、數(shù)據(jù)采集與管理、報表結(jié)箅等功能；集中器和采集器實現(xiàn)上下行通信鏈路轉(zhuǎn)換；智能計量終端(采集點監(jiān)測設(shè)備)提供計量和本地通信功能，并響應(yīng)上位機的指令。
    集中抄表系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

    在這個系統(tǒng)中，PC機是主站，主站軟件可以由多個模塊組成，圖中列舉了主站調(diào)度系統(tǒng)、用水信息采集與管理系統(tǒng)及其它支持系統(tǒng)三個模塊。集中器和便攜式抄表儀(即采集器)構(gòu)成通信系統(tǒng)的中間層，采集點監(jiān)測設(shè)備是通信系統(tǒng)的底層。主站和便攜式M—BUS采集器通過USB接口建立遠程通信網(wǎng)絡(luò)，M—BUS總線作為本地通信網(wǎng)絡(luò)。主站、便攜式M—BUS采集器和采集點臨測設(shè)備(從機)構(gòu)成一個主從通信系統(tǒng)。每次通信都是由主機發(fā)起，主站存規(guī)定時間內(nèi)收到從機正確應(yīng)答標志著成功完成一次通信，否則通信失敗。
    作為本地通信網(wǎng)絡(luò)，M—BUS總線有如下特點：
    (1)數(shù)據(jù)從集中器(或中繼器)向計量終端傳輸時，使用總線電壓調(diào)制傳輸數(shù)據(jù)，而總線電流保持恒定。
    (2)數(shù)據(jù)從計量終端向集中器(或中繼器)傳輸時，使用總線電流調(diào)制傳輸數(shù)據(jù)，而總線電壓保持恒定。
    因為數(shù)據(jù)傳輸調(diào)制方式不同，保證了計量終端之間不會互相通信。其數(shù)據(jù)傳輸如圖2所示。

    (3)遠端供電
    當總線有電時，終端從總線取電，總線可以為每個終端提供3.3V穩(wěn)壓電源，每個終端消耗總線電流不大于3mA。
    (4)支持多種拓樸結(jié)構(gòu)
    可采用任意總線拓撲結(jié)構(gòu)，如星型、樹型等。
    E、支持總線連接方式
    總線使用普通雙絞，極性可以互換
1．2 抄表儀原理
    根據(jù)MBUS總線的特點，USB接口便攜式M—BUS抄表儀(以下簡稱抄表儀)需要3路電源，一路是系統(tǒng)電源，一路是總線低電壓(傳號電壓)，另一路是總線調(diào)制電壓(空號電壓-傳號電壓)；另外還包括電流解調(diào)電路和USB轉(zhuǎn)換電路等。原理框圖設(shè)計如圖3所示。

    在這個設(shè)計中，下行發(fā)送的數(shù)據(jù)和電源都來自于主站USB接口，解調(diào)完成后的上行數(shù)據(jù)也經(jīng)過USB接口送給主站。
    待發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)主站USB接口送給抄表儀的發(fā)送控制電路，發(fā)送控制電路實現(xiàn)電壓調(diào)制。從機(采集點監(jiān)測設(shè)備)以電流調(diào)制方式應(yīng)答，抄表儀的接收電路對電流調(diào)制信號進行解調(diào)，解調(diào)完成后的數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口送給主站，由主站進行數(shù)據(jù)判別和解析。
    在前面的論述中，我們知道M—BUS接口下行是電壓調(diào)制方式，也就是說傳號電壓和空號電壓是不相等的，加上系統(tǒng)電源，這個抄表儀需要3路電源，即空號電源H，傳號電源L和系統(tǒng)電源VCC。
    根據(jù)相關(guān)標準和從機接收特性，總線傳號電壓應(yīng)該大于12V，總線空號電壓應(yīng)該比空號電壓高10V以上。兼顧便攜式M—BUS采集器的通信可靠性和電源設(shè)計難度，我們選擇傳號電壓為18V，空號電壓為30V。
    通用USB端口的電源供給能力為5W，升壓型開關(guān)電源的效率估計為70％。則便攜式M—BUS采集器的總線輸出電流為3．5W／30V=110mA。
    一個M—BUS終端消耗電流不大于3mA，不考慮總線壓降，則便攜式M—BUS采集器可以外接35個終端。

