一种M‑Bus总线主机电路的制作方法

本实用新型涉及通讯技术领域，尤其适用于热表、水表、电表、气表的M-Bus总线通讯，具体涉及一种M-Bus总线主机数据发送与接收电路。

背景技术：

M-Bus(Metering-Bus的缩写)是一种专门为计量仪表数据远程传输而设计的主从式半双工总线，采用“主站主叫-从站应答”的方式通讯，是测量仪表数据数字化的一种重要技术。M-Bus总线是两线制总线，虽然分为总线正端和负端，但连接负载时不用区分正负极性，为具体应用带来很大便利。M-Bus总线采用独特的电气信号传输数据，主机端以+24V、+36V电压变化的形式发送信号，从机端返回数据时，以改变自身阻抗，间接改变总线电流的形式向主机端返回信号，这种电气信号很大程度地提高了系统抗干扰性。

虽然目前M-Bus总线在计量仪表行业中已经获得广泛应用，但仍然没有一种通用的M-Bus总线主机端电路形式，各个厂家自行设计的M-Bus主机电路结构不一，但普遍结构复杂、负载能力较小、数据接收解析能力受总线负载从机数量影响等缺点。

技术实现要素：

针对现有技术缺陷，本实用新型提出一种M-Bus总线主机电路，其结构简单、负载量大、可自适应总线从机数量，具有总线过载保护功能，且只需要一路+24V电源供电。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种M-Bus总线主机电路，所述M-Bus总线具有正端和负端，所述M-Bus总线主机电路外接总线从机，包括：电源转换电路、数据发送调制电路、数据采样电路、数据接收解析电路、总线过载保护电路以及MCU(Microcontroller Unit；微控制单元，又称单片机)；其中，所述电源转换电路分别与所述数据发送调制电路、所述数据采样电路、所述数据接收解析电路、所述总线过载保护电路以及所述MCU相连接，以提供电力；所述数据发送调制电路与所述总线过载保护电路相连接，所述数据发送调制电路的输入信号为MCU的发送信号，调制后的输出信号经所述总线过载保护电路输出到M-Bus总线的正端；所述总线过载保护电路还与所述数据采样电路相连接，所述数据采样电路与所述数据接收解析电路皆连接至M-Bus总线的负端；所述数据接收解析电路的输入为所述数据采样电路的采样电压，输出为根据所述采样电压的变化解析得到的总线从机返回数据的解析结果；所述总线过载保护电路的输入为阈值电压和所述数据采样电路的采样电压，当总线电流过大时，采样电压高于阈值电压，这时限制总线输出，对M-Bus设备进行保护；所述MCU分别与所述数据发送调制电路、所述数据接收解析电路相连接，所述MCU具有输入端和输出端，所述输入端接收来自所述数据接收解析电路的所述解析结果，所述输出端发送所述MCU的发送信号至所述数据发送调制电路；所述数据采样电路接地。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

优选地，所述电源转换电路的输入电压为+24V，输出电压为+36V和+5V。

优选地，由MCU发送信号MCU-TX经光耦U3隔离转换为M-Bus-TX信号，光耦U3的M-Bus-TX信号引脚与电阻R2、R4相连，R2的另一端连接+36V电压，R4的另一端连接三极管Q2的基极，Q2的发射极接地，集电极与MOS管Q1的栅极连接，并且Q2的集电极经电阻R1连接到+36V上；MOS管Q1的源极连接+36V电压，漏极连接二极管D1的阳极；二极管D2的阳极与+24V电源相连，D1、D2的阴极连接到一起，作为M-Bus总线的正极端，经总线过载保护电路连接到M-Bus输出接口；+36V和+24V两路电压分别经二极管D1、D2连接到M-Bus总线正端。

优选地，在总线过载保护电路中，采样电压Us输入到运放U2B反相输入端，U2B同相输入端连接电阻R8和电阻R9、R8另一端连接+5V电源，R9另一端接地；运放U2B的输出端通过电阻R6连接三极管Q4的基极，Q4的发射极接地，集电极通过电阻R7连接电阻R5和MOS管Q3的栅极，电阻R5的另一端连接MOS管Q3的源极，运放U2B构成一个比较器，电阻R8、R9分压产生总线过载阈值电压U_th输入U2B的同相输入端。

优选地，所述采样电压Us经电阻R11连接到运放U1A的同相输入端，U1A的反相输入端与U1A的输出端连接到一起；运放U1A的输出端连接到运放U1B的同相输入端，U1B的反相输入端经电阻R18接地，并经电阻R17连接到U1B的输出端；运放U1B的输出端经电阻R15连接到运放U2A的同相输入端，同时运放U1B的输出端连接到肖特基二极管D3的阳极，D3的阴极经电阻R16连接到运放U2A的反相输入端；运放U2A的同相输入端经相并联的电容C4和电阻R14接地，同时U2A同相输入端经电容C1连接到U2A的输出端，运放U2A的输出为M-Bus总线接收数据解析后的信号M-Bus-RX；M-Bus-RX信号经光耦U4隔离转换为信号MCU-RX，MCU-RX作为最终解析结果输出到MCU。

