基于Multisim的M-Bus主机接口电路设计与仿真

基于Multisim的M-Bus主机接口电路设计与仿真
翟亚芳;巩银苗
【摘要】针对M-Bus总线接口电路的前期开发,介绍了Multisim软件在M-Bus
总线主机接口电路设计中的应用.在分析M-Bus总线特点的基础上,为了验证电路
设计的正确性,利用Multisim软件设计了M-Bus总线主机的发送电路、接收电路
和保护电路,并对各部分电路进行了仿真,确保电路设计能够达到预期效果.经过电路仿真和试验验证,结果表明,所设计的电路能够满足M-Bus总线主机接口电路的需求.
【期刊名称】《安阳工学院学报》
【年(卷),期】2019(018)002
【总页数】4页(P61-64)
【关键词】Multisim;M-Bus;接口电路;电路仿真
【作者】翟亚芳;巩银苗
【作者单位】安阳工学院电子信息与电气工程学院,河南安阳455000;安阳工学院
电子信息与电气工程学院,河南安阳455000
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
0 引言
随着电子技术、信息技术和通信技术的发展，我国城镇居民所使用的电能表、水表、
热量表等计量仪表逐步被智能仪表所取代，同时仪表的数据采集由人工抄表方式向远程智能抄表方式转变[1]。

M-Bus（Meter Bus，仪表总线）是一种专门为耗能
测量仪表及传感器传递数据信息而设计的主从式半双工总线标准[2]，使用无极性
二线制安装接线，采用主叫/应答的通信方式，具有布线简单、组网成本低、抗干
扰能力强、拓扑自由等特点，可广泛地应用于智能住宅小区、自动化办公大楼的智能化抄表系统[3]。

Multisim软件是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows操作系统为基础的电路仿真工具，具有丰富的电路仿真分析能力[4-5]。

将Multisim软件的仿真技术应用于M-Bus总线接口电路的设计，缩短了电路设
计的研发周期，减少了研发过程中的失误，从而提高了研发的工作效率，节约了研发成本。

1 Multisim软件简介
Multisim软件是在EWB（Electronics Workbench，电子设计工作平台）的基础上发展而来的，是一款专门用于电子线路仿真与设计的EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）工具软件[6]。

Multisim软件是一个完整的集成
化设计环境，它将计算机仿真和虚拟仪器技术完美地结合在一起，利用工业标准的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，仿真电路模
拟器）模拟器仿真电路行为，能在电子线路设计过程中对电路进行快速、高效地验证，为电子线路的仿真和设计提供了良好的环境[7]。

Multisim软件拥有电路基本元器件、信号源、模拟集成电路、数字集成电路、指
示部件、3D虚拟元件等庞大的元器件库，具有万用表、失真度分析仪、函数发生器、示波器、波特图仪、逻辑分析仪、频谱分析仪等仿真测试仪表，具有直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真度分析、零极点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析、蒙特卡罗分析等多种仿真分析方法，采用电路原理图图形输入或电路硬件描述语言输入方式，实现器件建模及仿真、电
路构建及仿真、系统组成及仿真、仪器仪表原理及仿真等功能，能够满足一般电子线路设计与仿真的要求[8]。

2 M-Bus总线的调制方式
M-Bus总线通常采用总线型网络拓扑结构，由一个主机、若干从机以及连接主机和从机的电缆组成。

M-Bus总线的比特流数据传输采用电压调制和电流调制相结合的方式，当主机向从机传输比特流数据时采用电压调制的方式，当从机向主机传输比特流数据时采用电流调制的方式[9-10]。

当主机向从机发送逻辑“1”时，M-Bus的总线电压为Vmark(22
V≤Vmark≤42V)；当主机向从机发送逻辑“0”时，M-Bus的总线电压为Vspace，Vspace比Vmark至少低 10V，但要大于 12V，即
12V≤Vspace≤(Vmark-10)V。

