基于Multisim的M-Bus主機(jī)接口電路設(shè)計(jì)與仿真

翟亞芳，鞏銀苗

（安陽(yáng)工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，河南安陽(yáng)455000）

0 引言

隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)城鎮(zhèn)居民所使用的電能表、水表、熱量表等計(jì)量?jī)x表逐步被智能儀表所取代，同時(shí)儀表的數(shù)據(jù)采集由人工抄表方式向遠(yuǎn)程智能抄表方式轉(zhuǎn)變[1]。M-Bus（Meter Bus，儀表總線）是一種專門為耗能測(cè)量?jī)x表及傳感器傳遞數(shù)據(jù)信息而設(shè)計(jì)的主從式半雙工總線標(biāo)準(zhǔn)[2]，使用無(wú)極性二線制安裝接線，采用主叫/應(yīng)答的通信方式，具有布線簡(jiǎn)單、組網(wǎng)成本低、抗干擾能力強(qiáng)、拓?fù)渥杂傻忍攸c(diǎn)，可廣泛地應(yīng)用于智能住宅小區(qū)、自動(dòng)化辦公大樓的智能化抄表系統(tǒng)[3]。Multisim軟件是美國(guó)國(guó)家儀器(NI)有限公司推出的以Windows操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)的電路仿真工具，具有豐富的電路仿真分析能力[4-5]。將Multisim軟件的仿真技術(shù)應(yīng)用于M-Bus總線接口電路的設(shè)計(jì)，縮短了電路設(shè)計(jì)的研發(fā)周期，減少了研發(fā)過(guò)程中的失誤，從而提高了研發(fā)的工作效率，節(jié)約了研發(fā)成本。

1 Multisim軟件簡(jiǎn)介

Multisim軟件是在EWB（Electronics Workbench，電子設(shè)計(jì)工作平臺(tái)）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，是一款專門用于電子線路仿真與設(shè)計(jì)的EDA（Electronic Design Automation，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）工具軟件[6]。Multisim軟件是一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境，它將計(jì)算機(jī)仿真和虛擬儀器技術(shù)完美地結(jié)合在一起，利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，仿真電路模擬器）模擬器仿真電路行為，能在電子線路設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)電路進(jìn)行快速、高效地驗(yàn)證，為電子線路的仿真和設(shè)計(jì)提供了良好的環(huán)境[7]。

Multisim軟件擁有電路基本元器件、信號(hào)源、模擬集成電路、數(shù)字集成電路、指示部件、3D虛擬元件等龐大的元器件庫(kù)，具有萬(wàn)用表、失真度分析儀、函數(shù)發(fā)生器、示波器、波特圖儀、邏輯分析儀、頻譜分析儀等仿真測(cè)試儀表，具有直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真度分析、零極點(diǎn)分析、傳輸函數(shù)分析、靈敏度分析、最壞情況分析、蒙特卡羅分析等多種仿真分析方法，采用電路原理圖圖形輸入或電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，實(shí)現(xiàn)器件建模及仿真、電路構(gòu)建及仿真、系統(tǒng)組成及仿真、儀器儀表原理及仿真等功能，能夠滿足一般電子線路設(shè)計(jì)與仿真的要求[8]。

2 M-Bus總線的調(diào)制方式

M-Bus總線通常采用總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一個(gè)主機(jī)、若干從機(jī)以及連接主機(jī)和從機(jī)的電纜組成。M-Bus總線的比特流數(shù)據(jù)傳輸采用電壓調(diào)制和電流調(diào)制相結(jié)合的方式，當(dāng)主機(jī)向從機(jī)傳輸比特流數(shù)據(jù)時(shí)采用電壓調(diào)制的方式，當(dāng)從機(jī)向主機(jī)傳輸比特流數(shù)據(jù)時(shí)采用電流調(diào)制的方式[9-10]。

當(dāng)主機(jī)向從機(jī)發(fā)送邏輯“1”時(shí)，M-Bus的總線電壓為Vmark(22 V≤Vmark≤42V)；當(dāng)主機(jī)向從機(jī)發(fā)送邏輯“0”時(shí)，M-Bus的總線電壓為Vspace，Vspace比Vmark至少低 10V，但要大于 12V，即12V≤Vspace≤(Vmark-10)V。M-Bus總線上的每個(gè)從機(jī)都要有一定的靜態(tài)電流Imark(Imark≈1.5mA)，當(dāng)從機(jī)向主機(jī)發(fā)送邏輯“1”時(shí)，從機(jī)的總線電流為Imark；當(dāng)從機(jī)向主機(jī)發(fā)送邏輯“0”時(shí)，從機(jī)的總線接口電路使總線電流在Imark的基礎(chǔ)上增加11～20 mA，形成Ispace，此時(shí)M-Bus的總線電流Ibus=[Imark×n+(11～20)]mA，其中n表示M-Bus總線上從機(jī)的個(gè)數(shù)[11]。

