本实用新型涉及智能能耗采集系统技术领域，具体为一种基于Boost升压电路的MBus-USB协议转换器。
背景技术：
MBus总线又称为Meter Bus总线，主要用于电表、水表、气表和热量表的远程数据传输，其主要特点是利用电源线在给设备供电的同时，完成数据的收发采集。由此可以将MBus分为主机、从机两部分，主机用于给从机供电，并完成发送采集命令和接收返回能耗数据的功能；从机则为各个能耗表(包括电表、水表、气表和热量表)，其从通信线路上获取能量，并监听主机发送过来的命令，从而将自身的能耗数据上传给主机系统；USB总线是当前计算机中最为广泛的应用接口，而现有很多场合直接使用计算机作为数据采集分析设备用于各种现场总线系统中；MBus是一种具有特定应用范围的总线形式，其使用并不广泛，任何计算机设备均不直接支持，使用MBus-RS232协议转换器将MBus数据信号转换为RS232数据信号后，由于现有的计算机系统大部分已不支持RS232接口，所以还需将信号进一步转换为USB信号才能使用。如果能直接将MBus信号转化为USB信号，将大幅度降低系统的复杂度，所以MBus-USB协议转换器具有广泛的市场应用前景；目前MBus-USB协议转换器的成熟方案并不多见，一般用于手持便携式设备，不能在工业场合长时间应用，因此提出一种基于Boost升压电路的MBus-USB协议转换器。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种基于Boost升压电路的MBus-USB协议转换器，具有效率高，可自调整，运行稳定可靠的优点，解决了现有技术中无隔离保护，运行稳定性欠佳，输出功率有限，能耗高，电路复杂，从机数目不可自适应，使用不便的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于Boost升压电路的MBus-USB协议转换器，具有效率高，可自调整，运行稳定可靠的优点，解决了现有技术中无隔离保护，运行稳定性欠佳，输出功率有限，能耗高，电路复杂，从机数目不可自适应，使用不便的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于Boost升压电路的MBus-USB协议转换器，包括DCDC降压模块、24VBoost升压模块、36VBoost升压模块、输出电平转换模块、MBus输出接口、CPU、放大模块、比较模块、USB隔离转换电路和USB接口，所述DCDC降压模块、24VBoost升压模块和36VBoost升压模块均接12V电源输入端，24VBoost升压模块和36VBoost升压模块的输出端均与输出电平转换模块输入端电连接，输出电平转换模块的输出端与MBus输出接口电连接，输出电平转换模块和CPU的输入端接USB隔离转换电路，CPU的输出端串接放大模块与MBus输出接口输入端电连接，比较模块的输入端接USB隔离转换电路，比较模块的输出端接放大模块输入端，放大模块的输出端串接采样电阻接地，USB隔离转换电路的输入端接USB接口。
优选的，所述DCDC降压模块集成在DCDC降压电路上，DCDC降压电路采用芯片U1和接口P1，芯片U1的型号为LM2576T-5.0，芯片U1的引脚1与接口P1的引脚1电连接，芯片U1的引脚3和引脚5接电容C1接芯片P1的引脚1，芯片U1的引脚2串接电感L1，电感L1的输出端依次串接电阻R2、二极管D4和二极管D3与电感L1输入端电连接，电感L1的输出端接电容C3与二极管D3的输入端并接，芯片U1的引脚4与电容C3的输入端电连接。
优选的，所述24VBoost升压模块和36VBoost升压模块分别集成在24VDCDC升压电路和36VDCDC升压电路上，24VDCDC升压电路和36VDCDC升压电路线路相同，24VDCDC升压电路采用芯片U3，芯片U3型号为UC3843AL，芯片U3的引脚2串接电阻R4接地，芯片U3的引脚1串接电阻R3、电阻R2和电容C7接地，电阻R3的两端并接电容C5，芯片U3的引脚8接电容C8与电阻R4的输出端电连接，电容C8的输入端接三极管Q3的集电极，三极管Q3的基极接芯片U3的引脚4，三极管Q3的发射极串接电阻R14接芯片U3引脚3，三极管Q3接电阻R7和电容C9接地，芯片U3的引脚6串接电阻R5接场效应管Q2的栅极，场效应管Q2的漏极接电感L2接12V电源输入端子，电感L2的输出端接芯片U2接电容C7的输入端，场效应管Q2的原籍接电阻R10接地，电阻R5的输出端接电阻R6、电阻R9和电容C11与电阻R10的输出端并接，电阻R9的输出端与电阻R14的输出端电连接。
