阅读说明：本技术 具有光电隔离功能的智能m-bus主机电路及控制方法 (Intelligent M-BUS host circuit with photoelectric isolation function and control method ) 是由 罗晓霞 杨伯菊 吴刚 于 2020-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明属于通讯技术领域,公开了一种具有光电隔离功能的智能M-BUS主机电路及控制方法,主机发送电路采用锂电池供电,通过调节升压DC-DC的输出电平实现总线数据发送；主机接收电路利用PWM调制电路,动态调节主机接收特性,用以适应不同类型从机的电气特性；后端采用运放比较器的方式,用以从机信号的接收解调；总线状态采集电路通过采样电阻将总线电流转换为电压信号,信号再通过压频转换电路转换为脉冲信号,经信号隔离电路传输到主控单元。本发明能够有效解决现有M-BUS主机电路从机数量较少时动态响应较差问题,同时智能动态调节M-BUS接收特性,适应现场多种类型从机的脉冲电流。(The invention belongs to the technical field of communication, and discloses an intelligent M-BUS host circuit with a photoelectric isolation function and a control method thereof.A host sending circuit adopts a lithium battery for power supply, and realizes BUS data sending by adjusting the output level of a boosted DC-DC; the host receiving circuit dynamically adjusts the host receiving characteristic by using the PWM (pulse width modulation) circuit so as to adapt to the electrical characteristics of different types of slave machines; the rear end adopts an operational amplifier comparator mode and is used for receiving and demodulating signals of the slave machine; the bus state acquisition circuit converts bus current into a voltage signal through the sampling resistor, and the signal is converted into a pulse signal through the voltage-frequency conversion circuit and is transmitted to the main control unit through the signal isolation circuit. The invention can effectively solve the problem of poor dynamic response when the number of the slave machines of the existing M-BUS host circuit is small, and simultaneously, the receiving characteristic of the M-BUS is intelligently and dynamically adjusted, thereby being suitable for the pulse current of various slave machines on site.)

具有光电隔离功能的智能M-BUS主机电路及控制方法

技术领域

本发明属于通讯技术领域，尤其涉及一种具有光电隔离功能的智能M-BUS主机电路及控制方法。

背景技术

目前，为了促进国家“智慧城市”的发展，利用目前已有的信道资源，构建“水、电、气、热”四表自动采集应用系统成为重点任务，M-BUS作为一种主从半双工通讯系统，具有成本低、供电方便、无极性、传输距离远等优点广泛应用在水表、气表、热表的抄读中。

现有的M-BUS主机收发控制电路主要采用36V或12V供电，一般需要交流供电才能实现。既有建筑的表计安装位置距离楼栋较远、较分散，越来越多的数据采集设备选用电池供电方案，同时传统的M-BUS主机电路对从机数量、状态等参数无法感知，无法满足日益智能化的抄表需求。同时因为现场M-BUS从机的电气特性的差异性，导致现有电路无法满足从机多样性的要求。因此可以采用锂电池供电、更智能、适应性更强的M-BUS主机电路需求愈发明显。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)传统的M-BUS主机电路对从机数量、状态等参数无法感知，无法满足日益智能化的抄表需求。

(2)传统的M-BUS从机的电气特性的差异性，导致现有电路无法满足从机多样性的要求。

解决以上问题及缺陷的难度为：目前现有的M-BUS主机电路根据标准从机的电气特性设计，而市场上大量存在非标准的从机，导致通信失败。且无法量化M-BUS总线电流。当前的M-BUS主机发送电路分为两种，一种采用双电源实现总线电平的调节，但其成本高、结构复杂、可靠性较差，应用较少；另外一种采用单电源，使用LDO调节总线电压，因LDO特性，当总线电平由高变低时，动态响应变差，特别是负载较轻时，尤为明显，因此只能增加最小负载的方式来解决，效率不高，特别是由电池供电时，间接缩短电池寿命。

