基于M-Bus的智能水表數據采集器的設計

吳海峰， 李德敏， 鄒 劍

（東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620）

0 引言

M-Bus是一種專門用于公共事業儀表的總線結構。在歐洲，戶用儀表總線的通訊方式以M-Bus為主，目前國內諸多大型水電氣熱表企業已采用M-Bus總線通訊技術。M-Bus總線的提出滿足了公用事業儀表的組網和遠程抄表的需要，同時它還可以滿足遠程供電或電池供電系統的特殊要求。并且，其串行通信方式的總線型拓撲結構非常適合公用事業儀表的可靠、低成本的組網要求，可以在幾公里的距離上連接幾百個從設備[1]。M-Bus儀表總線的應用前景廣泛，但是，目前市場上可用的主機芯片很少，而且價格不菲，不利于M-Bus的推廣。為解決以上問題，本文設計了基于M-Bus總線的智能水表數據采集器。新設計的集中器成本低，穩定性較好，對于小型企業而言，具有很好的經濟價值。

1 M-Bus的通信協議

M-Bus是一個主從層次化的系統，由一個主設備、若干從設備和2根連接線纜組成，主設備引出2根M-Bus總線，所有從設備都掛接在總線上，由主設備控制所有從設備和上位機之間的通信。M-Bus主從結構如圖1所示。

圖1 M-Bus層次化結構

M-Bus通信協議規定：M-Bus主機發送電路通過控制總線電壓變化向從機發送信息，而從機通過自身的電流消耗向主機反饋信息。當總線通信時，存在2種情況，即主機分別處于發送狀態和接收狀態。在主機向從機發送相關命令時，具體的電壓變化如下：傳送邏輯“1”時對應的電壓為34 V，傳送邏輯“0”時對應的電壓為24 V；在主機接收從機數據時，具體的總線電流變化如下：傳邏輯“1”用0～1.5 mA的恒定電流表示，傳邏輯“0”則需在0～1.5 mA的基礎上再增加約11～20 mA 的電流。當總線空閑時，主機和從機都應該保持邏輯“1”狀態。

2 硬件層設計

硬件設計主要包括發送電路和接收電路的設計。發送電路是通過調制M-Bus總線電壓的跳變來實現數據的傳輸的，且跳變的差值要大于等于8 V(由終端設備的TSS721芯片[2]決定)；而接收電路是從機通過自身的電流消耗向主機反饋信息的，因此，需要將電流的變化轉化為電壓的變化，以便于單片機接收。圖2是M-Bus總線驅動電路的框架[3]。

圖2 M-Bus總線驅動電路

2.1 發送電路的設計

根據M-Bus通信協議，設計的發送電路如圖3所示。

圖3 發送電路

圖3中，穩壓塊芯片L7824的輸入端接三端可調正穩壓器LM317的輸出端，輸出端引出M-Bus總線，且對地接1個10 V的穩壓管，同時接到晶體管的集電極，晶體管的基極接到光耦的輸出。當控制器通過串口發送低電平時，光耦不導通，從而晶體管導通，M-Bus總線上的電壓為24 V。相反，當控制器通過串口發送高電平時，光耦導通，從而晶體管截止，芯片L7824輸出電壓被抬高了10 V，M-Bus總線上的電壓變為34 V。這樣，通過控制MCU輸出的高低電平來控制光耦的通斷，就可以得到M-Bus總線上的電壓的跳變，跳變的幅度為10 V，從而實現上位機向終端傳輸信息。

2.2 接收電路的設計

設計的接收電路[4]如圖4所示，其中，采樣電阻為R11。

在圖4中，采用的主要芯片是四運放LM324。其中，第一路運放和晶體管將檢測到的電壓進行放大，第二路運放構成一個跟隨器電路，主要是為了穩定第一路輸出的電壓信號。此時，如果直接去接光耦的輸入端的話，無法保證光耦在低電平時能夠嚴格地被關掉。所以，運放三及其外圍電路構成了一個減法裝置，目的是暫時抬高對應的電壓，最后一個運放及其外圍電路構成了一個電壓比較器，最終得到能夠嚴格控制光耦通斷的電平變化(0～5 V)。

圖4 接收電路

3 軟件層設計

數據采集器是連接上位機和終端的中間環節。當上位機發送相關命令時，控制器首先要對該命令進行分析，做出相應的響應。要將上位機發送的信息傳送到終端；當終端有響應后，集中器需要將終端的響應信息存儲在自身的存儲器中，然后上傳給上位機。需要說明的是，在實際應用中，采用的控制器是STC系列的雙串口單片機STC11F04E，它是一款分時復用的雙串口單片機。終端是型號為 ZENNER multidata S1compact 德國真蘭智能水表，其內部有 M-Bus終端所必需的TSS721芯片和控制器芯片以及相關的存儲設備，我們可以通過手持抄表器對水表的原有地址進行復位和更改。圖5是集中控制器的主程序流程。

圖5 主程序流程

4 結語

論文給出了基于M-Bus總線的智能水表遠程抄表系統中的數據采集器的設計與實現方案。重點介紹了M-Bus總線硬件電路和驅動程序的設計。在實際的應用中，M-Bus布線非常靈活，相比485總線來說具有很大的優勢，也使的它有較廣的發展前景，特別是對住宅小區智能化建設具有重要意義。隨著M-Bus總線在遠程水表抄表系統中的推廣應用，將給我們的日常生活帶來更多方便。

[1]胡志華，郭其一. M-BUS儀表總線原理研究[J]. 微計算機信息,2005(18): 117-119.

[2]陶永明，劉立國，陳永剛. M-BUS終端收發芯片TSS721的原理及應用[J]. 國外電子元器件，2002(09): 31-34.

[3]曹贇，葉樺. 遠程抄表系統中集中器及M-Bus總線通信模塊的設計與實現[J]. 工業控制計算機，2009, 22(08): 7-9.

[4]徐樂年，韓進，劉坤. M-BUS總線主機接口裝置.中國專利,2006-08-16.