M-Bus总线上的每个从机都要有一定的静态电流Imark(Imark≈1.5mA)，当从机向主机发送逻辑“1”时，从机的总线电流为Imark；当从机向主机发送逻辑“0”时，从机的总线接口电路使总线电流在Imark的基础上增加11～20 mA，形成 Ispace，此时M-Bus的总线电流
Ibus=[Imark×n+(11～20)]mA，其中n表示M-Bus总线上从机的个数[11]。

M-Bus总线协议规定总线处于空闲状态时用逻辑“1”表示，此时总线电压维持在Vmark，每个从机获取总线电流Imark，该电流可以用作从机的电源。

主机通过检测M-Bus总线上的11～20 mA脉冲电流来确定接收的是逻辑“0”，从机通过检测MBus总线电压与动态参考电压的差值（大于10 V）来确定接收的是逻辑“0”。

M-Bus总线比特流数据传输与逻辑电平之间的关系如图1所示[12]。

图1 M-Bus总线数据传输与逻辑电平的关系
3 主机接口电路设计与仿真
3.1 主机发送电路设计与仿真
按照M-Bus总线的调制方式，当主机向从机发送数据时，逻辑“1”的电平比逻
辑“0”的电平高10 V以上，在设计时一般取两者的差值为12 V，即将Vmark
设置为36 V，将Vspace设置为24 V。

因此，主机发送电路的设计重点是如何实现12 V的电压调制，用Multisim设计发送电路的仿真电路如图2所示。

图2 发送电路仿真图
图2中的U1为三端稳压集成电路LM7824CT，Q1为P沟道增强型MOS管AOD409，Q2为三极管TIP41C，D1为肖特基二极管SS16T3G。

LM7824CT的作用是将36 V输入电压转换为24 V电压输出，通过控制Q1和Q2的通断来实
现电压信号的调制。

当输入信号为高电平时，Q2和Q1先后导通，36 V电压经
Q1输出，将输出信号电平变为高电平；当输入信号为低电平时，Q2和Q1先后
截止，24 V电压经D1输出，将输出信号电平变为低电平。

发送电路的仿真结果
如图3所示，从仿真结果中可以看出，输出信号跟随者输入信号的变化而变化，
与理论分析相符。

图3 发送电路仿真结果
3.2 主机接收电路设计与仿真
按照M-Bus总线的调制方式，当从机向主机发送数据时，逻辑“0”的总线电流
比逻辑“1”的总线电流高11～20 mA。

因此，主机接收电路的设计重点是如何
实现11～20 mA的电流调制，用Multisim设计接收电路的仿真电路如图4所示。

图4 接收电路的仿真电路
图4中的M_Bus表示总线电流接口，AD_1表示模/数转换接口，DA_1表示数/
模转换接口，RX_1表示调制后的信号输出，LM2903N为电压比较器。

该电路的
工作原理为：当主机接收从机发送的数据时，总线上的电流利用电阻R7进行采样，并将采样后的电压值连接到LM2903N的反相输入端，同时利用电阻R5和R6进行分压，把电阻R6两端的电压VR6经AD_1接入模/数转换电路，经过计算后可以得到R7两端的电压VR7，将电压VR7增加90 mV（逻辑“1”向逻辑“0”转
换的阈值电压）后进行数/模转换，将转换后的电压VDA经DA_1连接到
LM2903N的同相输入端，并将VDA作为基准电压。

当主机接收从机电流脉冲序列时，逻辑“1”对应的VR71比VDA小，LM2903N输出RX_1为高电平；逻辑“0”对应的 VR70要比逻辑“1”的电压 VR71高110～200 mV，使VR70大于VDA，LM2903N输出RX_1为低电平，从而将总线上的电流脉冲序列转换为电压脉冲序列，实现M_Bus总线上的电流调制。

由于M_Bus总线静态电流为Imark×n）n为从机个数），假设总线上接有50个
从机，则此时M-Bus的总线静态电流为75 mA，此时VR6=375mV，经过计算
可以得到VR71=750 mV、VDA=840 mV。

当总线上的某个从机发送逻辑“0”时，总线上的电流增加11～20 mA，使 VR70变为860～950 mV，在此取
VR70=860 mV，从而可以得到如图5所示的仿真电路，其仿真结果如图6所示。