解决以上问题及缺陷的意义为：本发明可以智能识别从机的电气特性，调节接收阈值，提高了电路的动态响应特性，大大增加了电路的适应性，提高了抄收的成功率与能量转换效率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有光电隔离功能的智能M-BUS主机电路及控制方法。

本发明是这样实现的，一种具有光电隔离功能的智能M-BUS主机电路控制方法，所述具有光电隔离功能的智能M-BUS主机电路控制方法包括：

M-BUS主机发送电路采用锂电池供电，通过调节升压DC-DC的输出电平实现总线数据发送；

M-BUS主机接收电路利用PWM调制电路，动态调节M-BUS主机接收特性，用以适应不同类型M-BUS从机的电气特性；后端采用运放比较器的方式，用以M-BUS从机信号的接收解调；

M-BUS总线状态采集电路通过采样电阻将M-BUS总线电流转换为电压信号，信号再通过压频转换电路转换为脉冲信号，经信号隔离电路传输到主控单元；信号隔离电路采用光耦将通信侧和系统侧全完隔离；

主控单元根据信号的频率，采集M-BUS总线的精确电流值和变化情况，对过流、线路断线、从机功耗异常等问题进行研判。

进一步，所述M-BUS主机发送电路到从机的下行数据通过控制总线电平实现，具体过程如下：

当MBUS_TX发送高电平时，三极管Q2导通，电阻R2和R3并联，升压DC-DCU1输出电压为

其中，V_REF为升压DC-DC的参考电压；

此时由于D2肖特基二极管的管压降，使Q1的基极电压高于射极电压，Q1不导通，M-BUS总线输出电压为V_mark-V_diode1，V_diode1为二极管D2的正向导通压降；

当MBUS_TX发送低电平时，三极管Q2截止，R2结束与R3并联，使U1升压DC-DC输出电压变为

此时由于C2及总线的等效电容的存在，使得D2的负极电压高于正极电压，D2暂时截止，同时Q1的射极电压高于基极电压，使Q1导通，电容C2及总线的等效电容的电压通过三极管Q1、电阻R5快速泄放到地，直到三极管Q1关断，D2再次导通，M-BUS总线输出电压为V_space-V_diode2，V_diode2为二极管D2的正向导通压降。

进一步，所述M-BUS主机接收电路实现过程如下：

从机发送数据通过电流调制实现，总线从机节点正常工作消耗的负载电流I_mark为逻辑“1”,此时R14将I_mark电流信号转化为电压信号V_imark＝R14*I_mark，并通过R13连接到U2运放的反相端；

当发送逻辑“0”时，节点会额外从M-BUS总线吸取10-20mA的脉冲电流，形成I_space，使得U2运放的反相端的电压变为V_ispace＝R14*I_space；

主控芯片发送一定频率、脉宽可调的脉冲信号，经光耦隔离后连接到U3的正相端，VCC_MBUS经过R21和R22的分压连接到U3反相端，使运放反相端电压为1/2的VCC_MBUS，运放U3的1脚会输出一个与3脚同频、同相的脉冲信号，并经过R9、R10、R11、C3、C4、C5组成的三级滤波的形成参比电压V_R，其大小为VCC_MBUS*脉冲信号占空比，通过R8输入U2运放的同相端；根据实际情况，调整脉冲信号的占空比，使V_imark<V_R<V_ispace；

当总线电流为I_mark时，运放同相端电压V_R大于反相端V_imark，运放1脚输出高电平；

当总线电流为I_space时，运放同相端电压V_R小于反相端V_ispace，运放1脚输出低电平，运放1脚输出的电平通过驱动信号隔离电路,实现数据的接收。

进一步，所述M-BUS总线被从机吸取脉冲电流从5mA至70mA不等，由于状态采集电路的存在，智能采集从机回复数据“0”时的脉冲电流的增加值，主控芯片根据脉冲电流的增加值智能调节脉冲信号的占空比，调整V_R的幅值。