优选地，在数据采样电路中，在M-Bus总线的负端和地之间设有一个总线采样电阻R10。

优选地，所述总线采样电阻为15欧姆，功率不小于2W。

本实用新型的有益效果是：只需要一个+24V电源供电，结构简单，便于应用；负载能力大，总线电流可达266mA；接收M-Bus总线从机返回数据时，使用采用采样电容的动态采样电压作为参考电压，可自适应总线负载数量，总线负载从机数量对抄表结果无影响，具有较强的适应性，稳定性较高；具有总线过载保护功能，当总线负载过大或发生短路时，可自动限制总线电流在安全范围内，具有较高可靠性。

附图说明

图1为本实用新型的M-Bus总线主机电路的结构框图；

图2为本实用新型的数据发送调制电路、总线过载保护电路和数据采样电路的电路图；

图3为本实用新型的数据接收解析电路的电路图。

在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：

100 电源转换电路

200 数据发送调制电路

300 数据采样电路

400 数据接收解析电路

500 总线过载保护电路

600 MCU

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

请参照图1所示，其为本实用新型的M-Bus总线主机电路的结构示意图。所述M-Bus总线具有正端和负端，所述M-Bus总线主机电路外接总线从机(图未示)；在本实用新型中，所述M-Bus总线主机电路包括：电源转换电路100、数据发送调制电路200、数据采样电路300、数据接收解析电路400、总线过载保护电路500以及MCU600，其中，

所述电源转换电路100的输入电压为+24V，输出电压为+36V和+5V，为本实用新型的M-Bus总线主机电路提供所需电力。

所述数据发送调制电路200与所述总线过载保护电路500相连接，所述数据发送调制电路200的输入信号为MCU向总线发送的信号MCU-TX，调制后的输出信号经所述总线过载保护电路500输出到M-Bus总线的正端；所述总线过载保护电路500还与所述数据采样电路300相连接，所述数据采样电路300与所述数据接收解析电路400皆连接至M-Bus总线的负端；当总线从机(图未示)有数据返回时，总线电流变化，引起所述数据采样电路300中采样电压Us变化，所述数据采样电路300将所述采样电压Us输入到所述数据接收解析电路400和所述总线过载保护电路500；所述数据接收解析电路400的输入为所述采样电压Us，根据所述采样电压Us的变化解析得到总线从机的返回数据MCU-RX；所述总线过载保护电路500的输入为阈值电压和采样电压Us，当总线电流过大时，采样电压Us高于阈值电压，这时限制总线输出，对M-Bus设备进行保护。

所述MCU600分别与所述数据发送调制电路200、所述数据接收解析电路400相连接，所述MCU600具有输入端和输出端，所述输入端接收来自所述数据接收解析电路400的解析结果MCU-RX，即所述输出端发送所述MCU的发送信号MCU-TX至所述数据发送调制电路200；

此外，所述数据采样电路300接地。

接下来，请参照图2所示，其为本实用新型的数据发送调制电路、总线过载保护电路以及数据采样电路的电路图；由MCU发送信号MCU-TX经光耦U3隔离转换为M-Bus-TX信号，光耦U3的M-Bus-TX信号引脚与电阻R2、R4相连，R2的另一端连接+36V电压，R4的另一端连接三极管Q2的基极，Q2的发射极接地，集电极与MOS管Q1的栅极连接，并且Q2的集电极经电阻R1连接到+36V上；MOS管Q1的源极连接+36V电压，漏极连接二极管D1的阳极；二极管D2的阳极与+24V电源相连，D1、D2的阴极连接到一起，作为M-Bus总线的正极端，经总线过载保护电路连接到M-Bus输出接口；+36V和+24V两路电压分别经二极管D1、D2连接到M-Bus总线正端，当MOS管Q1导通时D1导通D2截止，此时总线电压为+36V，当MOS管Q1截止时D1截止D2导通，此时总线电压为+24V；发送数据信号MCU-TX经光耦U3隔离转换为M-Bus-TX信号，M-Bus-TX经过三极管Q2控制MOS管Q1的导通或截止，当MCU-TX为信号‘1’时M-Bus-TX为高电平，这时三极管Q2的基极为+36V高电平，Q2处于导通状态，MOS管Q1满足导通条件，总线输出为+36V；相反地，当MCU-TX为信号‘0’时，Q1截止，总线输出+24V。+36V和+24V两路电压分别经二极管D1、D2连接到M-Bus总线正端，当MOS管Q1导通时D1导通D2截止，此时总线电压为+36V，当MOS管Q1截止时D1截止D2导通，此时总线电压为+24V。发送数据信号MCU-TX经光耦U3隔离转换为M-Bus-TX信号，M-Bus-TX经过三极管Q2控制MOS管Q1的导通或截止，当MCU-TX为信号‘1’时M-Bus-TX为高电平，这时三极管Q2的基极为+36V高电平，Q2处于导通状态，MOS管Q1满足导通条件，总线输出为+36V；相反地，当MCU-TX为信号‘0’时，Q1截止，总线输出+24V。