图6中的A表示M_Bus总线上的电流经采样电阻R7后的电压波形，B表示
LM2903N的输出电压波形。

从图6中可以看出，当M_Bus总线上的电流为 75 mA（逻辑“1”）时，LM2903N的输出电压为高电平；当M_Bus总线上的电流为86mA(逻辑“0”)时，LM2903N的输出电压为低电平。

可见，电路仿真结果
与理论分析相符。

图5 从机数量为50时的仿真电路
图6 从机数量为50时的仿真结果
需要指出的是，总线上的静态电流将跟随从机个数变化而变化，从而使基准电压发生改变，因此，不同从机个数对应的基准电压不同，以保证从机个数不同时读表数据的正确性。

3.3 主机保护电路设计与仿真
对于M-Bus总线来说，总线上的电流与从机数量有关，每增加一个从机，都会使总线电流增加，而主机电路的输出功率是有限的，当从机电路发生短路故障时，会
使总线上的电流超过主机电路的负载能力，给主机电路造成损害[13]。

因此，当总线上的电流过大时，要采取保护措施，同时给用户相应的提示。

用Multisim设计保护电路的仿真电路如图7所示。

图7 保护电路的仿真电路
图7中的EN_R为保护使能信号，M_Bus_A表示发送电路的输出接口，M_Bus_B 表示外部MBus总线的输出端口。

当M-Bus总线上的电流过大时，EN_R变为高
电平，三极管2N5551导通，继电器线圈得电，继电器常闭触点断开，使M-Bus 发送电路断开与外部M-Bus总线的连接，外部MBus总线上电压为0V，与此同时，发光二极管LED1通电发光，提示用户M-Bus总线过载。

EN_R为高电平的
仿真结果如图8所示，电路仿真结果与理论分析相符。

图8 保护电路的仿真结果
4 结论
利用Multisim软件的电路仿真功能建立了M_Bus总线主机接口电路的电路模型，并对电路模型进行了仿真，得到的仿真结果与电路理论分析一致，设计的主机发送电路、主机接收电路符合M_Bus总线的调制方式。

可见，利用Multisim软件对
电路进行设计与仿真，能够直观、方便地对电路参数进行调整，有利于提高电路设计的工作效率，节约电路开发成本。

【相关文献】
[1]杨耀权，徐大伟.基于M-bus远程抄表管理系统的设计与实现[J].广东电力，2015，28
（1）:53-57.
[2]赵文明，佟少强，李长江，等.基于M-Bus总线的数据采集器的设计[J].化工自动化及仪表，2012，39（11）:1486-1489.
[3]宋鹏，王俊杰.仪表总线M-Bus协议的研究[J].自动化仪表，2004，25（8）:19-21.
[4]强秀华，李林.基于Multisim13的高压三相短路仿真实验[J].实验室研究与探索，2015，34（10）:108-110.
[5]苗倩，侯洪庆，于传强.基于Multisim的单失谐振幅鉴频电路仿真[J].实验技术与管理，2015，32（3）:141-143.
[6]谢晓霞，张权.功率因数提高的Multisim仿真和实验分析[J].现代电子技术，2015，38（1）:150-156.
[7]刘刚，高平，邹剑.Multisim在漏电开关保护技术设计中的应用[J].计算机仿真，2010，27（9）:333-336.
[8]胡伟，李勇帆.基于Multisim的RC文式电桥振荡电路虚拟仿真实验[J].实验室研究与探索，2011，30（5）:13-15，20.
[9]王青山.基于M-BUS的远程集抄系统的设计与实现[D].杭州：浙江大学，2013.
[10]翟亚芳，郭丽霞.基于M-Bus总线的热量表数据采集控制器设计[J].安阳工学院学报，2017，16（4）:67-70.
[11]张健.热量表的远程抄表及管理系统设计[D].济南：山东大学，2015.
[12]罗永刚，邹志远.基于MBUS的智能集中器设计[J].电子技术应用，2013，39（10）:72-75.
[13]赵文明.基于M_Bus的热量表数据采集器的设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.。