专利名称：一种基于单片机控制的数字智能M_bus集中器的制作方法
技术领域：
—种基于单片机控制的数字智能M_bus集中器技术领域[0001]本实用新型涉及仪表能耗监控领域，尤其是将MBus用于各类仪表或相关装置的能耗类智能管理系统，具体地说是一种基于单片机控制的数字智能M_bus集中器。
背景技术：
[0002]仪表总线(meter bus, MBus)是一种新型总线结构，MBus主要特点是通过两条无极性传输线来同时供电和传输串行数据，而各个子站(以不同的ID确认)并联在MBus总线上。将MBus用于各类仪表或相关装置的能耗类智能管理系统中时，可对相关数据或信号进行采集并传递。[0003]目前，住宅小区，办公场所等地区所安装的仪表通常采用没有进行能耗管理，采用人工抄表的方式进行数据采集，人工抄表不但效率低，且不利于科学管理，给城市管网的建模、分析、规划等都带来很大的困难。另外，现有的数据采集系统布线复杂，结构繁复，具有造价高昂和可靠性差的缺点。发明内容[0004]本实用新型的目的是针对上述问题，提出一种基于单片机控制的数字智能M_bus 集中器。利用MBus总线连接各类仪表，可大大简化住宅小区，办公场所等能耗智能化管理系统的布线和连接，且具有结构简单、造价低廉、可靠性高的特点。[0005]本实用新型的技术方案是:[0006]一种基于单片机控制的数字智能M_bus集中器，它包括接收模块、发送模块接口电路、发送模块以及电源供电电路，所述的电源供电电路与接收模块、发送模块的供电信号端相连，所述的发送模块接口电路与远程的控制主机进行通信，接收主机的控制信号，所述的发送模块接口电路的控制信号输出端与发送模块的控制信号输入端相连，发送模块输出 M_bus信号至并接在M_bus总线上的负载即各类仪表装置；接收模块作为基于单片机控制的数字智能M_bus集中器的反馈信号采集端与负载的串联电阻相连，采集负载的电流变化引起的串联电阻上的电压变化信号，并将其转换为TTL信号，该接收模块的信号输出通过发送模块接口电路反馈至控制主机。[0007]本实用新型 的接收模块包括MCU单片机处理器、由电阻RDAC与电容CDAC组成的积分电路，由负载的串联电阻R20、电阻Rl和电容C102构成的AD采样滤波电路，比较器，由电阻R153、R103构成的分压电路以及由稳压二极管V6.5V、电阻R102和三极管Q3构成的输出电路，所述的MCU单片机处理器的A/D采样脚MCU_ADC1与电阻Rl相连，电阻RDAC的一端与接收模块中的单片机PWM输出脚MCU_DAC，另一端与电容CDAC的一端串接，电容CDAC 的另一端接地，电阻RDAC与电容CDAC的连接点与比较器的反相比例信号输入端相连，比较器的同相比例信号输入端串接电阻R103和电阻R20后接地，电容C102并接在电阻R20的两端，比较器的电源端、反相比例信号输入端和同相比例信号输入端之间并接分压电路，比较器的信号输出端依次串接稳压二极管V6.5V、电阻R102和三极管Q3，通过三极管Q3输出TTL信号至发送模块接口电路。[0008]本实用新型的接收模块还包括瞬态抑制高压二极管VTS9V，瞬态抑制高压二极管 VTS9V的正极接地，负极与比较器的同相比例信号输入端相连。[0009]本实用新型的发送模块是将发送模块接口电路过来的TTL信号转换成M_bus信号既高电平36V低电平20V进行输出，包括稳压芯片、场效应管M2、二极管D3、三极管Q2以及外围电路构成，所述的电阻RlOl的一端作为发送模块的信号输入与发送模块接口电路的输出端相连，电阻R' 01的另一端与三极管Q2基极相连，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2 的集电极通过电阻R123、R2001与场效应管M2的源极和栅极相连组成高电平输出电路，稳压芯片与二极管D3组成低电平输出电路并接在场效应管M2的源极和漏极上，电容ClOl与电容ClOO组成电源滤波电路。[0010]本实用新型的基于单片机控制的数字智能M_bus集中器还包括过载保护电路，该过载保护电路的一信号端与电源供电电路双向连接，另一信号端与负载即各类仪表装置双向连接。[0011]本实用新型的发送模块接口电路由RS232转TTL接口芯片、RS485转TTL接口芯片以及波动开关构成。[0012]本实用新型的电源供电电路采用宽电压9 12V、2A直流电源供电，一路通过隔离变压器输出+5V电源供发送模块接口电路使用，一路通过稳芯片供接收模块的MCU单片机处理器和发送模块接口电路使用，一路通过DC DC升压芯片IC5203至+36V供发送模块使用。