一种基于单片机的大容量mbus主机接收电路
技术领域
1.本实用新型涉及mbus总线通讯的技术领域，尤其涉及一种基于单片机的大容量mbus主机接收电路。
背景技术：
2.mbus总线因其负载能力强、通信距离远、成本低、可扩展能力强等特点逐渐的成为仪器仪表行业的主流通信模式，目前已经广泛的用于热表、气表、水表、消防报警器等多种仪表控制系统当中，它是仪表数据传输的一种重要的数字化技术。mbus总线的传输形式主要是以下行通信通过改变电压形式、上行通信通过改变负载电流大小实现数据传输。
3.现有mbus主机接收电路主要采用电压比较器原理和移相比较器原理等进行信号采集和识别，常用于负载从机端数量较少或总线电流负载较小的场所，一般总电流小于200ma。上述方案可以比较方便的实现信号的解析，但是当总线电流大于200ma后，总线上的信噪比将变的非常小，同时由于总线上挂载大量的从机设备，当主机给从机发送变化电压的轮询信号后，会导致总线上电流有个较大幅度的低频波动，此时，从机的应答的数字信号将被淹没到该低频波动的电流信号当中。以往为了解决大容量问题，采用的方案都是减小从机仪表的整机功耗，以提高带载能力或者增加控制器设备的数量。但在很多场合下，由于从机设备功能复杂，减小从机设备的功耗变得异常困难，增加控制器数量又会增大生成成本。
技术实现要素：
4.针对现有mbus主机接收电路当总线电流较大时，从机应答信号容易淹没的技术问题，本实用新型提出一种基于单片机的大容量mbus主机接收电路，可以实现大于1.2a的通信带载能力，实现mbus总线的大容量通信功能；理论上，按照每一路从机1.5ma电流的消耗计算，可以实现大于800路的从机设备的接入通信能力。
5.为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：一种基于单片机的大容量mbus主机接收电路，包括信号转换电路，所述信号转换电路与信号钳位电路相连接，信号钳位电路与信号放大电路相连接，信号放大电路与单片机相连接。
6.优选地，所述信号转换电路与信号隔离电路相连接，信号隔离电路与信号钳位电路相连接。
7.优选地，所述信号转换电路包括采样电阻r1，采样电阻r1的一端与mbus电流信号相连接、另一端接地；所述采样电阻r1上并联有二极管d1；所述信号隔离电路包括隔离电容c1，隔离电容c1的两端分别与mbus电流信号和信号钳位电路相连接。
8.优选地，所述信号钳位电路包括电阻r2和电阻r3，电阻r2和电阻r3的一端均与信号隔离电路的隔离电容c1相连接，电阻r2的另一端与电源相连接，电阻r3的另一端接地。
9.优选地，所述信号放大电路包括运算放大器，运算放大器的正相输入端分别与信号钳位电路的电阻r2和电阻r3的一端相连接，运算放大器的反相输入端分别与电阻r5和电
阻r6的一端相连接，电阻r5的另一端接地，电阻r6的另一端与运算放大器的输出端相连接。
10.优选地，所述运算放大器的正相输入端与电阻r4相连接，电阻r4分别与电阻r2和电阻r3的一端相连接；所述运算放大器的输出端与电阻r7相连接。
11.优选地，所述单片机的输入端与信号放大电路的电阻r7相连接，单片机的信号输出端输出数字信号。
12.本实用新型的有益效果：电路结构简单、成本低廉，具有过载保护功能、支持节点量大、兼容mbus二总线和四总线的mbus通信等特点。通过硬件电路的方式对电流信号进行处理、放大，通过单片机的动态滤波算法，实现放大后数据的解析和信号输出，且具有解析信号动态范围宽、相应迅速、无失真等特点，极大地增加了mbus总线的从机带载能力。本实用新型可以应用到mbus控制器总线的电流信号接收回路中，也可以用于以电流周期变化的信号或电流以不同占空比变化的信号远距离信息通信当中。本实用性可以极大地提高微小电流信号的解析能力，从而在mbus总线接入大量从机设备后，能够在较大低频干扰和高频噪声中解析出通信数据，增大mbus总线的带载能力。
