摘要：M—BUS總線集中抄表系統(tǒng)中，M—BUS主站電路通常集成在集中器中，集中器體積大，功能復雜，成本高，并且需要接入220V電源才能正常工作，在開發(fā)、現場調試和運營維護過程中很不方便。我們提出了一種由PC機USB接口提供電源便攜式M—BUS抄表儀。實現了USB升壓轉換、電壓調制、電流解調功能，同時具有USB通信電壓接口電平轉換功能，該方案具有體積小、成本低廉、攜帶方便、USB供電等優(yōu)點
關鍵詞：集中抄表系統(tǒng)；M—BUS總線；抄表儀；便攜

    集中抄表系統(tǒng)(Automatic Meter Reading——AMR)是指采用通訊和計算機網絡等技術，通過專用設備自動讀取和處理電表、水表、氣表計量數據的過程。
    計量儀表與抄表主機的通訊方式(下段信道)是自動抄表系統(tǒng)的關鍵所在。常用的下段信道有電力線載波、有線(總線)、無線(RFID)等方式。
    總線抄表方式技術成熟、穩(wěn)定、簡單，在通訊信道正常情況下，可以實現實時通訊，是用戶廣泛采用的一種集中抄表系統(tǒng)。
    M—BUS總線又叫Meter-Bus通用儀表總線，采用歐洲標準的2線制總線，是一種專門為測量儀器和計數器傳送信息而設計的數據總線，也是專門用于遠程抄表的一種高可靠性、高速、廉價的家用電子系統(tǒng)的歐洲總線標準。2004年，建設部引進該標準并轉化為行業(yè)標準，標準號為CJ／T 188—2004，標準名稱為《戶用計量儀表數據傳輸技術條件》，該標準對M—BUS總線的電氣接口參數和數據傳輸方式做出了詳細規(guī)定。
    M—BUS總線可同時實現數據傳輸和遠端供電，存非電量能源計量儀表如水表、燃氣表、熱量表等集中抄表系統(tǒng)中的應用越來越廣泛。
    為解決M—BUS總線通訊信道易受人為、大范圍損壞，損壞后故障排除困難、恢復時間長、信道后續(xù)運營維護維護量大等問題，我們開發(fā)了便攜式M—BUS抄表儀。
    便攜式M—BUS抄表儀與筆記本計算機可組成移動抄表平臺，可集中記錄數據并保存在筆記本計算機中，再由工作人員攜帶到機房后傳輸給管理中心計算機。也可采集一只或一組獨立工作的表計的耗能數據，可方便的進行系統(tǒng)開發(fā)或現場調試及故障排查。
    綜合考慮計算機USB接口的驅動能力和M—BUS總線的特點及實現難度，我們確定便攜式M—BUS抄表儀的技術指標如下：總線電壓30V，電流驅動能力是100mA，最多可同時驅動35只表。

1 主要原理
1．1 集中抄表系統(tǒng)原理
    集中抄表系統(tǒng)是一個三層的網路系統(tǒng)，由上層、中間層和底層組成。主站軟件位于系統(tǒng)的最上層，集中器和采集器構成系統(tǒng)的中間層、智能計量終端是系統(tǒng)的底層。主站軟件實現主站調度、數據采集與管理、報表結箅等功能；集中器和采集器實現上下行通信鏈路轉換；智能計量終端(采集點監(jiān)測設備)提供計量和本地通信功能，并響應上位機的指令。
    集中抄表系統(tǒng)的網絡結構如圖1所示：

    在這個系統(tǒng)中，PC機是主站，主站軟件可以由多個模塊組成，圖中列舉了主站調度系統(tǒng)、用水信息采集與管理系統(tǒng)及其它支持系統(tǒng)三個模塊。集中器和便攜式抄表儀(即采集器)構成通信系統(tǒng)的中間層，采集點監(jiān)測設備是通信系統(tǒng)的底層。主站和便攜式M—BUS采集器通過USB接口建立遠程通信網絡，M—BUS總線作為本地通信網絡。主站、便攜式M—BUS采集器和采集點臨測設備(從機)構成一個主從通信系統(tǒng)。每次通信都是由主機發(fā)起，主站存規(guī)定時間內收到從機正確應答標志著成功完成一次通信，否則通信失敗。
    作為本地通信網絡，M—BUS總線有如下特點：
    (1)數據從集中器(或中繼器)向計量終端傳輸時，使用總線電壓調制傳輸數據，而總線電流保持恒定。
    (2)數據從計量終端向集中器(或中繼器)傳輸時，使用總線電流調制傳輸數據，而總線電壓保持恒定。
    因為數據傳輸調制方式不同，保證了計量終端之間不會互相通信。其數據傳輸如圖2所示。

    (3)遠端供電
    當總線有電時，終端從總線取電，總線可以為每個終端提供3.3V穩(wěn)壓電源，每個終端消耗總線電流不大于3mA。
    (4)支持多種拓樸結構
    可采用任意總線拓撲結構，如星型、樹型等。
    E、支持總線連接方式
    總線使用普通雙絞，極性可以互換
1．2 抄表儀原理
    根據MBUS總線的特點，USB接口便攜式M—BUS抄表儀(以下簡稱抄表儀)需要3路電源，一路是系統(tǒng)電源，一路是總線低電壓(傳號電壓)，另一路是總線調制電壓(空號電壓-傳號電壓)；另外還包括電流解調電路和USB轉換電路等。原理框圖設計如圖3所示。