进一步，所述状态采集电路实现过程为：

当M-BUS总线开始输出以后，通过M-BUS主机接收电路中的R14将从机静态工作电流转化为电压信号V_imark，连接至压频转换模块的输入管脚，将电压信号转化为相应的频率信号，并将其与O1光耦的1管脚相连，将频率信号传输至光耦后端，R15为上拉电阻；

主控芯片通过采集脉冲信号的频率及压频转换比例K，得到总线静态消耗的电流值I_mark；

通过分析此电流值，结合采集终端内部采集从机的总数a，推算出每个从机静态消耗的电流I₁＝I_mark/a。

进一步，所述当I_mark异常减少时，结合抄表情况，推断出从机损坏或线路异常；

当I_mark异常增大时，结合判定阈值，推断出从机老化或者短路过流。

进一步，所述主控芯片发送MBUS_PWM_S驱动光耦形成MBUS-PWM，主控芯片发送MBUS_TX_S驱动光耦形成MBUS_TX,MBUS总线接收信号MBUS_RX驱动光耦形成MBUS_RX_S。

本发明另一目的在于提供一种实施所述的具有光电隔离功能的智能M-BUS主机电路控制方法的具有光电隔离功能的智能M-BUS主机电路，所述具有光电隔离功能的智能M-BUS主机电路包括：M-BUS主机发送电路、M-BUS主机接收电路、M-BUS总线状态采集电路、信号隔离电路和主控单元；

主控单元与信号隔离电路连接，信号隔离电路分别与M-BUS主机发送电路、M-BUS总线状态采集电路和M-BUS主机接收电路连接，M-BUS主机发送电路、M-BUS总线状态采集电路和M-BUS主机接收电路分别与M-BUS总线连接。

进一步，所述M-BUS主机发送电路包括：U1-升压DC-DC、Q1-PNP三极管、Q2-NPN三极管、D1、D2-肖特基二极管和阻容件；

M-BUS主机接收电路包括：U2、U3-运放和阻容件。

进一步，所述状态采集电路由压频转换模块构成，信号隔离电路包括：O1、O2、O3、O4-光耦和阻容件。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明通过M-BUS主机发送电路，实现了M-BUS总线高电平到低电平的快速跳变，解决了M-BUS总线从机数量较少时，总线低电平响应较差的问题；通过M-BUS主机接收电路，可以智能调节M-BUS接收特性，用以适应现场多种类型从机的脉冲电流；通过对市面上现有不同M-BUS从机的测试，电气特性如表1所示。因此，现有M-BUS电路只能与从机1、从机2、从机4通信，本发明则可以与表中的所有从机通信。

表1 M-BUS表计电气特性

状态采集电路不仅可以为智能动态调节M-BUS接收特性提供数据支撑，还可以智能研判总线异常，提高采集的可靠性、智能性。主控芯片发送MBUS_PWM_S驱动光耦形成MBUS-PWM，主控芯片发送MBUS_TX_S驱动光耦形成MBUS_TX,MBUS总线接收信号MBUS_RX驱动光耦形成MBUS_RX_S。信号隔离电路可以有效保护系统侧电路，提高抗干扰能力，提高运行稳定性。本发明通过压频转换电路，实时采集M-BUS总线电流值及变化趋势，可研判总线各种异常状态，同时实现了通信侧与系统侧的隔离，提高了系统的抗干扰能力。

同时本发明可使用锂电池3.6v供电，通过光耦来隔离通信侧和系统侧，具有较强的抗干扰能力。可以实时采集M-BUS总线状态，并动态调节M-BUS主机接收特性，以适应现场不同M-BUS从机的电气特性，同时本发明具有更好的动态响应能力，对于单从机采集或多从机采集均有良好的适应性，提高了采集的可靠性和准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的具有光电隔离功能的智能M-BUS主机电路示意图。