附图说明
13.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1为本实用新型的原理示意图。
15.图2为图1所示的电路结构图。
16.图3为本实用新型的单片机的信号处理流程图。
17.图中，1为信号转换电路，2为信号隔离电路，3为信号钳位电路，4为信号放大电路，5为单片机。
具体实施方式
18.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付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。
19.如图1所示，一种基于单片机的大容量mbus主机接收电路，包括信号转换电路1，所述信号转换电路1与信号钳位电路3相连接，信号钳位电路3与信号放大电路4相连接，信号放大电路4与单片机5相连接。信号转换电路1将mbus电流信号转化为电压信号，信号钳位电路3在电压信号上叠加一个固定的直流分量，提高信号的幅值。信号放大电路4对电压信号进行放大，单片机将放大后的信号采集后，通过滤波算法，生成对应的高低电平信号，实现信号的传输，从而得到数字信号并进行输出。
20.进一步地，信号转换电路与信号隔离电路相连接，信号隔离电路与信号钳位电路相连接。信号隔离电路用于隔离输入的mbus电流信号的直流分量。
21.如图2所示，信号转换电路包括采样电阻r1，小阻值的采样电阻r1的一端与mbus电
流信号相连接、另一端接地；采样电阻r1将mbus信号线上回传的电流信号转换成电压信号。采样电阻r1上并联有二极管d1，二极管d1为正向二极管且二极管d1的阳极连接电流信号、二极管d1的阴极接地。正向二极管选用硅二极管，因硅二极管的正向导通电压在0.7v左右，远大于采用电阻r1上产成的微小电压信号，因此，正常工作过程中二极管d1不起作用，当mbus信号线发生短路时，采样电阻r1上产生的电压大于0.7v时，二极管d1导通，导通后对采样电阻r1上的电流实现分流，从而对采样电阻r1起到保护作用。
22.如图2所示，信号隔离电路包括隔离电容c1，隔离电容c1的两端分别与mbus电流信号和信号钳位电路相连接。隔离电容c1用于将mbus信号线通过采用电阻r1转换生成的电压信号中的直流分量进行隔离，在大容量的mbus总线电路中，从机数量越多，其直流分量越多，越不利于后级信号的处理。因此，通过隔离电容c1将直流分量进行滤除。
23.如图2所示，信号钳位电路包括电阻r2和电阻r3，电阻r2和电阻r3的一端均与信号隔离电路的隔离电容c1相连接，电阻r2的另一端与电源相连接，电阻r3的另一端接地。电源的电压为24v，滤除直流分量后的电压信号通过电阻r2和电阻r3进行钳位，钳位后，输出的交流信号上将叠加一个固定的直流分量。
24.如图2所示，信号放大电路包括运算放大器ic1，运算放大器ic1的正相输入端分别与信号钳位电路的电阻r2和电阻r3的一端相连接，运算放大器的反相输入端分别与电阻r5和电阻r6的一端相连接，电阻r5的另一端接地，电阻r6的另一端与运算放大器的输出端相连接。电阻r5、电阻r6和运算放大器ic1组成正向运算放大器，对带有固定的直流分量的交流电压进行放大处理。放大后的输出电压值vout可以由公式：vout=(1+(r6/r5))*vi计算获取，vi为输入电压，使其输入的信号放大到单片机可以通过adc功能正常采样的范围。
25.运算放大器的正相输入端与电阻r4相连接，电阻r4分别与电阻r2和电阻r3的一端相连接；所述运算放大器的输出端与电阻r7相连接。电阻r4和电阻r7分别用于输入和输出的限流作用。
26.所述单片机的输入端与信号放大电路的电阻r7相连接，单片机的信号输出端输出数字信号。单片机将放大后的信号采集后，通过滤波算法过滤微弱干扰信号，生成对应的高低电平信号，实现信号的传输。