    在這個設計中，下行發(fā)送的數據和電源都來自于主站USB接口，解調完成后的上行數據也經過USB接口送給主站。
    待發(fā)送數據經主站USB接口送給抄表儀的發(fā)送控制電路，發(fā)送控制電路實現電壓調制。從機(采集點監(jiān)測設備)以電流調制方式應答，抄表儀的接收電路對電流調制信號進行解調，解調完成后的數據經USB接口送給主站，由主站進行數據判別和解析。
    在前面的論述中，我們知道M—BUS接口下行是電壓調制方式，也就是說傳號電壓和空號電壓是不相等的，加上系統(tǒng)電源，這個抄表儀需要3路電源，即空號電源H，傳號電源L和系統(tǒng)電源VCC。
    根據相關標準和從機接收特性，總線傳號電壓應該大于12V，總線空號電壓應該比空號電壓高10V以上。兼顧便攜式M—BUS采集器的通信可靠性和電源設計難度，我們選擇傳號電壓為18V，空號電壓為30V。
    通用USB端口的電源供給能力為5W，升壓型開關電源的效率估計為70％。則便攜式M—BUS采集器的總線輸出電流為3．5W／30V=110mA。
    一個M—BUS終端消耗電流不大于3mA，不考慮總線壓降，則便攜式M—BUS采集器可以外接35個終端。

2 主要電路原理
2．1 USB串口轉換電路
    選用美國FTDI公司的FT232R實現USB串口轉換功能。
    FT232R是單片USB轉異步串行通信接口芯片，內嵌USB協議棧，無需編寫USB程序固件。UART接口支持7或8比特數據，1位或2位停止位，奇、偶或無校驗；通信波特率從300bps-3Mbps；內置256bvte接收緩存和128byte發(fā)送緩存；內部集成了1024Bit EEPROM用來存儲USB VID、PID、編號及產品字符等；每個器件都有唯一的USB序列號；支持USB掛起和釋放；支持USB供電、自主供電和總線供電；為便于與USB接口匹配，內部集成了3．3V電平轉換器；集成了1．8V-5V邏輯電平轉換器，可方便的與UART接口匹配；支持5V／3．3V／2．8V／1．8VCOMS電平輸出或TTL電平輸入；集成了上電復位電路；全內部時鐘，不需要外部振蕩器；集成了模擬電源濾波器，不需要模擬電源輸入；3．3V-5．25V單電源工作；-40℃-85℃工業(yè)級工作溫度范圍。
    使用FT232R實現USB串口轉換的原理電路圖如圖4所示。圖中，U1是USB串口轉換器，CN101是計算機的USB接口，J2可接外部電源適配器，以進一步提高便攜式M—BUS抄表儀的帶載能力。

    這個電路結構簡單，使用方便。也可與其它電路一起構成USB-485接口轉換器或USB-232接口轉換器。為低速串行通信提供了一個可靠的USB解決方案。
2．2 電源電路
    總線電源有兩路(見圖5)，一路產生傳號電壓，另一路產生空號電壓，由串口直接對總線電壓進行基帶調制。圖中選用了NS的LM2733產生兩路總線電壓。另外，時基電路、放大器和比較器的電源直接由USB電源供給。

    LM2733為Boost型開關穩(wěn)壓器，輸入電壓范圍2．7-14V，開關頻率有600kHz和1．6MHz兩種，內部集成了40V／1A的MOSFET，封裝為SOT23-5，還有SHDN管腳，可方便的進行小型化設計和關斷控制。從主機USB接口得到的5V電源作為輸入電源，分別進行BOOST變換后，升壓到18V和30V，用作總線傳號電壓和空號電壓。
2．3 發(fā)送和保護電路
    發(fā)送電路完成電壓調制功能如圖6所示。主機無信號發(fā)出時，LocalHostTXD為高電平，三極管VT1、VT2、VT3導通，場效應管VT7導通，VT9截止，總線輸出電壓為30V (空號電壓)；主機有信號發(fā)出時，LocalHostTXD為低電平，三極管VT1截止，場效應管VT9柵極被拉高，VT9導通，VT7截止，總線電壓變?yōu)?8V (傳號電壓)。

    場效應管VT8和555時基電路及采樣電阻R58和比較器U8B一起構成了過電流保護電路如圖7所示，根據設備電源功率可調整保護電路閾值。當總線電流大于閾值時，保護電路動作，切斷總線輸出并延時一段時間后恢復總線輸出。如此反復，確保發(fā)送電路不會損壞保護電路中，調節(jié)電流采樣電阻即可調整保護電流，調節(jié)C12的電容值便可獲得不同的延時時間。

2．4 接收電路
    接收解調電路，如圖8所示由采樣電阻R58、積分放大器U7A、U7B和比較器U8A組成。積分放大器負責檢測總線中的小電流變化和信號放大，比較器進行閾值判別，判別后的值直接作為解調信號直接送給電平轉換器輸出給主機。

3 結束語
    該設計實現了預定的設計目標，具有功能可靠，外圍器件少，使用簡單、攜帶方便等特點，并且硬件成本低廉，增強了應用的方便性該設計與智能計量終端和主站軟件一起構成的集中抄表系統(tǒng)具有遠程自動抄收、實時結算、價格變更、計量收費、實時監(jiān)測、通斷控制等各種人性化管理服務功能，具有極大的可持續(xù)發(fā)展性?？梢员Ｕ祥L遠的、穩(wěn)定的、可靠的服務。
    該產品符合CJ／T 188—2004《戶用計量儀表數據傳輸技術條件》的物理接口要求。
    該設計僅實現了便攜式設計和接口轉換功能，無規(guī)約管理功能、所以可配合不同的主站軟件用于多種不同規(guī)約的M—BUS接口的相關產品的開發(fā)測試和運行維護領域。
    目前，該產品已經小批量生產了100臺，并交付用戶使用，得到了用戶的認可和好評。