M-Bus總線協(xié)議規(guī)定總線處于空閑狀態(tài)時(shí)用邏輯“1”表示，此時(shí)總線電壓維持在Vmark，每個(gè)從機(jī)獲取總線電流Imark，該電流可以用作從機(jī)的電源。主機(jī)通過(guò)檢測(cè)M-Bus總線上的11～20 mA脈沖電流來(lái)確定接收的是邏輯“0”，從機(jī)通過(guò)檢測(cè)MBus總線電壓與動(dòng)態(tài)參考電壓的差值（大于10 V）來(lái)確定接收的是邏輯“0”。M-Bus總線比特流數(shù)據(jù)傳輸與邏輯電平之間的關(guān)系如圖1所示[12]。

圖1 M-Bus總線數(shù)據(jù)傳輸與邏輯電平的關(guān)系

3 主機(jī)接口電路設(shè)計(jì)與仿真

3.1 主機(jī)發(fā)送電路設(shè)計(jì)與仿真

按照M-Bus總線的調(diào)制方式，當(dāng)主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，邏輯“1”的電平比邏輯“0”的電平高10 V以上，在設(shè)計(jì)時(shí)一般取兩者的差值為12 V，即將Vmark設(shè)置為36 V，將Vspace設(shè)置為24 V。因此，主機(jī)發(fā)送電路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)12 V的電壓調(diào)制，用Multisim設(shè)計(jì)發(fā)送電路的仿真電路如圖2所示。

圖2 發(fā)送電路仿真圖

圖2中的U1為三端穩(wěn)壓集成電路LM7824CT，Q1為P溝道增強(qiáng)型MOS管AOD409，Q2為三極管TIP41C，D1為肖特基二極管SS16T3G。LM7824CT的作用是將36 V輸入電壓轉(zhuǎn)換為24 V電壓輸出，通過(guò)控制Q1和Q2的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的調(diào)制。當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，Q2和Q1先后導(dǎo)通，36 V電壓經(jīng)Q1輸出，將輸出信號(hào)電平變?yōu)楦唠娖剑划?dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，Q2和Q1先后截止，24 V電壓經(jīng)D1輸出，將輸出信號(hào)電平變?yōu)榈碗娖健０l(fā)送電路的仿真結(jié)果如圖3所示，從仿真結(jié)果中可以看出，輸出信號(hào)跟隨者輸入信號(hào)的變化而變化，與理論分析相符。

圖3 發(fā)送電路仿真結(jié)果

3.2 主機(jī)接收電路設(shè)計(jì)與仿真

按照M-Bus總線的調(diào)制方式，當(dāng)從機(jī)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，邏輯“0”的總線電流比邏輯“1”的總線電流高11～20 mA。因此，主機(jī)接收電路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)11～20 mA的電流調(diào)制，用Multisim設(shè)計(jì)接收電路的仿真電路如圖4所示。

圖4 接收電路的仿真電路

圖4中的M_Bus表示總線電流接口，AD_1表示模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口，DA_1表示數(shù)/模轉(zhuǎn)換接口，RX_1表示調(diào)制后的信號(hào)輸出，LM2903N為電壓比較器。該電路的工作原理為：當(dāng)主機(jī)接收從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，總線上的電流利用電阻R7進(jìn)行采樣，并將采樣后的電壓值連接到LM2903N的反相輸入端，同時(shí)利用電阻R5和R6進(jìn)行分壓，把電阻R6兩端的電壓VR6經(jīng)AD_1接入模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)過(guò)計(jì)算后可以得到R7兩端的電壓VR7，將電壓VR7增加90 mV（邏輯“1”向邏輯“0”轉(zhuǎn)換的閾值電壓）后進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的電壓VDA經(jīng)DA_1連接到LM2903N的同相輸入端，并將VDA作為基準(zhǔn)電壓。當(dāng)主機(jī)接收從機(jī)電流脈沖序列時(shí)，邏輯“1”對(duì)應(yīng)的VR71比VDA小，LM2903N輸出RX_1為高電平；邏輯“0”對(duì)應(yīng)的VR70要比邏輯“1”的電壓VR71高110～200 mV，使VR70大于VDA，LM2903N輸出RX_1為低電平，從而將總線上的電流脈沖序列轉(zhuǎn)換為電壓脈沖序列，實(shí)現(xiàn)M_Bus總線上的電流調(diào)制。

