MBUS从机接口转RS485接口电路设计与应用

设计制作
Digital Space P .157
M-BUS 从机接口转RS-485接口电路设计与应用
杨飞 盘秋荣 武汉盛帆电子股份有限公司
摘要：本文介绍了一种用于四表合一集抄和通信接口转换器的M-BUS 从机接口转RS-485接口电路设计，通过电路中逻辑控制单元控制RS-485芯片的接收使能和发送使能，从而解决了M-BUS 从机芯片的ECHO 效应。

关键词：四表合一 M-BUS 从机 RS-485 ECHO
1 引言
我国的水、电、气、热等计量管理分属不同的管理机构，均对应不同的抄表方式和管理模式。

由于抄表方式的不同，各计量管理单元所对应的通信接口也不一样，因此通信接口转换器这类装置应运而生。

在表类行业中，RS-485和M-BUS 是较为普遍的两种通信接口。

目前常用的方式是M-BUS 主机接口去抄集具有M-BUS 从机接口的终端设备数据、RS-485接口去抄集具有RS-485接口的终端设备数据。

而如果现场由于RS-485接口损坏或负载能力不足时，而采用两种不同的电平和信号接口，M-BUS 主机接口则无法直接采集具有RS-485接口的终端设备数据，所以需要进行两种接口间的电平转换。

2需求分析
2.1 RS-485接口介绍
RS-485接口是一种两线制接口，被广泛应用于水、气、热等仪表类产品中，在RS-485两条线路上传输的是差分信号。

RS-485接口不区分主从接口，只区分主从设备，单个RS-485节点最多可以下挂256台设备。

对于RS-485接口的转换芯片两端，一端是差分电平信号，而另一端是TTL 电平信号，TTL 电平信号端与控制器对接处理。

2.2 M-BUS 接口介绍
M-BUS 接口同样是两线制接口，专门用于公共事业仪表的总线结构，被广泛用于气、热等仪表中，符合EN1434-3要求。

M-BUS 接口分为主机接口和从机接口，M-BUS 接口的两条线被称之为M-BUS 总线，该总线不仅作为信号线，同时也作为电源线，M-BUS 的主机负责供电，从机向总线上索取电源。

M-BUS 总线电压范围为20.8V~42V 。

发送和接收采用不同的环，当主机向总线发送时采用的是对输出电压进行调制，当发送逻辑“1”时，总线上的传号电压（Vmark）等于电源电压，当发送逻辑“0”时，总线上的空号电压（Vspace）比原来的传号电压低10V 及以上，即： （1）
主机接收时，从机则向总线索取不同的负载电流进行电流调制，主机则检测总线上的电流变化用于判断总线返回的逻辑信号，从机返回逻辑0时向总线索取电流大小为Ispace，返回逻辑1时向总线索取电流大小为Imark，Imark 与Ispace 之间的变化量则可以根据电路进行设计。

2.3 需求说明
TSS721A 是德州仪器（TI）的一款M-BUS 从机接口芯片，从内部功能框图可知，芯片在RX/RXI 引脚接收信号的同时，通过路径将接收信号回传至发送单元引脚TX/TXI 发送出去，这种现象被称之为回声效应（ECHO）。

而实际在应用时，由于从机主控制器通过TSS721A 向总线发送信号，发送完成后需要接收总线的信号，但芯片的ECHO 效应导致控制器先接收到发送时的回传信号，这导致数据判断错误和状态紊乱。

如果在缺乏控制单元的情况下，直接用两种接口转换芯片来进行对接转换，则需设计对应的电路将M-BUS 从机芯片的ECHO 信号阻断，以便影响与它对接的转换单元的数据传输和判断。

3电路设计
本方案设计框图如下：
M-BUS 总线
M-BUS 从机处理电路
第二转换单元
第一延时电路
第二延时电路
控制单元
RS-485处理电路
RS-485
总线RX
NOT
NOT
图2 方案框图
在第二单元的M-BUS 从机电路与第一单元的RS-485电路之
间的串口采用的是TTL 电平传输，通信协议遵循UART 协议，采用正逻辑设计。

由于UART 协议每次在发送一字节数据前先发送起始位，则本设计中利用起始位对第一、第二延时电路进行充电，并持续到该字节数据发送完成。

4 工作流程
4.1 电路的默认状态
电路在不进行数据交换传输时为电路的初始状态，也是默认状态。

空闲状态RX、RO、TX、DI 均为高电平，NOT 为非门对输入信号进行反向，NOR 为或非门，逻辑表达式为： （2）
当信号为高时，第一、二延时电路放电，当信号为低时，延时电路充电。

空闲状态下，RS-485单元RE 与DE 为低电平，RE 有效，此时允许第二转换单元向第一转换单元发送数据，也允许第一转换单元向第二转换单元发送数据，但先发送数据的一边则先占据使能端，在之后的整个字节期间一直占用数据总线，直至该字节发送完成再释放总线。

4.2 M-BUS 发送数据给RS-485
M-BUS 从机单元从M-BUS 总线上获取到数据发送给RS-485单元时，由于RO 为高，则c 为低，TX 先发送起始位低，则e 为高，并同时给第二延时电路充电，使能端DE 持续有效，DI 端口接收TX 发送的信号，转换为差分信号发送至RS-485接口。

TX 发送完成后恢复空闲状态，第二延时电路放电完成后整个电路又恢复至默认状态，用以等待接收数据或再次发送数据。

4.3 RS-485发送数据给M-BUS
RS-485单元从RS-485总线接口获取数据后向M-BUS 从机发送，RO 端先发送起始位低，则b 端变为高同时给第一延时电路充电，使其持续为高，e 端持续为低，则RS-485使能端RE 持续有效，直至该字节数据接收完成后恢复为高。

RO
信号经过两次反向整形后给M-BUS 从机，经处理后转换为电流调制信号到与M-BUS 主机的总线上。

在M-BUS 从机的RX 端接收RO 端发送信号的同时，由于ECHO 效应，TX 会立即发送RX 端接收的信号到DI 端，但由于电路中设计了控制单元，在RX 端接收的同时使得RS-485单元的使能端DE 无效，因此RS-485处理单元并不会接收DI 端的信号，从而规避了M-BUS 从机单元ECHO 效应给RS-485所带来的数据错误和状态紊乱问题。

4.4 数据传输流程
电路单元的数据传输过程如下图所示：
图3 转换电路数据传输流程5结论
一种M-BUS 从机转RS-485电路，用于在RS-485接口向M-BUS 从机发送信号时，阻断M-BUS 从机单元的回传信号，并在发送完成后能正确接收M-BUS 总线通过M-BUS 从机接口向RS-485发送的有效信号，并将该电路应用于四表合一等集抄终端中。

参考文献
[1]杨景民，宋延民，裴君，李斌飞. 基于M-BUS 接口电路的研究[J].天津职业技术师范大学学报，2011（3）.[2]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（10）.[3]张生磊，王磊，代亮. 基于RS-485总线与无线射频的智能供暖通讯系统的设计[J]. 电子设计工程，2018（6）.
[4]TI. TSS721A Meter-Bus Transceiver datasheet (Rev. B). 2010(11).
作者简介
杨飞(1990-)，男，硬件工程师，从事电能表硬件设计开发工作，通讯地址：
湖北省武汉市江夏区阳光大道9号盛帆工业园。

盘秋荣(1985-)，男，硬件工程师，从事电能表硬件设计开发工作，通讯地址：湖北省武汉市江夏区阳光大道9号盛帆工业园。

第一转换单元。