[0013]本实用新型的升压芯片IC5203工作频率为500KHz，通过电感LI和续流二极管D2 及滤波电容C4、C5组成升压电路。[0014]本实用新型的有益效果:[0015]本实用新型的接收模块中增加了 DAC模块和模拟比较器作为辅助电路。单片机 DAC模块输出引脚与电阻RDAC和电容CDAC组成积分电 路。单片机通过输出占空比不同的波形经过积分电路实现输出256个等级的模拟电压。此电压值为电阻R20端采集到的稳态电压(总线为”1”时稳态电压)加上200mV，然后输入到比较器IC2901的负输入端。电阻R20 端电压输入到比较器IC2901的正输入端。当R20电阻上电压变化400mV时比较器输出信号翻转，依次通过稳压二极管V6.5V、电阻R102和三极管Q3，通过三极管Q3输出TTL信号至发送模块接口电路。[0016]本实用新型有效的克服了总线电压受温度影响受干扰影响带来的总线电压电流漂移导致数据通信失败的难题。本实用新型接收电路基于单片机对总线电流即串联在总线上的R20电阻电压进行实实采样，将采样到的电压叠加上200mV增量通过单片机和积分电路组成的DAC电路输出到比较器，这样有效的克服了总线电压电流漂移的问题。[0017]本实用新型接收电路基于数字单片机和模拟比较器相结合的方式，有效的克服了单纯数字电路处理输出波形延时的问题。总线电压电流变化可通过比较器实实比较来控制比较器的输出，可实现零延时传输。[0018]本实用新型电源电路采用了过载保护功能，有效解决了总线负载过大或总线短路对采集器和总线系统带来的损坏。当总线短路时采集器具有自动报警功能，报警指示灯亮同时切断总线电源，直到故障被排除后采集器自动恢复总线供电。[0019]本实用新型利用MBus总线连接各类仪表，可大大简化住宅小区，办公场所等能耗智能化管理系统的布线和连接，且具有结构简单、造价低廉、可靠性高的特点。大大节省了人工维护的费用，和管理费用。[0020]本实用新型采用MBus总线抄表有线传输距离可以达到1200米，高电平(36_42)V 低电平(18-24) V。具有传输距离远抗干扰能力强的特点。结合无线发射器可覆盖的范围更广。目前四表行业几乎都采用MBus总线抄表，由于总线只有两根而且不区分极性这给布线和施工带来很大的方便。工人施工时只需将仪表的两根总线接入到总线上即可。拓补结构非常简单，每只采集器可以挂载128台仪表，采集器上行线信号可通过无线DTU设备接入互联网实现不同小区内统一抄表管理，也可以通过集中器用有线的抄表方式进行同一小区的统一管理。维护成本低，维修更换新仪表时只需简单的将总线连接即可。运行安全，当总线短路时采集器具有自动报警功能，报警指示灯亮同时切断总线电源，直到故障被排除后采集器自动恢复总线供电。
[0021]图1是本实用新型的原理框图。[0022]图2是本实用新型中接收模块的电路图。[0023]图3是本实用新型中发送模块的电路图。[0024]图4是本实用新型中电源供电电路的电路图。
具体实施方式
[0025]
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。[0026]如图1所示，一种基于单片机控制的数字智能M_bus集中器，它包括接收模块、发送模块接口电路、发送模块以及电源供电电路，所述的电源供电电路与接收模块、发送模块的供电信号端相连，所述的发送模块接口电路与远程的控制主机进行通信，接收主机的控制信号，所述的发送模块接口电路的控制信号输出端与发送模块的控制信号输入端相连， 发送模块输出M_bus信号至并接在M_bus总线上的负载即各类仪表装置；接收模块作为基于单片机控制的数字智能M_bus集中器的反馈信号采集端与负载的串联电阻相连，采集负载的电流变化引起的串联电阻上的电压变化信号，并将其转换为TTL信号，该接收模块的信号输出通过发送模块接口电路反馈至控制主机。[0027]本实用新型的接收模块包括MCU单片机处理器、由电阻RDAC与电容CDAC组成的积分电路，由负载的串联电阻R20、电阻Rl和电容C102构成的AD采样滤波电路，比较器，由电阻R153、R103构成的分压电路以及由稳压二极管V6.5V、电阻R102和三极管Q3构成的输出电路，所述的MCU单片机处理器的A/D采样脚MCU_ADC1与电阻Rl相连，电阻RDAC的一端与接收模块中的单片机PWM输出脚MCU_DAC，另一端与电容CDAC的一端串接，电容CDAC 的另一端接地，电阻RDAC与电容CDAC的连接点与比较器的反相比例信号输入端相连，比较器的同相比例信号输入端串接电阻R103和电阻R20后接地，电容C102并接在电阻R20的两端，比较器的电源端、反相比例信号输入端和同相比例信号输入端之间并接分压电路，比较器的信号输出端依次串接稳压二极管V6.5V、电阻R102和三极管Q3，通过三极管Q3输出 TTL信号 至发送模块接口电路。