基于Multisim 的M-Bus 主機接口電路設計分析

張成斌

（甘肅省定西市臨洮農業學校，甘肅定西，730500）

0 引言

現階段計量儀表智能化已成為儀表研發設計領域的主流趨勢，電子、信息技術應用進一步加快數據采集模式的遠程控制及智能化轉型。M-Bus 總線是一種適用于測量儀表設計的傳輸總線，基于無極性二線制模式進行接線安裝，具有組網簡化、布線簡單、穩定性強、拓撲結構靈活等性能優勢，被廣泛應用于智能化抄表系統中。為縮短總線電路研發設計周期、節約開發成本、提高設計精度，擬引入Multisim 軟件應用于總線主機接口電路設計與仿真分析環節，為電路開發設計領域提供有效借鑒經驗。

1 研究基礎

1.1 Multisim 軟件

該軟件是基于EWB 平臺研發的一款電子設計自動化工具，提供一種集成化設計環境，基于SPICE 模擬器對電路行為進行仿真，支持實現對電路的高效檢驗，滿足電子線路設計與仿真需求[1]。在軟件功能實現上，該軟件集成強大的電路元器件庫，可提供多種仿真測試儀表功能與仿真分析方法，并運用電路原理圖描述語言輸入方式，為電路設計與仿真分析提供可靠工具支持。

1.2 M-Bus 總線原理

Bus 總線是一種主從式半雙工傳輸總線，采用總線型拓撲結構，由主機、從機及連接電纜組成網絡，基于電壓調制（主機→從機）/電流調制（從機→主機）的方式實現BT數據的傳輸（其模型如圖1 所示）[2]。其中在電壓調制模式下，主機向從機發送邏輯“1”，此時主機的總線電壓Vmark取值為22～42V；若主機向從機發送邏輯“0”，則總線電壓Vspace≥12V，且Vmark-Vspace≥10V。在電流調制模式下，總線上的任一從機均帶有靜態電流Imark，由從機向主機發送邏輯“1”，此時從機的總線電流Imark取值約為1.5mA；若從機向主機發送邏輯“0”，在總線接口電路的影響下，從機的總線電流Ispace取值為Imark+11～20mA，此時設M-Bus總線上有n 個從機，則總線電流Ibus的計算公式為：

圖1 M-Bus 總線傳輸模型

M-Bus 總線協議中明確規定，將總線處于空閑狀態下的邏輯記為“1”，總線電壓取值為Vmark，此時位于總線上的第n 個從機獲取的電流值即從機電源記為Imark；當主機通過檢測總線上從機獲取的電流值范圍11～20mA，確認由從機處接收的邏輯為“0”時，從機可通過檢測總線電壓Vmark與動態參考電壓Vspace，當Vmark-Vspace≥10V 時，即確認接收的邏輯為“0”。

2 主機接口電路的改進設計

2.1 發送電路

已知原總線驅動電路的端口為信號輸入端，當發送信號經輸入端口進入電路中，通過控制N-MOS 晶體管的開關執行電壓信號的切換操作，使用BUS+/-端口將發送信號輸出至總線上；此時位于總線驅動電路上的控制信號端，將通過光電耦合器控制開關斷開，用于切斷總線電源[3]。基于MOS 晶體管的發送電路在輸出驅動設計上，可在寬電壓下實現高性能輸出且結構簡化，然而該電路利用光電耦合器與晶體管的柵極、源極進行直連，用于實現對兩管上開關的控制，由此使得電路運行過程中易暴露出以下問題：（1）在兩N-MOS 管處于導通狀態時，源極電壓將受漏極干擾，因此需在柵極處提供較高的正/負電壓驅動電源；（2）發送電路通過控制光電耦合器使單N-MOS 管處于截止狀態，用于切斷總線電源輸出，然而在此情況下將使負電壓驅動電源接入，仍使發送電路保持通路；（3）電路中MOS 管未限制柵極電壓，倘若兩管間漏極、源極電壓發生突變，將因極間電容耦合使柵極處形成尖峰電壓，增加柵源氧化層被擊穿的概率（改進驅動電路如圖2 所示）。

圖2 改進驅動電路示意圖

利用Multisim 軟件設計主機發送電路，需對原通用主機端發送電路結構進行改進?；贛-Bus 總線的電壓/電流調制方式進行主線接口發送電路設計（如圖3 所示），當主機向從機發送比特流數據時，邏輯“1”的電平與邏輯“0”的電平差值≥10V，此處通常將總線電壓Vmark取值為36V、參考動態電壓Vspace取值為24V，Vmark-Vspace=12V。在12V 電壓調試模式的實現上，將原驅動電路N-MOS 管替換為增強型MOS 管Q1 和三極管Q2，采用三端穩壓管U1將輸入的總線電壓Vmark轉換為Vspace輸出，通過控制MOS 管和三極管兩開關的通斷，完成電壓信號調制。當輸入電壓信號為高電平時，依照先Q2、后Q1的順序控制兩管導通，經Q1 輸出36V總線電壓，輸出高電平信號；當輸入低電平信號時，同樣依照先Q2、后Q1 的順序控制兩管截止，經D1 管輸出24V 參考動態電壓，輸出低電平信號。

