USB接口便携式M-BUS抄表仪的设计

摘要：M—BUS总线集中抄表系统中，M—BUS主站电路通常集成在集中器中，集中器体积大，功能复杂，成本高，并且需要接入220V电源才能正常工作，在开发、现场调试和运营维护过程中很不方便。我们提出了一种由PC机USB接口提供电源便携式M—BUS抄表仪。实现了USB升压转换、电压调制、电流解调功能，同时具有USB通信电压接口电平转换功能，该方案具有体积小、成本低廉、携带方便、USB供电等优点
关键词：集中抄表系统；M—BUS总线；抄表仪；便携

    集中抄表系统(Automatic Meter Reading——AMR)是指采用通讯和计算机网络等技术，通过专用设备自动读取和处理电表、水表、气表计量数据的过程。
    计量仪表与抄表主机的通讯方式(下段信道)是自动抄表系统的关键所在。常用的下段信道有电力线载波、有线(总线)、无线(RFID)等方式。
    总线抄表方式技术成熟、稳定、简单，在通讯信道正常情况下，可以实现实时通讯，是用户广泛采用的一种集中抄表系统。
    M—BUS总线又叫Meter-Bus通用仪表总线，采用欧洲标准的2线制总线，是一种专门为测量仪器和计数器传送信息而设计的数据总线，也是专门用于远程抄表的一种高可靠性、高速、廉价的家用电子系统的欧洲总线标准。2004年，建设部引进该标准并转化为行业标准，标准号为CJ／T 188—2004，标准名称为《户用计量仪表数据传输技术条件》，该标准对M—BUS总线的电气接口参数和数据传输方式做出了详细规定。
    M—BUS总线可同时实现数据传输和远端供电，存非电量能源计量仪表如水表、燃气表、热量表等集中抄表系统中的应用越来越广泛。
    为解决M—BUS总线通讯信道易受人为、大范围损坏，损坏后故障排除困难、恢复时间长、信道后续运营维护维护量大等问题，我们开发了便携式M—BUS抄表仪。
    便携式M—BUS抄表仪与笔记本计算机可组成移动抄表平台，可集中记录数据并保存在笔记本计算机中，再由工作人员携带到机房后传输给管理中心计算机。也可采集一只或一组独立工作的表计的耗能数据，可方便的进行系统开发或现场调试及故障排查。
    综合考虑计算机USB接口的驱动能力和M—BUS总线的特点及实现难度，我们确定便携式M—BUS抄表仪的技术指标如下：总线电压30V，电流驱动能力是100mA，最多可同时驱动35只表。

1 主要原理
1．1 集中抄表系统原理
    集中抄表系统是一个三层的网路系统，由上层、中间层和底层组成。主站软件位于系统的最上层，集中器和采集器构成系统的中间层、智能计量终端是系统的底层。主站软件实现主站调度、数据采集与管理、报表结箅等功能；集中器和采集器实现上下行通信链路转换；智能计量终端(采集点监测设备)提供计量和本地通信功能，并响应上位机的指令。
    集中抄表系统的网络结构如图1所示：

    在这个系统中，PC机是主站，主站软件可以由多个模块组成，图中列举了主站调度系统、用水信息采集与管理系统及其它支持系统三个模块。集中器和便携式抄表仪(即采集器)构成通信系统的中间层，采集点监测设备是通信系统的底层。主站和便携式M—BUS采集器通过USB接口建立远程通信网络，M—BUS总线作为本地通信网络。主站、便携式M—BUS采集器和采集点临测设备(从机)构成一个主从通信系统。每次通信都是由主机发起，主站存规定时间内收到从机正确应答标志着成功完成一次通信，否则通信失败。
    作为本地通信网络，M—BUS总线有如下特点：
    (1)数据从集中器(或中继器)向计量终端传输时，使用总线电压调制传输数据，而总线电流保持恒定。
    (2)数据从计量终端向集中器(或中继器)传输时，使用总线电流调制传输数据，而总线电压保持恒定。
    因为数据传输调制方式不同，保证了计量终端之间不会互相通信。其数据传输如图2所示。

    (3)远端供电
    当总线有电时，终端从总线取电，总线可以为每个终端提供3.3V稳压电源，每个终端消耗总线电流不大于3mA。
    (4)支持多种拓朴结构
    可采用任意总线拓扑结构，如星型、树型等。
    E、支持总线连接方式
    总线使用普通双绞，极性可以互换
1．2 抄表仪原理
    根据MBUS总线的特点，USB接口便携式M—BUS抄表仪(以下简称抄表仪)需要3路电源，一路是系统电源，一路是总线低电压(传号电压)，另一路是总线调制电压(空号电压-传号电压)；另外还包括电流解调电路和USB转换电路等。原理框图设计如图3所示。