2 主要電路原理
2．1 USB串口轉(zhuǎn)換電路
    選用美國FTDI公司的FT232R實現(xiàn)USB串口轉(zhuǎn)換功能。
    FT232R是單片USB轉(zhuǎn)異步串行通信接口芯片，內(nèi)嵌USB協(xié)議棧，無需編寫USB程序固件。UART接口支持7或8比特數(shù)據(jù)，1位或2位停止位，奇、偶或無校驗；通信波特率從300bps-3Mbps；內(nèi)置256bvte接收緩存和128byte發(fā)送緩存；內(nèi)部集成了1024Bit EEPROM用來存儲USB VID、PID、編號及產(chǎn)品字符等；每個器件都有唯一的USB序列號；支持USB掛起和釋放；支持USB供電、自主供電和總線供電；為便于與USB接口匹配，內(nèi)部集成了3．3V電平轉(zhuǎn)換器；集成了1．8V-5V邏輯電平轉(zhuǎn)換器，可方便的與UART接口匹配；支持5V／3．3V／2．8V／1．8VCOMS電平輸出或TTL電平輸入；集成了上電復(fù)位電路；全內(nèi)部時鐘，不需要外部振蕩器；集成了模擬電源濾波器，不需要模擬電源輸入；3．3V-5．25V單電源工作；-40℃-85℃工業(yè)級工作溫度范圍。
    使用FT232R實現(xiàn)USB串口轉(zhuǎn)換的原理電路圖如圖4所示。圖中，U1是USB串口轉(zhuǎn)換器，CN101是計算機的USB接口，J2可接外部電源適配器，以進一步提高便攜式M—BUS抄表儀的帶載能力。

    這個電路結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。也可與其它電路一起構(gòu)成USB-485接口轉(zhuǎn)換器或USB-232接口轉(zhuǎn)換器。為低速串行通信提供了一個可靠的USB解決方案。
2．2 電源電路
    總線電源有兩路(見圖5)，一路產(chǎn)生傳號電壓，另一路產(chǎn)生空號電壓，由串口直接對總線電壓進行基帶調(diào)制。圖中選用了NS的LM2733產(chǎn)生兩路總線電壓。另外，時基電路、放大器和比較器的電源直接由USB電源供給。

    LM2733為Boost型開關(guān)穩(wěn)壓器，輸入電壓范圍2．7-14V，開關(guān)頻率有600kHz和1．6MHz兩種，內(nèi)部集成了40V／1A的MOSFET，封裝為SOT23-5，還有SHDN管腳，可方便的進行小型化設(shè)計和關(guān)斷控制。從主機USB接口得到的5V電源作為輸入電源，分別進行BOOST變換后，升壓到18V和30V，用作總線傳號電壓和空號電壓。
2．3 發(fā)送和保護電路
    發(fā)送電路完成電壓調(diào)制功能如圖6所示。主機無信號發(fā)出時，LocalHostTXD為高電平，三極管VT1、VT2、VT3導(dǎo)通，場效應(yīng)管VT7導(dǎo)通，VT9截止，總線輸出電壓為30V (空號電壓)；主機有信號發(fā)出時，LocalHostTXD為低電平，三極管VT1截止，場效應(yīng)管VT9柵極被拉高，VT9導(dǎo)通，VT7截止，總線電壓變?yōu)?8V (傳號電壓)。

    場效應(yīng)管VT8和555時基電路及采樣電阻R58和比較器U8B一起構(gòu)成了過電流保護電路如圖7所示，根據(jù)設(shè)備電源功率可調(diào)整保護電路閾值。當總線電流大于閾值時，保護電路動作，切斷總線輸出并延時一段時間后恢復(fù)總線輸出。如此反復(fù)，確保發(fā)送電路不會損壞保護電路中，調(diào)節(jié)電流采樣電阻即可調(diào)整保護電流，調(diào)節(jié)C12的電容值便可獲得不同的延時時間。

2．4 接收電路
    接收解調(diào)電路，如圖8所示由采樣電阻R58、積分放大器U7A、U7B和比較器U8A組成。積分放大器負責檢測總線中的小電流變化和信號放大，比較器進行閾值判別，判別后的值直接作為解調(diào)信號直接送給電平轉(zhuǎn)換器輸出給主機。

3 結(jié)束語
    該設(shè)計實現(xiàn)了預(yù)定的設(shè)計目標，具有功能可靠，外圍器件少，使用簡單、攜帶方便等特點，并且硬件成本低廉，增強了應(yīng)用的方便性該設(shè)計與智能計量終端和主站軟件一起構(gòu)成的集中抄表系統(tǒng)具有遠程自動抄收、實時結(jié)算、價格變更、計量收費、實時監(jiān)測、通斷控制等各種人性化管理服務(wù)功能，具有極大的可持續(xù)發(fā)展性?？梢员Ｕ祥L遠的、穩(wěn)定的、可靠的服務(wù)。
    該產(chǎn)品符合CJ／T 188—2004《戶用計量儀表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件》的物理接口要求。
    該設(shè)計僅實現(xiàn)了便攜式設(shè)計和接口轉(zhuǎn)換功能，無規(guī)約管理功能、所以可配合不同的主站軟件用于多種不同規(guī)約的M—BUS接口的相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)測試和運行維護領(lǐng)域。
    目前，該產(chǎn)品已經(jīng)小批量生產(chǎn)了100臺，并交付用戶使用，得到了用戶的認可和好評。