图1中：1、主控单元；2、信号隔离电路；3、M-BUS主机发送电路；4、M-BUS总线状态采集电路；5、M-BUS主机接收电路；6、M-BUS总线。

图2是本发明实施例提供的M-BUS主机发送电路示意图。

图3是本发明实施例提供的M-BUS主机接收电路示意图。

图4是本发明实施例提供的总线状态采集电路与信号隔离电路示意图。

图5是本发明实施例提供的传统M-BUS主机电路轻载时电平波形图。

图6是本发明实施例提供的电路轻载时电平波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有光电隔离功能的智能M-BUS主机电路及控制方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的具有光电隔离功能的智能M-BUS主机电路包括：

M-BUS主机发送电路3、M-BUS主机接收电路5、M-BUS总线状态采集电路4与信号隔离电路2和主控单元1。

主控单元1与信号隔离电路2连接，信号隔离电路2分别与M-BUS主机发送电路3、M-BUS总线状态采集电路4和M-BUS主机接收电路5连接，M-BUS主机发送电路3、M-BUS总线状态采集电路4和M-BUS主机接收电路5分别与M-BUS总线6连接。

本发明实施例提供的M-BUS主机发送电路包括：U1-升压DC-DC、Q1-PNP三极管、Q2-NPN三极管，D1、D2-肖特基二极管和部分阻容件构成。

本发明实施例提供的M-BUS主机接收电路包括：U2、U3-运放和部分阻容件构成。

本发明实施例提供的状态采集电路包括：压频转换模块构成，信号隔离电路由O1、O2、O3、O4-光耦和部分阻容件。

本发明实施例提供的具有光电隔离功能的智能M-BUS主机电路控制方法，包括：

M-BUS主机发送电路3采用锂电池供电，通过调节升压DC-DC的输出电平实现总线数据发送。

M-BUS主机接收电路5利用PWM调制电路，动态调节M-BUS主机接收特性，用以适应不同类型M-BUS从机的电气特性；后端采用运放比较器的方式，用以M-BUS从机信号的接收解调。

M-BUS总线状态采集电路4通过采样电阻将M-BUS总线电流转换为电压信号，信号再通过压频转换电路转换为脉冲信号，经信号隔离电路传输到主控单元；信号隔离电路采2用光耦将通信侧和系统侧全完隔离，提高系统的抗干扰能力。

主控单元根据信号的频率，采集M-BUS总线的精确电流值和变化情况，对过流、线路断线、从机功耗异常等问题进行研判。

如图2所示，本发明实施例提供的M-BUS主机到从机的下行数据通过控制总线电平实现，具体过程如下：

当MBUS_TX发送高电平时，三极管Q2导通，电阻R2和R3并联，升压DC-DCU1输出电压为其中V_REF为升压DC-DC的参考电压；此时由于D2肖特基二极管的管压降，使Q1的基极电压高于射极电压，Q1不导通，M-BUS总线输出电压为V_mark-V_diode1，V_diode1为二极管D2的正向导通压降。当MBUS_TX发送低电平时，三极管Q2截止，R2结束与R3并联，使U1升压DC-DC输出电压变为

此时由于C2及总线的等效电容的存在，使得D2的负极电压高于正极电压，D2暂时截止，同时Q1的射极电压高于基极电压，使Q1导通，电容C2及总线的等效电容的电压通过三极管Q1、电阻R5快速泄放到地，直到三极管Q1关断，D2再次导通，M-BUS总线输出电压为V_space-V_diode2，V_diode2为二极管D2的正向导通压降。实现了M-BUS总线高电平到低电平的快速跳变，解决了M-BUS总线从机数量较少时，总线低电平响应较差的问题。