在总线过载保护电路中，采样电压Us输入到运放U2B反相输入端，U2B同相输入端连接电阻R8和电阻R9，R8另一端连接+5V电源，R9另一端接地；运放U2B的输出端通过电阻R6连接三极管Q4的基极，Q4的发射极接地，集电极通过电阻R7连接电阻R5和MOS管Q3的栅极，电阻R5的另一端连接MOS管Q3的源极。运放U2B构成一个比较器，电阻R8、R9分压产生总线过载阈值电压U_th输入U2B的同相输入端，当总线负载未超过最大负载时，采样电压Us低于过载阈值U_th，此时比较器U2B输出高电平，三极管Q4处于导通状态，MOS管Q3满足导通条件，总线正常输出；当总线负载较大时，采样电压Us超过过载阈值U_th，U2B输出低电平，Q4处于截止状态，MOS管Q3不满足导通条件，总线输出禁止；以此来保证总线电流在安全范围。

数据采样电路则是在M-Bus总线的负端和地之间设有一个总线采样电阻，即15欧姆电阻R10；为了保证当总线负载较大时电路可正常工作，采样电阻R10的功率不小于2W。

接下来，请参照图3所示，其为本实用新型的数据接收解析电路的电路图。所述总线过载保护电路的输入信号为采样电压Us和过载保护阈值电压，经电路比较这两个电压，控制总线是否输出；采样电压Us经电阻R11连接到运放U1A的同相输入端，U1A的反相输入端与U1A的输出端连接到一起；运放U1A的输出端连接到运放U1B的同相输入端，U1B的反相输入端经电阻R18接地，并经电阻R17连接到U1B的输出端；运放U1B的输出端经电阻R15连接到运放U2A的同相输入端，同时运放U1B的输出端连接到肖特基二极管D3的阳极，D3的阴极经电阻R16连接到运放U2A的反相输入端；运放U2A的同相输入端经相并联的电容C4和电阻R14接地，同时U2A同相输入端经电容C1连接到U2A的输出端，运放U2A的输出即为M-Bus总线接收数据解析后的信号M-Bus-RX；M-Bus-RX信号经光耦U4隔离转换为输入到MCU的信号MCU-RX。

运放U1A构成一个电压跟随器，将采样电阻的总线采样电压Us输入到运放U1B的同相输入端，运放U1B构成一个同向比例运算电路，通过设定合适的R17、R18电阻阻值将放大倍数设置为6倍，将采样电压Us放大6倍后输出U_amp；运放U2A组成一个比较器，U_amp经电阻R15输入到U2A同相输入端，经肖特基二极管D3和电阻R16输入到反相输入端，比较器U2A的输出即为解析后的总线信号M-Bus-RX。设二极管D3导通电压为V_f，当M-Bus总线处于静态状态时因为二极管D3的存在，比较器U2A的同相输入端电压比反相输入端高V_f，U2A输出高电平，即此时M-Bus-RX为高电平，以此保证M-Bus总线静态时输出信号为高电平。在比较器U2A的同向输入端连接有电容C4和电阻R14，C4和R14并联后接地，因电容C4的存在导致U2A同相输入端电压不能突变，利用采样电容C4上的动态电压作为参考电压，实现从机返回数据的解析；当M-Bus总线接收信号从‘1’变为‘0’时导致采样电压Us突然增大，此时比较器U2A的反相输入端电压立即升高，而同相输入端因电容C4的存在慢慢升高，这段时间内U2A的反相输入端电压高于同相输入端，输出低电平，即得到M-Bus-RX为‘0’信号；同理，当总线接收信号从‘0’变为‘1’时，采样电压Us突然减小，此时U2A反相输入端电压突然减小，低于同相输入端电压，输出高电平，即得到M-Bus-RX为‘1’信号。

M-Bus总线从机返回数据‘1’时总线电流为0-1.5mA，返回数据‘0’时总线电流增大11-20mA。假设总线动态电流为11mA，在采样电阻为15欧姆时，总线采样电压Us变化为(11mA×15Ω＝165mV)，经6倍放大后电压变化变为990mV，保证总线电压变化高于肖特基二极管压降V_f，使电路可以正确解析总线数据。运放U1A、U1B、U2A供电电压均为24V，设总线最大允许电流为I_max，则需要满足(I_max×15Ω×6＜24V)，得到I_max为266mA。

由此，本实用新型只需要一个+24V电源供电，结构简单，便于应用；负载能力大，总线电流可达266mA；接收M-Bus总线从机返回数据时，使用采用采样电容的动态采样电压作为参考电压，可自适应总线负载数量，总线负载从机数量对抄表结果无影响，具有较强的适应性，稳定性较高；具有总线过载保护功能，当总线负载过大或发生短路时，可自动限制总线电流在安全范围内，具有较高可靠性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。