【正文】 一個重要特點是,它可以通過主機實現(xiàn)終端儀表的遠程供電. 因此,MBus與其他通信總線相比形成了自己獨特的電平特征. 總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位定義如下:1) 主機到從機的數(shù)據(jù)傳輸按電壓方式傳送. 如圖313所示,邏輯電平“1”對應(yīng)于總線驅(qū)動器上輸出+ 36V正常電壓,而邏輯電平“0”對應(yīng)于總線上輸出得+ 24V正常電壓. 即接收時Vmark (1) = (24～42)VVspace (0) = (Vmark 12)V2) 從機到主機的數(shù)據(jù)傳輸按從機的電流消耗進行調(diào)制、編碼 在圖313中,邏輯電平“1”,邏輯電平“0”對應(yīng)的電流是在邏輯電平“1”對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電流的基礎(chǔ)上額外增加11～20mA. 其中,穩(wěn)態(tài)電流用以滿足接口、儀表或傳感器本身的供電要求. 即發(fā)送時,Imark (1) = Ibus = constant (mA)Ispace (0) = Imark + Im (mA)式中, Im 為調(diào)制中變化電流, 變化范圍為11～費儀表都是靠附帶電池提供能源,這種方式對電池的性能要求較高,同時要定期進行維護,更換電池,增加了成本和工作量. MBus總線標(biāo)準提供了既傳信號又傳電源的功能,可使終端儀表所用電池成為備用電源,減少了儀表維護所帶來的困難. MBus總線可給從機提供3mA /,將終端內(nèi)部的電池關(guān)閉,通過中央控制單元提供的MBus電壓,維持終端運行。只有在電池耗盡和MBus關(guān)閉的情況下,終端才停止工作. MBus允許電池和電纜供電同時存在,具有較強的適應(yīng)性。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書24 通訊接口電路的設(shè)計基于 MBUS總線的監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成遵循一主(Master)多(Slave)方面必須有具備調(diào)制總線電壓(發(fā)送數(shù)據(jù))和檢測總線電流變化(接收數(shù)據(jù))功能的主站接口電路。相應(yīng)的從站在硬件方面必須有具備檢測總線電壓變化(接收數(shù)據(jù))和調(diào)制總線電流(發(fā)送數(shù)據(jù))功能的從站接口電路.能源服務(wù)供應(yīng)商,包括 MBUS協(xié)議組織都沒有生產(chǎn)專門的 MBUSRS232轉(zhuǎn)換器和從機接收器,而只提供 MBUS主站成套設(shè)備,包括電平轉(zhuǎn)換,MBUS 協(xié)議棧的編碼器、數(shù)據(jù)存儲器等功能。在MBus系統(tǒng)中,中央控制單元一般由PC機、電源驅(qū)動器和MBus適配器組成. 其中,MBus適配器功能是: ① 將PC機上的RS232 電平轉(zhuǎn)換成MBus電平。 ②讀取、管理多達250個的終端儀表. 從結(jié)構(gòu)上來看,M2Bus適配器包括:電壓供應(yīng)模塊、發(fā)送器、接收器、加上設(shè)計任務(wù)沒有要求設(shè)計MBUSRS232轉(zhuǎn)換器，故它不在設(shè)計范圍內(nèi)。下面著重介紹從機收發(fā)器的設(shè)計。 TSS721A芯片介紹TSS721A是TI公司專為MBus總線開發(fā)的從機收發(fā)芯片,執(zhí)行異步半雙工通信協(xié)議,圖 313 MBUS 傳輸位定義蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書25,發(fā)送器的通信電流大小可通過電阻編程來調(diào)節(jié)。1. TSS721A功能介紹TSS721A是 TI公司 1999年生產(chǎn)的用于儀表總線通訊的芯片。它符合 EN14343標(biāo)準，支持 HART協(xié)議，半雙工下通訊波特率可達 9600bps。在通訊時，發(fā)送方通過改變自身電流消耗使總線供電電壓發(fā)生變化，接收方通過監(jiān)測總線電壓變化獲得數(shù)據(jù)，由于采用了動態(tài)電平識別邏輯，可以使由于距離變化影響的總線電壓不影響通訊。DIP 封裝的 TSS721A引腳功能定義見圖 314.2. TSS721A通訊原理TSS721A通訊原理分數(shù)據(jù)發(fā)送和接受兩部分說明。發(fā)送時工作原理見 315.當(dāng)沒有通訊數(shù)據(jù)時, TSS721A吸收的電流 Ispace包括芯片本身消耗電流、對外供電電流 Imark和通訊發(fā)送電路消耗電流 Imc。當(dāng)通訊數(shù)據(jù)從 RX或 RXI進人時,數(shù)據(jù)會對Imc的有無進行調(diào)制, 這樣發(fā)送的數(shù)據(jù)就轉(zhuǎn)化成總線電流變化。Imc 的大小可以由外接電阻 Rris調(diào)整。儀表總線的拓撲結(jié)構(gòu)要求每個節(jié)點有恒定的電流消耗, TSS721A依靠其內(nèi)部設(shè)計滿足這一要求。由于對總線供電的電源具有較大的阻抗, 總線電流的變化將引起總線電壓的變化, 接收一方把變化的電壓還原成通訊的數(shù)據(jù), 其工作原理如圖316。