如图3所示，本发明实施例提供的M-BUS主机接收电路实现过程如下：从机发送数据通过电流调制实现，总线从机节点正常工作消耗的负载电流I_mark为逻辑“1”,此时R14将I_mark电流信号转化为电压信号V_imark＝R14*I_mark，并通过R13连接到U2运放的反相端，当发送逻辑“0”时，节点会额外从M-BUS总线吸取10-20mA的脉冲电流，形成I_space，使得U2运放的反相端的电压变为V_ispace＝R14*I_space。主控芯片发送一定频率、脉宽可调的脉冲信号，经光耦隔离后连接到U3的正相端，VCC_MBUS经过R21和R22的分压连接到U3反相端，使运放反相端电压为1/2的VCC_MBUS，因此运放U3的1脚会输出一个与3脚同频、同相的脉冲信号，并经过R9、R10、R11、C3、C4、C5组成的三级滤波的形成参比电压V_R，其大小为VCC_MBUS*脉冲信号占空比，通过R8输入U2运放的同相端,可根据实际情况，调整脉冲信号的占空比，使V_imark<V_R<V_ispace，因此当总线电流为I_mark时，运放同相端电压V_R大于反相端V_imark，运放1脚输出高电平，当总线电流为I_space时，运放同相端电压V_R小于反相端V_ispace，运放1脚输出低电平，运放1脚输出的电平通过驱动信号隔离电路,实现数据的接收。市面上现存的从机电气性能各不相同，从M-BUS总线吸取脉冲电流从5mA至70mA不等，由于状态采集电路的存在，可以智能采集从机回复数据“0”时的脉冲电流的增加值，主控芯片根据脉冲电流的增加值智能调节脉冲信号的占空比，调整V_R的幅值，因此获得了更好的适应性。

如图4所示，本发明实施例提供的状态采集电路实现过程为：当M-BUS总线开始输出以后，通过M-BUS主机接收电路中的R14将从机静态工作电流转化为电压信号V_imark，连接至压频转换模块的输入管脚，将电压信号转化为相应的频率信号，并将其与O1光耦的1管脚相连，将频率信号传输至光耦后端，R15为上拉电阻。主控芯片通过采集脉冲信号的频率及压频转换比例K，便可以得到总线静态消耗的电流值I_mark，通过分析此电流值，结合采集终端内部采集从机的总数a，可以推算出每个从机静态消耗的电流I₁＝I_mark/a，当I_mark异常减少时，结合抄表情况，可以推断出从机损坏或线路异常，当I_mark异常增大时，可以结合判定阈值，推断出从机老化或者短路过流。状态采集电路不仅可以为智能动态调节M-BUS接收特性提供数据支撑，还可以智能研判总线异常，提高采集的可靠性、智能性。主控芯片发送MBUS_PWM_S驱动光耦形成MBUS-PWM，主控芯片发送MBUS_TX_S驱动光耦形成MBUS_TX,MBUS总线接收信号MBUS_RX驱动光耦形成MBUS_RX_S。信号隔离电路可以有效保护系统侧电路，提高抗干扰能力，提高运行稳定性。

本发明的工作原理为：M-BUS主机发送电路3采用锂电池供电，通过调节升压DC-DC的输出电平实现总线数据发送。M-BUS主机接收电路5利用PWM调制电路，动态调节M-BUS主机接收特性，用以适应不同类型M-BUS从机的电气特性；后端采用运放比较器的方式，用以M-BUS从机信号的接收解调。M-BUS总线状态采集电路4通过采样电阻将M-BUS总线电流转换为电压信号，信号再通过压频转换电路转换为脉冲信号，经信号隔离电路传输到主控单元；信号隔离电路采2用光耦将通信侧和系统侧全完隔离，提高系统的抗干扰能力。主控单元1根据信号的频率，采集M-BUS总线的精确电流值和变化情况，对过流、线路断线、从机功耗异常等问题进行研判。

本发明中的M-BUS主机发送电路可采用锂电池供电，通过调节升压DC-DC的输出电平实现总线数据的发送，图5为传统M-BUS主机电路轻载时电平波形图，图6为本发明电路轻载时电平波形图。对比得出本发明可实现总线电平的快速调节，具有良好的动态响应特性，具有转换效率高、适应性好、成本低的优点。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。