圖3 發送電路改進設計圖

2.2 接收電路

已知原主機接收電路在總線接口上設有采樣電阻，其阻值≤40Ω，當電流信號從輸入端經過采樣電阻轉換為電壓信號時，其電壓信號的分辨區間較小，難以保證接收電路具備良好的信號處理能力[4]。在原主機接收電路設計上，主要利用電容將轉換后的高電平信號控制在電壓比較器LM2903N 的反相端，將其設為門限電壓，但該電壓值易受二極管壓降、電阻分壓、電容放電等多因素影響，一定程度上削弱門限電壓的信號值。在此模式下，倘若在總線上掛接的負載信號值發生變化，將使總線端口處接收的信號值出現改變，此時接收電路上其他參數均保持不變，由此削弱門限電壓的適應性，影響實際通信質量。

基于此，擬參考M-Bus 總線的電流調制方式，利用Multisim 對原接收電路進行改進設計（如圖4 所示），根據從機向主機發送比特流的原理，確認邏輯為“0”時的總線電流與邏輯為“1”時的總線電流差值≥11～20mA。在11～20mA 電流調制方式的實現上，已知M_Bus 為總線電流接口，AD_1、DA_1 分別為模/數和數/模轉換接口，RX_1 為信號輸出接口。當主機接收到任意一個從機發送的比特流時，利用總線上的電阻R7 執行電流采樣處理，同時將采樣后的電壓連至比較器的反相輸入端，借助電路中的R5、R6 兩電阻進行分壓處理，并將電壓VR6通過模/數轉換接口接入相應電路中，經轉換電路運算獲得電壓VR7值；此時將電壓VR7值增至90mV 后通過數/模轉換接口接入相應電路中，經轉換后的電壓VDA接入比較器的同相輸入端，確認為基準電壓。當主機接收到從機的電流脈沖序列時，邏輯“1”的VR71＜VDA，比較器輸出RX_1 為高電平；邏輯“0”的VR70-VR71＞110～200mV，由此推導出VR70＞VDA，比較器輸出RX_1 為低電平，完成由電流脈沖序列向電壓脈沖序列的轉換，最終實現總線上11～20mA 的電流調制。

圖4 接收電路改進設計圖

2.3 保護電路

在M-Bus總線上電流值大小主要受從機數量n的影響，從機數量的增加將使總線上電流值呈同步增大趨勢，但考慮到主機電路的輸出功率存在一定區間限制，一旦從機電路上出現短路故障，將導致總線上產生的電流值大于主機電路原負載能力，造成主機電路燒毀、損壞等問題[5]?；诖耍枰氡Ｗo電路發揮對總線上電流的抑制作用，將主機發送電路的輸出端口設為M_Bus_A，外部總線輸出端口設為M_Bus_B，保護電路如圖5 所示。

圖5 保護電路設計圖

3 仿真結果及應用

3.1 仿真分析結果

3.1.1 發送電路

在仿真實驗環節，以發送電路的驅動能力作為主要衡量指標，已知M-Bus 總線伴隨其通信距離的延長，傳輸線上的負載電容/電感將對信號產生較大影響，因此為保證正常通信效果，需將總線通信速率適當下調。假設M-Bus 總線的通信距離為2km、通信速率為9600b/s，在從機數量保持n 不變的前提下觀察發送電路的波形變化情況可知（如圖6 所示），其輸出波形變化穩定，說明發送電路的驅動能力較為理想，且在將電路電源完全切斷后，可保證輸出無信號響應。同時，觀察其仿真分析結果可知，伴隨發送電路中輸入信號的動態變化，輸出信號基本保持同步變化，與理論分析結果保持一致。

圖6 發送電路仿真結果

3.1.2 接收電路

在仿真實驗環節，已知在M-Bus 總線上的靜態電流大小為n×Imark，假設總線上從機數量n取值為50 個，可初步計算出總線上的靜態電流值為75mA，進而得出VR6、VR71以及VDA值分別為375mV、750mV 和840mV。當位于M-Bus總線上的某一從機向主機發送邏輯“0”，使總線上電流值增加11～20mA 時，VR70值為860mV。此時將仿真電路上電流經采樣電阻后的電壓波形變化結果A 與電壓比較器輸出的電壓波形B 進行比較（如圖7 所示），從中可以看出在邏輯“1”狀態下，比較器輸出高電平；在邏輯為“0”狀態下，比較器輸出低電平，與理論分析結果保持一致。在此基礎上，還需明確M-Bus 總線上的從機數量n 將直接影響靜態電流值的大小，使基準電壓數值發生變化，由此保證在讀表環節面向不同從機數量時讀取數據結果的準確性。