优选的，所述输出电平转换模块集成在输出电平转换电路上，输出电平转换电路包括三极管Q6和三极管Q8，三极管Q6的基极串接电阻R22接TXD信号输入端子，三极管Q6的基极与三极管Q8的基极电连接，三极管Q8的基极接电阻R27与三极管Q8的发射极电连接，三极管Q6和三极管Q8的发射极均接地，三极管Q6的集电极串接电阻R21接场效应管Q5的栅极，三极管Q8的集电极串接电阻R23接场效应管Q7的栅极，场效应管Q5的漏极串接电阻R19与电阻R21的输出端电连接，场效应管Q5的栅极接电阻R20接36V电源输入端，场效应管Q5的源极与超效应管Q7的漏极电连接，场效应管Q7的源极串接电阻R8和二极管D14接地，超效应管Q7的输入端接芯片P4的引脚3，芯片P4的引脚3与芯片P5的引脚3电连接，芯片P4的输入端接二极管D10接24V电源输入端，二极管D10的输出端接二极管D11接芯片P5的引脚1，二极管D11的输出端接电阻R30接地。
优选的，所述放大模块和比较模块集成在放大和比较电路上，放大和比较电路采用芯片U8和芯片U10，芯片U8型号为LM393，芯片U10型号为LM358，芯片U8的引脚1接RXD信号端子和电阻R45，电阻R45的输入端接5V电源输入端子，电阻R45的输出端接二极管D20接5V电源输入端子，芯片U8的引脚8接电容C28接地，电容C28的输入端接24V电源输入端子，芯片U8的引脚6接芯片U10的引脚3，芯片U10的引脚8接电容C34接地，电容C34的输入端接24V电源输入端子。
优选的，所述CPU集成在主控CPU电路上，主控CPU电路采用芯片U5，芯片U5的型号为ATMEGA168-20AU，芯片U5的引脚15接芯片P3的引脚1，芯片U5的引脚16接芯片P3的引脚9，芯片U5的引脚17接芯片P3的引脚7，芯片P3的引脚2接芯片U5的引脚4和引脚6，芯片U5的引脚23接电阻R25接36V电源输入端，电阻R25的输出端串接电UR32接地，芯片U5的引脚7依次接电容C26和电容C27接芯片U5的引脚8，芯片U5的引脚31接RXD信号端子，芯片U5的9接TXD信号端子，芯片U5的引脚10接电阻R43和电容C30接地。
优选的，所述USB隔离转换电路采用芯片U6、芯片U7和芯片P6，芯片U6的型号为CH341T，芯片U7的型号为ADUM1201，芯片U6的引脚3接芯片U7的引脚3，芯片U6的引脚4接芯片U7的引脚2，芯片U6的引脚6串接电容C12接地，芯片U6的引脚7串接电阻R26接芯片P6的引脚3，芯片U6的引脚8串接电阻R27接芯片P6的引脚2，芯片U6的引脚9串接电容C14接地，芯片U6的引脚10接晶振器Y1并接电容C14的输入端，晶振器Y1的输入端接电容C15与电容C14的输出端并接，芯片U6的引脚7接二极管D4接地，芯片U6的引脚8接二极管D5与二极管D4的输出端电连接，二极管D4的输出端接二极管D3接USB电源端；所述芯片P6的引脚6接电感L2接地，芯片P6的引脚5接电感L2的输入端，芯片P6的引脚1接USB电源端，芯片P6的引脚4接地；所述芯片U6的引脚19接电容C11接USB电源端，芯片U6的引脚20接电容C11的输入端，芯片U6的引脚13接电源端，芯片U6的引脚11和引脚接电容C13与电源输入端电连接；所述芯片U7的引脚5接地，芯片U7的引脚6接TXD信号端子，芯片U7的引脚7接RXD信号端子，芯片U7的引脚8接电源端。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