    在这个设计中，下行发送的数据和电源都来自于主站USB接口，解调完成后的上行数据也经过USB接口送给主站。
    待发送数据经主站USB接口送给抄表仪的发送控制电路，发送控制电路实现电压调制。从机(采集点监测设备)以电流调制方式应答，抄表仪的接收电路对电流调制信号进行解调，解调完成后的数据经USB接口送给主站，由主站进行数据判别和解析。
    在前面的论述中，我们知道M—BUS接口下行是电压调制方式，也就是说传号电压和空号电压是不相等的，加上系统电源，这个抄表仪需要3路电源，即空号电源H，传号电源L和系统电源VCC。
    根据相关标准和从机接收特性，总线传号电压应该大于12V，总线空号电压应该比空号电压高10V以上。兼顾便携式M—BUS采集器的通信可靠性和电源设计难度，我们选择传号电压为18V，空号电压为30V。
    通用USB端口的电源供给能力为5W，升压型开关电源的效率估计为70％。则便携式M—BUS采集器的总线输出电流为3．5W／30V=110mA。
    一个M—BUS终端消耗电流不大于3mA，不考虑总线压降，则便携式M—BUS采集器可以外接35个终端。

2 主要电路原理
2．1 USB串口转换电路
    选用美国FTDI公司的FT232R实现USB串口转换功能。
    FT232R是单片USB转异步串行通信接口芯片，内嵌USB协议栈，无需编写USB程序固件。UART接口支持7或8比特数据，1位或2位停止位，奇、偶或无校验；通信波特率从300bps-3Mbps；内置256bvte接收缓存和128byte发送缓存；内部集成了1024Bit EEPROM用来存储USB VID、PID、编号及产品字符等；每个器件都有唯一的USB序列号；支持USB挂起和释放；支持USB供电、自主供电和总线供电；为便于与USB接口匹配，内部集成了3．3V电平转换器；集成了1．8V-5V逻辑电平转换器，可方便的与UART接口匹配；支持5V／3．3V／2．8V／1．8VCOMS电平输出或TTL电平输入；集成了上电复位电路；全内部时钟，不需要外部振荡器；集成了模拟电源滤波器，不需要模拟电源输入；3．3V-5．25V单电源工作；-40℃-85℃工业级工作温度范围。
    使用FT232R实现USB串口转换的原理电路图如图4所示。图中，U1是USB串口转换器，CN101是计算机的USB接口，J2可接外部电源适配器，以进一步提高便携式M—BUS抄表仪的带载能力。

    这个电路结构简单，使用方便。也可与其它电路一起构成USB-485接口转换器或USB-232接口转换器。为低速串行通信提供了一个可靠的USB解决方案。
2．2 电源电路
    总线电源有两路(见图5)，一路产生传号电压，另一路产生空号电压，由串口直接对总线电压进行基带调制。图中选用了NS的LM2733产生两路总线电压。另外，时基电路、放大器和比较器的电源直接由USB电源供给。

    LM2733为Boost型开关稳压器，输入电压范围2．7-14V，开关频率有600kHz和1．6MHz两种，内部集成了40V／1A的MOSFET，封装为SOT23-5，还有SHDN管脚，可方便的进行小型化设计和关断控制。从主机USB接口得到的5V电源作为输入电源，分别进行BOOST变换后，升压到18V和30V，用作总线传号电压和空号电压。
2．3 发送和保护电路
    发送电路完成电压调制功能如图6所示。主机无信号发出时，LocalHostTXD为高电平，三极管VT1、VT2、VT3导通，场效应管VT7导通，VT9截止，总线输出电压为30V (空号电压)；主机有信号发出时，LocalHostTXD为低电平，三极管VT1截止，场效应管VT9栅极被拉高，VT9导通，VT7截止，总线电压变为18V (传号电压)。

    场效应管VT8和555时基电路及采样电阻R58和比较器U8B一起构成了过电流保护电路如图7所示，根据设备电源功率可调整保护电路阈值。当总线电流大于阈值时，保护电路动作，切断总线输出并延时一段时间后恢复总线输出。如此反复，确保发送电路不会损坏保护电路中，调节电流采样电阻即可调整保护电流，调节C12的电容值便可获得不同的延时时间。

2．4 接收电路
    接收解调电路，如图8所示由采样电阻R58、积分放大器U7A、U7B和比较器U8A组成。积分放大器负责检测总线中的小电流变化和信号放大，比较器进行阈值判别，判别后的值直接作为解调信号直接送给电平转换器输出给主机。

3 结束语
    该设计实现了预定的设计目标，具有功能可靠，外围器件少，使用简单、携带方便等特点，并且硬件成本低廉，增强了应用的方便性该设计与智能计量终端和主站软件一起构成的集中抄表系统具有远程自动抄收、实时结算、价格变更、计量收费、实时监测、通断控制等各种人性化管理服务功能，具有极大的可持续发展性。可以保障长远的、稳定的、可靠的服务。
    该产品符合CJ／T 188—2004《户用计量仪表数据传输技术条件》的物理接口要求。
    该设计仅实现了便携式设计和接口转换功能，无规约管理功能、所以可配合不同的主站软件用于多种不同规约的M—BUS接口的相关产品的开发测试和运行维护领域。
    目前，该产品已经小批量生产了100台，并交付用户使用，得到了用户的认可和好评。