圖7 接收電路仿真結果

3.1.3 保護電路

在仿真實驗環節，當總線上電流超出其負載值時，保護使能信號將轉換為高電平，三極管導通、繼電器得電，隨后將繼電器觸點斷開，中斷發送電路與外部總線的連接，使外部總線上的電壓值變為零；此時，電流將傳遞至發光二極管處，使其通電發光，用于提示總線發生過載故障（其仿真結果如圖8 所示）。

圖8 保護電路仿真結果

3.2 實際應用分析

3.2.1 工作原理

以某遠程智能抄表系統的M-Bus 主機方案為例，為解決原抄表系統通信距離、總線上掛載從機數量受限的問題，將上述主機接口電路應用于智能抄表系統中，通過在主機、從機之間現場鋪設M-Bus 總線作為通信線，同時兼作監測n 個從機的電源線，實現對原M-Bus 總線電路與通信網絡的改進設計，用于保證室內主機、室外多個從機間實現正常的通信交互以及電源線、通信線的復用。

3.2.2 系統設計

選擇在室外信號機周圍部署n 個從機，在信號機械室內部署主機，基于一對總線進行主機與n 個從機的連接，并將上述M-Bus 總線主機接口電路連接方案應用于實際部署環節，利用報警總線實現雙向信息交互，同時兼作從機的電源線為其供電，使從機從主機處獲取工作電壓。主機經AC-DC 模塊輸出220V 直流電，通過總線傳遞至各從機處，該直流電源擋位可調，需結合從機與信號室的間距進行直流供電電壓的調節，保證為從機的正常運行提供工作電壓。

在主機的M-Bus 總線方案部署上，通過主機的接口電路實現與總線、室外n 個從機的連接，并基于M-Bus 協議實現信息交互功能，向室外從機提供工作電源。選用M-Bus作為總線，基于主叫/應答方式建立通信連接，當主機發出詢問指令后，由從機向主機進行比特流數據的傳遞。在主機各功能模塊設計上，主要包含以下六個功能模塊：（1）可控電源，基于主機CPU 控制電源模塊的運行，執行比特流發送任務，主機可通過調節總線輸出電壓值實現比特流發送功能；（2）總線擴流，該模塊支持提供附加驅動功能，根據可控電源模塊的數據發送狀態調節遠程供電情況；（3）總線移位，基于邏輯“1”和“0”實現室內主機與室外從機的連接，支持對數據電壓、電流輸出情況建立實時監控，并兼用作其他模塊的接口；（4）電流檢測，支持對M-Bus總線電流進行實時監測，參考主機CPU 的比特流接收情況進行總線電流解碼；（5）狀態監測，支持對M-Bus 總線電壓變化情況進行實時監測，判斷主機總線上發生的故障情況；（6）匹配防護模塊，將浪涌保護器、EMI 等部署在主機的接口處，用于維持電氣平衡、實現保護電路功能。

在現場安裝部署環節，在信號機械室內完成主機安裝，隨后在室外各信號變壓器箱內完成從機的安裝，并同步完成電流、電壓各類傳感器的部署，用于實現對電流、電壓等信息的采集?；诟倪M后的發送電路、接收電路、保護電路以及M-Bus 總線通信協議運行上述網絡系統，主機可同步接收室外各從機上傳的報警信號及監測信息，同時反饋對室外各從機的監控結果、判斷有無脫機問題，并且為各從機運行提供工作電源。在此基礎上，基于嵌入式操作系統進行采集信號的分析與處理，計算出電流、電壓等結果，用于判斷儀表的工作狀態；當儀表工作狀態或采集的比特流出現異常值時，由從機將故障信息自動編輯并經接口發送至主機處，實現儀表控制的智能化。

3.2.3 應用效果

將上述系統的實際應用結果進行匯總可知，通過對原M-Bus 總線主機接口電路與通信協議進行改進設計后，可實現主機與多個從機間的信息交互功能，并支持通信、電源線纜的復用，有效簡化電路結構、節約開發成本，且系統集成度強、可延長通信距離，現場設備安裝及配置靈活性強，具備良好的應用及推廣價值，滿足智能儀表控制需要。

4 結論

通過運用Multisim 軟件提供的強大仿真功能進行M-Bus 總線主機接口電路的設計與仿真實驗，最終仿真結果證明與理論分析結果保持一致，且上述主機發送、接收與保護電路均能夠滿足總線的電流/電壓調制模式，支持對電路中的關鍵參數進行靈活調節，進一步提升主機接口電路設計與運行效率，有效簡化電路開發結構、保證運行穩定性，為同類電路開發設計提供良好示范經驗。