由于總線電壓是由BUSL1和BUSL2之間的電壓差定義的, 通訊距離將影響兩者之間電壓差。為了使通訊與距離無關(guān), 接收引人具有延遲作用的電容Csc。這樣, 當(dāng)總線電壓變化時, 比較器的輸出就可以檢測總線電壓前一個時刻的值和當(dāng)前值的變化, 產(chǎn)生數(shù)據(jù)輸出。連接在引腳CS上的電容Csc, 其充電電流和放電電流是不一樣的, 前者約為后者的40倍。這個比例關(guān)系是根據(jù)HART協(xié)議協(xié)調(diào)的（主要滿足在通訊時“1” 較少的情況下, 也能保證Csc上的電壓）。因為HART協(xié)議中空閑位表示為“1” , 在設(shè)計時應(yīng)該使用TSRX1做通訊端, 這樣使系統(tǒng)有較小的電流消耗。1 BUSL2 儀表總線接入端 22 VB 整流后總線電壓輸出3 STC 供電濾波電容連接端4 RIDD 電流調(diào)節(jié)電阻連接端5 PF 掉電信號指示輸出端6 SC 接收延遲電容連接端7 TX1 反相數(shù)據(jù)輸出8 TX 正相數(shù)據(jù)輸出蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書269 BAT 備用電源邏輯輸入端10 VS 總線供電/電池供電選擇輸出11 VDD 12 RX 正相數(shù)據(jù)輸入13 RX1 反相數(shù)據(jù)輸入14 RIS 發(fā)送調(diào)制電流調(diào)節(jié)輸入端15 GND 地16 BUSL1 儀表總線接入端 1圖 315 TSS721A發(fā)送原理示意圖圖 314 TSS721A引腳功能定義蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書27 TSS721A芯片與單片機接口電路設(shè)計為了布線方便, 采用異步串行通信。所選取的PIC6F877 微處理器內(nèi)部含有USART 模塊。該模塊內(nèi)部包含波特率設(shè)置部分、接收部分、發(fā)送部分以及接口部分。接口電路如圖317所示。圖 316 TSS721A接收原理示意圖蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書28USART 模塊帶有一個8位的波特率發(fā)生器BRG，實際就是波特率時鐘發(fā)生器，為串行信息幀格式中每一位編碼的發(fā)送和接收檢測提供定時時鐘。它可以支持USART的同步方式和異步方式。利用寄存器SPBRG來定義一個8位定時器的循環(huán)周期，以實現(xiàn)對波特率的控制。分頻比有BRGH位和SYNC位設(shè)定為1：1： 16或1：分頻因子 N 和所需的波特率(9600 bps)來決定,數(shù)據(jù)的傳送或接收主要是通過一個移位寄存器。接收時移位寄存器將接收來的數(shù)據(jù)流組合滿一個字節(jié),就保存到接收緩存RCREG。發(fā)送時,將發(fā)送緩存TXREG內(nèi)的數(shù)據(jù)一位一位地送到發(fā)送端口。 TSS721A 的8位撥段開關(guān)用來設(shè)置總線上斷路器的惟一地址。上位機通過尋址的方式來實現(xiàn)和微處理器1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 1Jun2022 Sheet of File: G:\℃℃\℃℃℃\℃℃℃ Drawn By:BUSL11VB2STC3RIDD4PF5SC6TX17TX8 BAT 9VS 10VDD 11RX 12RX1 13RIS 14GND 15BUSL2 16U7TSS721AR22220ΩR21220ΩMBUS℃℃U96N139U86N139C610μFGNDR2312KR2412KC71μFGNDDDIODER2612K C81μFGNDR2510K+5TXDR2710K R2810KGNDR3010K+5RXDR3110KR2910KQ1NPNGNDTXTXR3222KSTCSTC圖 317 TSS721A 的接口電路蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書29PIC6F877之間的通信。每次主機對某一地址呼叫,只有地址像相符的從機才可以識別呼叫并做出相應(yīng)的響應(yīng)。所采用的通信協(xié)議是半雙工通信協(xié)議。本模塊的作用是通過從機接收芯片，MBUS 總線，以及 MBUS適配器與監(jiān)控中心的上位機通信，通訊接口電路是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，它關(guān)系到數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。作為一個自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如果數(shù)據(jù)不能輸出，整個系統(tǒng)是毫無意義的。 電源的設(shè)計本設(shè)計中的電源主要有三種：177。5V 和+12V。177。5V 的電源是供給各種集成器件以及單片機使用的；+12V 的電源是供給放大器使用的。由于單片機和傳感器需要不同的兩種電源：模擬電源與數(shù)字電源，數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強，為防止它們之間互相干擾，應(yīng)分別設(shè)計。