[0028]接收电路工作过程:如图2所示M_bus+，M_bus-为M_bus总线的正极与负极接口，仪表返回数据是以变化的电流传输的。终端仪表向集中器发送的数据码流是一种电流脉冲序列，通常用1.5 mA的电流值表示逻辑“I”，当传输“O”时，由终端仪表终端控制可使电流值增加11 20 mA。在稳态时，线路上的值为持续的“I”状态。采集器将总线M_bus-负极通过串联一个20 Ω的电阻R20与“地”相连，当总线为“I”时单片机通过A/ D实实采集R20电阻上的电压，将采集的电压数值再加上200mV通过PWM方波驱动由电阻 RDAC与电容CDAC组成的积分电路来实现D/A转换。那么电容CDAC端的电压比电阻R20上的电压大200mV。电容CDAC端的电压输入到比较器IC2904的负输入端，电阻R20上的电压输入到比较器IC2904的正输入端，较器IC2904的输出端与NPN三极管Q3的基极相连， 此时比较器输出“O”三极管Q3截止，三极管Q3集电极通过上拉电阻输出“I”。当总线当传输“O”时总线电流增加11 20 mA那么在串联电阻R20上便有220mV_400mV的电压增加。此时电阻R20上的电压大于电容CDAC端的电压比较器输出“I”三极管Q3导通，三极管Q3集电极输出“O”。从而实现将变化的电流信号转换成TTL信号的过程。[0029]为了防止总线受到强电磁场的干扰导致单片机和比较器的损坏，在上图电路中增加了 VTS9V瞬态抑制高压二极管进行保护。[0030]为了防止总线短路造成系统瘫痪，上图由电阻R153与R103组成分压电路通过比较器实实比较电阻R20上的电压变化，当电阻R20上的电压大于电阻R153与R103组成分压时比较器输出控制信号切断总线电源。等待总线短路修复时再接通总线电源。[0031]如图3所示，本实用新型的发送模块是将发送模块接口电路过来的TTL信号转换成M_bus信号既高电平36V低电平20V进行输出，包括稳压芯 片、场效应管M2、二极管D3、 三极管Q2以及外围电路构成，所述的电阻RlOl的一端作为发送模块的信号输入与发送模块接口电路的输出端相连，电阻RlOl的另一端与三极管Q2基极相连，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极通过电阻R123、R2001与场效应管M2的源极和栅极相连组成高电平输出电路，稳压芯片与二极管D3组成低电平输出电路并接在场效应管M2的源极和漏极上，电容ClOl与电容ClOO组成电源滤波电路。[0032]发送模块的工作过程:由发送模块接口电路输入的TTL信号经过本发送模块的 TXD接口通过电阻RlOl偶合到三极管Q2的基极，当TTL信号输入“O”时，NPN型三极管Q2 截止，P型场效应管M2截止，M_bus+输出的电压由IC 78M20稳压输出20V电压通过二极管 D3提供。当TTL信号输入“I”时，NPN型三极管Q2导通，P型场效应管M2导通，M_bus+输出的电压为效应管M2导通输出的电压36V提供。[0033]本实用新型的基于单片机控制的数字智能M_bus集中器还包括过载保护电路，该过载保护电路的一信号端与电源供电电路双向连接，另一信号端与负载即各类仪表装置双向连接。[0034]本实用新型的发送模块接口电路由RS232转TTL接口芯片、RS485转TTL接口芯片以及波动开关构成。[0035]如图4所示，本实用新型的电源供电电路采用宽电压9 12V、2A直流电源供电， 一路通过隔离变压器输出+5V电源供发送模块接口电路使用，一路通过稳芯片供接收模块的MCU单片机处理器和发送模块接口电路使用，一路通过DC DC升压芯片IC5203至+36V 供发送模块使用。[0036]本实用新型的升压芯片IC5203工作频率为500KHz，通过电感L1和续流二极管D2 及滤波电容C4、C5组成升压电路。本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