本基于Boost升压电路的MBus-USB协议转换器将采样电阻上所得的电压信号送入放大和比较电路中进行信号放大，并将此信号同时送入CPU的采样端，使得CPU可实时监控总线上的电流情况，放大后的信号送入比较模块，同时CPU通过PWM+阻容滤波方式也产生一路直流模拟量送比较模块，实时调整送入比较模块的电压，通过比较模块整型出数字信号送RXD；由于MBus是半双工工作方式，通过CPU控制比较模块，当有TXD信号时，不会产生RXD信号，当将TXD信号转换为MBus信号时，线路上也会产生电流变化，将TXD信号同时接入CPU，当TXD有信号发出时，CPU调节送入比较模块的电压幅度，锁死比较模块的输出电压，保证RXD信号没有数据输出，从而完成可靠的半双工的工作方式，极大程度的减小了工作复杂度，一般情况下，可直接使用，TXD和RXD信号经过USB隔离转换电路后，送USB电平转换芯片输出，USB侧电源从计算机直接取电，进行MBus与计算机之间的隔离防护，使计算机运行安全可靠，整体效率高，输出功率高，能耗低，可适应不同的从机数目，运行稳定性高，电路简单，使用方便。
附图说明
图1为本实用新型的总体框图；
图2为本实用新型的DCDC降压电路图；
图3为本实用新型的24VDCDC升压电路图；
图4为本实用新型的36VDCDC升压电路图；
图5为本实用新型的输出电平转换电路图；
图6为本实用新型的放大和比较电路；
图7为本实用新型的主控CPU电路；
图8为本实用新型的USB隔离转换电路图。
图中：1DCDC降压模块、2-24VBoost升压模块、3-36VBoost升压模块、4输出电平转换模块、5MBus输出接口、6CPU、7放大模块、8比较模块、9USB隔离转换电路、10USB接口。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1-8，一种基于Boost升压电路的MBus-USB协议转换器，包括DCDC降压模块1、24VBoost升压模块2、36VBoost升压模块3、输出电平转换模块4、MBus输出接口5、CPU6、放大模块7、比较模块8、USB隔离转换电路9和USB接口10，DCDC降压模块1、24VBoost升压模块2和36VBoost升压模块3均接12V电源输入端，24VBoost升压模块2和36VBoost升压模块3的输出端均与输出电平转换模块4输入端电连接，输出电平转换模块4的输出端与MBus输出接口5电连接，输出电平转换模块4和CPU6的输入端接USB隔离转换电路9，CPU6的输出端串接放大模块7与MBus输出接口5输入端电连接，比较模块8的输入端接USB隔离转换电路9，比较模块8的输出端接放大模块7输入端，放大模块7的输出端串接采样电阻接地，USB隔离转换电路9的输入端接USB接口10；DCDC降压模块1集成在DCDC降压电路上，DCDC降压电路采用芯片U1和接口P1，芯片U1的型号为LM2576T-5.0，芯片U1的引脚1与接口P1的引脚1电连接，芯片U1的引脚3和引脚5接电容C1接P1的引脚1，芯片U1的引脚2串接电感L1，电感L1的输出端依次串接电阻R2、二极管D4和二极管D3与电感L1输入端电连接，电感L1的输出端接电容C3与二极管D3的输入端并接，芯片U1的引脚4与电容C3的输入端电连接，DCDC降压电路将输入电压10-30V转换为5V，主芯片采用LM2576T-5.0，使用DCDC方式，可得到最高效率；24VBoost升压模块2和36VBoost升压模块3分别集成在24VDCDC升压电路和36VDCDC升压电路上，24VDCDC升压电路和36VDCDC升压电路线路相同，24VDCDC升压电路采用芯片U3，芯片U3型号为UC3843AL，芯片U3的引脚2串接电阻R4接地，芯片U3的引脚1串接电阻R3、电阻R2和电容C7接地，电阻R3的两端并接电容C5，芯片U3的引脚8接电容C8与电阻R4的输出端电连接，电容C8的输入端接三极管Q3的集电极，三极管Q3的基极接芯片U3的引脚4，三极管Q3的发射极串接电阻R14接芯片U3引脚3，三极管Q3接电阻R7和电容C9接地，芯片U3的引脚6串接电阻R5接晶场效应管Q2的栅极，场效应管Q2的漏极接电感L2接12V电源输入端子，电感L2的输出端接芯片U2接电容C7的输入端，场效应管Q2的原籍