27.单片机的初始化工作过程主要用于对单片机的各种外设的配置以及对单片机adc、定时器中断等资源的配置。在电路中单片机完成程序初始化工作后，开启定时器，定时器可以实现在每次对信号进行adc采集的时间完全相同，以方便对采集到的信号进行分析处理。定时器倒计时的时间需要小于通讯速率的1/10以上，以提高单片机的adc采集频率足够高，在定时器倒计时结束后，开始采集信号放大电路放大后的ad值信号，完成adc数据采集后，对数据信号完成解析和生成标准的高低电平信号，实现数据传输功能。
28.在信号通过上述硬件电路后，因其屏蔽了直流分量的影响，因此可以实现较大范围的信号放大和处理。若设置采用电阻r1为0.5ω，在mbus+和mbus-的通信电流达到1.2a时，此时，采用电阻r1上分得的电压直流分量为0.6v，小于二极管d1保护开启的0.7v，二极管d1正向不导通，采用电阻r1上的有效信号经过隔离点融c1后，进入信号放大电路，运算放大器的运放放大倍数设置在60倍的情况下，便可以将信号放大到单片机的adc采样能够正常采集的范围，adc对数据采集后，经过对采集的数据经过滤波算法处理，依然可以实现通信数据的完整解析。
29.单片机的解析通过加权的滤波方法实现，如图3所示，在完成adc采集后，单片机将adc值存入缓存数组，其数组长度不应大于50个，存入数组后，开始动态滤波算法，用于过滤mbus信号线上的微弱干扰信号。
30.动态滤波算法采用的是幅值滤波，通过判断数组中数据的幅值差是否超过纹波限值，即：| x(t)
ꢀ‑ꢀ
x(t-1) |《
∆
t0，以确定当前是否处于数据空闲状态，单片机检测到处于空闲状态时，输出空闲状态的电平信号值，避免因干扰产生杂波输出。正常工作时，单片机采集到数据并通过加权的滤波算法解析完成后，输出高低电平的数字信号，实现数字信号的解析。在上述公式中
∆
t0为实际实验中获取实际纹波的最大值。动态滤波算法可以有效的避免因高频信号和低频信号造成的小幅度杂波干扰，与硬件滤波电路相比具有使用更加灵活，滤波效率更高等特点，通过幅值滤波算法为后期对数据进行提取和转换提供更加精准的原始数据。
31.在单片机对当前数组中的最大值、最小值提取和平均值提取后，通过动态比较算法便可以将现有电平信息提取出来，其动态比较算法使用的方法为：| (a*x
(min)
+b*x
(max)
+c*x
(avg) )/d |《x(t) 且：| x(t)
ꢀ‑ꢀ
x(t-1) | 》
∆
t1，其中：d =2*( a + b + c)，其中，a为获取的信号最小值在计算过程中占比的权重，b为获取的信号最大值在计算过程总占比的权重，c为获取的平均值在计算过程中占比的权重，d为权重a、b、c之和的2倍，通过公式中对d的整除，可以获取该动态信号的中心点阈值，权重a、b、c的获取应根据实际数据采集波形进行适当调整，
∆
t1为实际实验中获取得数据翻转时的最小值阈值，该阈值应根据实际测试的有效翻转信号时采集的相邻两次ad值之差的三分之二。经过上述方法解析后，可以对mbus总线上因寄生电容、寄生电感等造成的低频电流干扰进行滤除，通过上述比较判断，可以输出对应的通信信号数据，完成数据解析。上述幅值滤波算法和动态比较算法都是单片机可以通过现有计算机程序可以实现的。
32.一般情况下，在现场的mbus总线的mbus总线的电流如水表等按照每一路从机1.5ma电流的消耗计算，则可以实现大于800路的从机设备的接入通信能力。对于现有的功率较大的仪器仪表，如气体探测器等，在实际使用过程中也可以实现较好的效果。本实用新型避免了因仪表功率较大而无法实现二总线mbus通信的情况，同时，也为大点位低功耗的仪表如水表、烟感等提供了成本更低的解决方案。
33.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，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。