权利要求1.一种基于单片机控制的数字智能M_bus集中器，其特征是它包括接收模块、发送模块接口电路、发送模块以及电源供电电路，所述的电源供电电路与接收模块、发送模块的供电信号端相连，所述的发送模块接口电路与远程的控制主机进行通信，接收主机的控制信号，所述的发送模块接口电路的控制信号输出端与发送模块的控制信号输入端相连，发送模块输出M_bus信号至并接在M_bus总线上的负载即各类仪表装置；接收模块作为基于单片机控制的数字智能M_bus集中器的反馈信号采集端与负载的串联电阻相连，采集负载的电流变化引起的串联电阻上的电压变化信号，并将其转换为TTL信号，该接收模块的信号输出通过发送模块接口电路反馈至控制主机。
2.根据权利要求1所述的基于单片机控制的数字智能M_bus集中器，其特征是所述的接收模块包括MCU单片机处理器、由电阻RDAC与电容CDAC组成的积分电路，由负载的串联电阻R20、电阻Rl和电容C102构成的AD采样滤波电路，比较器，由电阻R153、R103构成的分压电路以及由稳压二极管V6.5V、电阻R102和三极管Q3构成的输出电路，所述的MCU单片机处理器的A/D采样脚MCU_ADC1与电阻Rl相连，电阻RDAC的一端与接收模块中的单片机PWM输出脚MCU_DAC，另一端与电容CDAC的一端串接，电容CDAC的另一端接地，电阻RDAC 与电容CDAC的连接点与比较器的反相比例信号输入端相连，比较器的同相比例信号输入端串接电阻R103和电阻R20后接地，电容C102并接在电阻R20的两端，比较器的电源端、 反相比例信号输入端和同相比例信号输入端之间并接分压电路，比较器的信号输出端依次串接稳压二极管V6.5V、电阻R102和三极管Q3，通过三极管Q3输出TTL信号至发送模块接口电路。
3.根据权利要求2所述的基于单片机控制的数字智能M_bus集中器，其特征是所述的接收模块还包括瞬态抑制高压二极管VTS9V，瞬态抑制高压二极管VTS9V的正极接地，负极与比较器的同相比例信号输入端相连。
4.根据权利要求1所述的基于单片机控制的数字智能M_bus集中器，其特征是所述的发送模块包括稳压芯片、场效应管M2、二极管D3、三极管Q2以及外围电路构成，电阻RlOl 的一端作为发送模块的信号输入与发送模块接口电路的输出端相连，电阻RlOl的另一端与三极管Q2基极相连，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极通过电阻R123、R2001 与场效应管M2的源极和栅极相连组成高电平输出电路，稳压芯片与二极管D3组成低电平输出电路并接在场效应管M2的源极和漏极上，电容ClOl与电容ClOO组成电源滤波电路。
5.根据权利要求1所述的基于单片机控制的数字智能M_bus集中器，其特征是所述的基于单片机控制的数字智能M_bus集中器还包括过载保护电路，该过载保护电路的一信号端与电源供电电路双向连接，另一信号端与负载即各类仪表装置双向连接。
6.根据权利要求1所述的基于单片机控制的数字智能M_bus集中器，其特征是所述的发送模块接口电路由RS232转TTL接口芯片、RS485转TTL接口芯片以及波动开关构成。
7.根据权利要求1 所述的基于单片机控制的数字智能M_bus集中器，其特征是所述的电源供电电路采用宽电压9 12V、2A直流电源供电，一路通过隔离变压器输出+5V电源供发送模块接口电路使用，一路通过稳芯片供接收模块的MCU单片机处理器和发送模块接口电路使用，一路通过DC DC升压芯片IC5203至+36V供发送模块使用。
8.根据权利要求7所述的基于单片机控制的数字智能M_bus集中器，其特征是所述的升压芯片IC5203工作频率为500KHz，通过电感LI和续流二极管D2及滤波电容C4、C5组成升压电路 。
专利摘要一种基于单片机控制的数字智能M_bus集中器，它包括接收模块、发送模块接口电路、发送模块以及电源供电电路，发送模块接口电路与远程的控制主机进行通信，接收主机的控制信号，发送模块接口电路的控制信号输出端与发送模块的控制信号输入端相连，发送模块与各类仪表装置相连；接收模块与负载的串联电阻相连，采集负载的电流变化引起的串联电阻上的电压变化信号，并将其转换为TTL信号，该接收模块的信号输出通过发送模块接口电路反馈至控制主机。本实用新型利用MBus总线连接各类仪表，可大大简化住宅小区，办公场所等能耗智能化管理系统的布线和连接，且具有结构简单、造价低廉、可靠性高的特点。
文档编号G05B19/418GK203149372SQ20132011572
公开日2013年8月21日 申请日期2013年3月14日 优先权日2013年3月14日
发明者吴兴中 申请人:吴兴中