接电阻R10接地，电阻R5的输出端接电阻R6、电阻R9和电容C11与电阻R10的输出端并接，电阻R9的输出端与电阻R14的输出端电连接，24VDCDC升压电路和36VDCDC升压电路的主控芯片采用UC3843AL，可产生3-5A驱动电流，其输出功率远大于现有公开专利所标称的输出功率，且由于采用开关工作方式，这样在达到高效率的同时，也维持高效率输出；输出电平转换模块4集成在输出电平转换电路上，输出电平转换电路包括三极管Q6和三极管Q8，三极管Q6的基极串接电阻R22接TXD信号输入端子，三极管Q6的基极与三极管Q8的基极电连接，三极管Q8的基极接电阻R27与三极管Q8的发射极电连接，三极管Q6和三极管Q8的发射极均接地，三极管Q6的集电极串接电阻R21接场效应管Q5的栅极，三极管Q8的集电极串接电阻R23接场效应管Q7的栅极，场效应管Q5的漏极串接电阻R19与电阻R21的输出端电连接，场效应管Q5的栅极接电阻R20接36V电源输入端，场效应管Q5的源极与超效应管Q7的漏极电连接，场效应管Q7的源极串接电阻R8和二极管D14接地，超效应管Q7的输入端接芯片P4的引脚3，芯片P4的引脚3与芯片P5的引脚3电连接，芯片P4的输入端接二极管D10接24V电源输入端，二极管D10的输出端接二极管D11接芯片P5的引脚1，二极管D11的输出端接电阻R30接地，输出电平转换电路由TXD直接进行控制，为了达到高效率输出，功率器件均采用大功率场效应管，在电路输出端加入瞬态抑制二极管，以起到浪容防护作用，在输出接口的负极对地加入2欧姆采样功率电阻，用以获得总线上电流的变化，从而接收从机的会送信号；放大模块7和比较模块8集成在放大和比较电路上，放大和比较电路采用芯片U8和芯片U10，芯片U8型号为LM393，芯片U10型号为LM358，芯片U8的引脚1接RXD信号端子和电阻R45，电阻R45的输入端接5V电源输入端子，电阻R45的输出端接二极管D20接5V电源输入端子，芯片U8的引脚8接电容C28接地，电容C28的输入端接24V电源输入端子，芯片U8的引脚6接芯片U10的引脚3，芯片U10的引脚8接电容C34接地，电容C34的输入端接24V电源输入端子，对采样电阻上所产生的电压信号进行放大，将放大后的数据送入比较模块8的同时，也送入CPU6，CPU6根据采样值的大小以PWM的方式动态调整输入到比较模块8的电压值，从而适应从机数目的多少，提高系统的稳定性，信号经过比较模块8整型后，即可变为数字信号，直接送RXD输出即可；CPU6集成在主控CPU电路上，主控CPU电路包括芯片U5，芯片U5的型号为ATMEGA168-20AU，芯片U5的引脚15接芯片P3的引脚1，芯片U5的引脚16接芯片P3的引脚9，芯片U5的引脚17接芯片P3的引脚7，芯片P3的引脚2接芯片U5的引脚4和引脚6，芯片U5的引脚23接电阻R25接36V电源输入端，电阻R25的输出端串接电UR32接地，芯片U5的引脚7依次接电容C26和电容C27接芯片U5的引脚8，芯片U5的引脚31接RXD信号端子，芯片U5的9接TXD信号端子，芯片U5的引脚10接电阻R43和电容C30接地，芯片U5使用ATMEGA168-20AU，价格便宜，性能可靠，运行稳定，使用AD引脚对放大模块7的输出电压进行采样，以PWM方式动态调整送入比较模块8的电压值，同时接收TXD信号，当确认TXD线路上有信号时，发送电压封闭比较模块8输出，从而形成稳定的半双工电路；USB隔离转换电路9采用芯片U6、芯片U7和芯片P6，芯片U6的型号为CH341T，芯片U7的型号为ADUM1201，芯片U6的引脚3接芯片U7的引脚3，芯片U6的引脚4接芯片U7的引脚2，芯片U6的引脚6串接电容C12接地，芯片U6的引脚7串接电阻R26接芯片P6的引脚3，芯片U6的引脚8串接电阻R27接芯片P6的引脚2，芯片U6的引脚9串接电容C14接地，芯片U6的引脚10接晶振器Y1并接电容C14的输入端，晶振器Y1的输入端接电容C15与电容C14的输出端并接，芯片U6的引脚7接二极管D4接地，芯片U6的引脚8接二极管D5与二极管D4的输出端电连接，二极管D4的输出端接二极管D3接