傳統(tǒng)的單片集成穩(wěn)壓電源，具有體積小，可靠性高，使用靈活，價格低廉等優(yōu)點，但外圍電路復(fù)雜，需要進行濾波等。新型集成的穩(wěn)壓電源出價格外在各方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的集成電源，本次設(shè)計選用 HV2405E。HV2405E 是美國 HARRIS公司推出的一種高效率、無變壓器輸出的降壓式 ACDC轉(zhuǎn)換器。1) HV2405E的主要特點有：不需要電源變壓器就能進行整流、濾波，將高壓交流電變換成低壓直流電；具有極寬的電壓輸入范圍，在輸入電流交流電壓為 15～275V 時均能輸出穩(wěn)定的 5V直流電壓；輸出電壓可在 5～24V 之間自由調(diào)整；最大輸出電流為50mA；采用 DIP8封裝，外圍元件少，整個變換器的面積小于 ；工作溫度范圍為40℃～+85℃。2) 引腳功能蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書30引腳號 引腳名稱 引腳功能1 AC RETURN 交流電壓輸入2 PREREG 電壓預(yù)置控制3 GND 接地4 INHIBIT 禁止、抑制控制端5 VSENSE 基準電壓6 VOUT 穩(wěn)壓輸出腳7 NC 空腳8 AC HIGH 交流電壓輸入 接線電路1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 5Jun2022 Sheet of File: G:\℃℃\℃℃℃\℃℃℃ Drawn By:AC RETURN1GND3INHIBIT4 Vsense 5VOUT 6PREREG2 NC 7AC HIGH 8U5HV2405EC14C1620PFC15470μFC1710μFZ17VQ2NPNF21/2A ~220VVOUT=12VVOUT=5VR39R40R42100ΩR43220K圖 319 電源模塊接線電路圖 318 HV2405E 引腳功能定義蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書31在圖 319中，HV2405E 的 5腳輸出 5V額定電壓，6 腳輸出可以調(diào)整的電壓。QZRR4R4R44 組成輸入電壓過壓保護電路：由于 Z2作用，R40 左端電壓為 Z2的穩(wěn)壓值 ，該電壓經(jīng)過 RR41 分壓，使 Q2發(fā)射極電壓穩(wěn)定在 ，在電源電壓不高于 230V時，R44 上的壓降低于 ，Q2 截止，HV2405E 的禁止端 4腳懸空，電路正常工作；當(dāng)電源電壓高于 230V時，R3 上的壓降將高于 ，該電壓使Q2的基極電壓高于發(fā)射極電壓 ，Q1 飽和導(dǎo)通，HV2405E 內(nèi)部電路停止工作，切斷輸出電壓，有效的保護負載和 HV2405E不至于過壓損壞。5V 電源采用傳統(tǒng)的單片集成穩(wěn)壓電源，接線圖如 320 所示：單片機應(yīng)用系統(tǒng)中最重要且危害最嚴重的干擾來源于電源的污染。由于電源通常是由市電電網(wǎng)經(jīng)變換后得到的，隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，市電電網(wǎng)電源污染問題越來越嚴重，各種干擾極易耦合到供電線路中。同時，電源本身也會產(chǎn)生干擾，對本設(shè)計有較大影響的是電網(wǎng)干擾和電源干擾，因此，為了減少干擾因素，需要在設(shè)計時采用一系列抗干擾的措施，這里主要包括電源接地和電源濾波技術(shù)。電源接地時應(yīng)遵循以下原則：a) 在接地面上，電源接地和數(shù)字信號接地相互隔離，減少地線間的耦合。b) 分別建立交流、直流和數(shù)字信號的接地通路。c) 將幾條接地通路接到電源公共點上，以保證電源電路有低的阻抗通道。電源濾波的主要目的是抑制在電源線上的傳導(dǎo)高頻干擾。單片機應(yīng)用系統(tǒng)電源濾波不僅能有效地防止外界環(huán)境的電磁干擾傳入系統(tǒng)，而且能有效地抑制系統(tǒng)本身產(chǎn)生的干擾向外界傳遞，造成電磁環(huán)境污染，同時還能較好地克服電源本身產(chǎn)生的干擾信號對系統(tǒng)工作的影響。單片機系統(tǒng)的電源濾波通常包括交流端的濾波和直流端的濾波。本次設(shè)計不只做了直流端濾波，還有交流端濾波。直流端的濾波主要是抑制整流電路和開關(guān)電路所產(chǎn)生的高頻干擾，通常用電容濾波就足夠了。如圖 319所示，輸入采用圖 320 5V 電源設(shè)計接線圖1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 17Jun2022 Sheet of File: I:\℃℃℃℃℃\℃℃℃ Drawn By:T155/21234D1IN40074 C26C241000μF/16VC251000μF/16VVin1 GND2Vout 3U11 LM7905~220VD2D3 D4蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書32容量較小的電容改善紋波和抑制輸入的過電壓保證集成三端穩(wěn)壓器的輸入輸出電壓差不會瞬間超過允許值；