由于M_Bus總線靜態(tài)電流為Imark×n）n為從機(jī)個(gè)數(shù)），假設(shè)總線上接有50個(gè)從機(jī)，則此時(shí)M-Bus的總線靜態(tài)電流為75 mA，此時(shí)VR6=375mV，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到VR71=750 mV、VDA=840 mV。當(dāng)總線上的某個(gè)從機(jī)發(fā)送邏輯“0”時(shí)，總線上的電流增加11～20 mA，使VR70變?yōu)?60～950 mV，在此取VR70=860 mV，從而可以得到如圖5所示的仿真電路，其仿真結(jié)果如圖6所示。圖6中的A表示M_Bus總線上的電流經(jīng)采樣電阻R7后的電壓波形，B表示LM2903N的輸出電壓波形。從圖6中可以看出，當(dāng)M_Bus總線上的電流為 75 mA（邏輯“1”）時(shí)，LM2903N的輸出電壓為高電平；當(dāng)M_Bus總線上的電流為86mA(邏輯“0”)時(shí)，LM2903N的輸出電壓為低電平。可見(jiàn)，電路仿真結(jié)果與理論分析相符。

圖5 從機(jī)數(shù)量為50時(shí)的仿真電路

圖6 從機(jī)數(shù)量為50時(shí)的仿真結(jié)果

需要指出的是，總線上的靜態(tài)電流將跟隨從機(jī)個(gè)數(shù)變化而變化，從而使基準(zhǔn)電壓發(fā)生改變，因此，不同從機(jī)個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)電壓不同，以保證從機(jī)個(gè)數(shù)不同時(shí)讀表數(shù)據(jù)的正確性。

3.3 主機(jī)保護(hù)電路設(shè)計(jì)與仿真

對(duì)于M-Bus總線來(lái)說(shuō)，總線上的電流與從機(jī)數(shù)量有關(guān)，每增加一個(gè)從機(jī)，都會(huì)使總線電流增加，而主機(jī)電路的輸出功率是有限的，當(dāng)從機(jī)電路發(fā)生短路故障時(shí)，會(huì)使總線上的電流超過(guò)主機(jī)電路的負(fù)載能力，給主機(jī)電路造成損害[13]。因此，當(dāng)總線上的電流過(guò)大時(shí)，要采取保護(hù)措施，同時(shí)給用戶相應(yīng)的提示。用Multisim設(shè)計(jì)保護(hù)電路的仿真電路如圖7所示。

圖7 保護(hù)電路的仿真電路

圖7中的EN_R為保護(hù)使能信號(hào)，M_Bus_A表示發(fā)送電路的輸出接口，M_Bus_B表示外部MBus總線的輸出端口。當(dāng)M-Bus總線上的電流過(guò)大時(shí)，EN_R變?yōu)楦唠娖剑龢O管2N5551導(dǎo)通，繼電器線圈得電，繼電器常閉觸點(diǎn)斷開，使M-Bus發(fā)送電路斷開與外部M-Bus總線的連接，外部MBus總線上電壓為0V，與此同時(shí)，發(fā)光二極管LED1通電發(fā)光，提示用戶M-Bus總線過(guò)載。EN_R為高電平的仿真結(jié)果如圖8所示，電路仿真結(jié)果與理論分析相符。

圖8 保護(hù)電路的仿真結(jié)果

4 結(jié)論

利用Multisim軟件的電路仿真功能建立了M_Bus總線主機(jī)接口電路的電路模型，并對(duì)電路模型進(jìn)行了仿真，得到的仿真結(jié)果與電路理論分析一致，設(shè)計(jì)的主機(jī)發(fā)送電路、主機(jī)接收電路符合M_Bus總線的調(diào)制方式。可見(jiàn)，利用Multisim軟件對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，能夠直觀、方便地對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，有利于提高電路設(shè)計(jì)的工作效率，節(jié)約電路開發(fā)成本。