USB电源端；芯片P6的引脚6接电感L2接地，芯片P6的引脚5接电感L2的输入端，芯片P6的引脚1接USB电源端，芯片P6的引脚4接地；芯片U6的引脚19接电容C11接USB电源端，芯片U6的引脚20接电容C11的输入端，芯片U6的引脚13接电源端，芯片U6的引脚11和引脚接电容C13与电源输入端电连接；芯片U7的引脚5接地，芯片U7的引脚6接TXD信号端子，芯片U7的引脚7接RXD信号端子，芯片U7的引脚8接电源端，USB隔离转换电路9使用ADUM1201完成电路的信号隔离，使用芯片U6完成信号的转换，USB部分电路带有EMC防护。
该基于Boost升压电路的MBus-USB协议转换器的系统电源输入采用DC10-30V宽电压输入(输入电源可由直流稳压电源得到，或电池直接供电)，由于其宽电压供电，所以可以支持单节12V电池供电，或双节12V电池串联供电，直流电源输入后，分别送入DCDC降压电路、24VDCDC升压电路和36VDCDC升压电路，DCDC降压电路将输入电压转换为5V稳定电压，给CPU6、放大模块7和比较模块8供电，24VDCDC升压电路和36VDCDC升压电路分别得到24V电压和36V电压，将24V电压和36V电压送入输出电平转换电路，此电路由传递到本模块的数据发送引脚TXD进行控制，产生MBus的输出电平；在MBus的输出接口5的负极对地连接采样电阻，用于采样MBus总线上的电流，从而接收从机传递回来的信号，由于系统中从机数目、从机分布状态以及从机到主机距离的不同，其总线上的电流不尽相同，所以MBus输入接口5的负极对地连接采样电阻所产生的电压会随系统的布线实际情况而变化，工作时，首先将采样电阻上所得的电压信号送入放大和比较电路中进行信号放大，并将此信号同时送入CPU6的采样端，使得CPU6可实时监控总线上的电流情况，放大后的信号送入比较模块8，同时CPU6通过PWM+阻容滤波方式也产生一路直流模拟量送比较模块8，由于CPU6本身知道采样信号的大小，所以可以实时调整送入比较模块8的电压，通过比较模块8整型出数字信号送RXD；由于MBus是半双工工作方式，通过CPU6控制比较模块8，当有TXD信号时，不会产生RXD信号，当将TXD信号转换为MBus信号时，线路上也会产生电流变化，如果没有CPU6进行控制，就直接在RXD上产生误动作信号，这将增加用户使用MBus模块上的工作量，将TXD信号同时接入CPU6，当TXD有信号发出时，CPU6调节送入比较模块8的电压幅度，锁死比较模块8的输出电压，保证RXD信号没有数据输出，从而完成可靠的半双工的工作方式，极大程度的减小了减工作复杂度，一般情况下，可直接使用，TXD和RXD信号经过USB隔离转换电路9后，送USB电平转换芯片输出，USB侧电源从计算机直接取电，进行MBus与计算机之间的隔离防护，使计算机运行安全可靠。
综上所述：本基于Boost升压电路的MBus-USB协议转换器将采样电阻上所得的电压信号送入放大和比较电路中进行信号放大，并将此信号同时送入CPU6的采样端，使得CPU6可实时监控总线上的电流情况，放大后的信号送入比较模块8，同时CPU6通过PWM+阻容滤波方式也产生一路直流模拟量送比较模块8，实时调整送入比较模块8的电压，通过比较模块8整型出数字信号送RXD；由于MBus是半双工工作方式，通过CPU6控制比较模块8，当有TXD信号时，不会产生RXD信号，当将TXD信号转换为MBus信号时，线路上也会产生电流变化，将TXD信号同时接入CPU6，当TXD有信号发出时，CPU6调节送入比较模块8的电压幅度，锁死比较模块8的输出电压，保证RXD信号没有数据输出，从而完成可靠的半双工的工作方式，极大程度的减小了减工作复杂度，一般情况下，可直接使用，TXD和RXD信号经过USB隔离转换电路9后，送USB电平转换芯片输出，USB侧电源从计算机直接取电，进行MBus与计算机之间的隔离防护，使计算机运行安全可靠；整体效率高，输出功率高，能耗低，可适应不同的从机数目，运行稳定性高，电路简单，使用方便。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。