摘 要： 分析介紹了儀表總線（M-Bus）信號和傳統的RS-232轉M-Bus的電路實現方式，并就此分析了光電耦合隔離型電路和數字隔離型電路各自的優缺點，在此基礎上提出了采用了ADI公司數字隔離芯片ADuM1201來實現數字隔離型RS-232轉M-Bus的電路設計。這種新型電路簡單易用、隔離性能更強、功耗更低并具有很好的可靠性。
關鍵詞： M-Bus；數字隔離；TSS721；ADuM1201
儀表總線M-Bus（Meter Bus）是一種新型的總線結構，最先由德國帕德波恩大學的Dr.Horst Ziegler與美國TI公司的Deutschland GmbH和TechemGmbH共同提出，1997年歐盟針對熱量計量推出標準（EN1434-1997）時將其納入其中，從而成為歐洲新的一種專門用于公共事業儀表的總線結構標準。M-Bus是一種專門為消耗量計量儀表數據傳輸設計的主從式半雙工傳輸總線，采用主叫/應答的方式通信。M-Bus的主要特點是僅用兩條無極性的傳輸線來同時作為供電線路和傳輸串行數據的傳輸線，采用獨特的電平特征傳輸數字信號，抗干擾能力強；由總線供電，降低了維護成本；采用總線型拓撲結構，擴展方便，組網成本低，各個終端裝置（以不同的地址碼確認）可并行連接在M-Bus上。將M-Bus用于各類消費儀表或相關裝置的智能化管理系統中時，可對相關數據或信號進行采集并傳遞至集中器，然后再通過相應方式傳送至主站。基于以上優點，M-Bus可廣泛應用于住宅小區、辦公場所等能耗智能化管理系統的布線及連接[1-3]。
但目前市場上各種儀表及數據接收器大多使用RS-232/485通信方式，很多場合已經配備這種傳統的通信儀表和數據接收器，如果想統一采用M-Bus總線方式，就必須替換掉采用這些傳統通信協議的儀表和儀器，這樣項目的成本就會大大增加。因此，本文提出了一種RS-232/485轉M-Bus總線的實現方式，以此來解決項目中遇到的通信協議標準不同的問題。本文介紹了新型電路的設計思路，同時還對比分析了傳統光耦合電路和數字隔離電路的優缺點，并闡述了對M-Bus總線轉換電路發展方向的看法。
1 基于M-Bus總線的TSS721芯片
本設計中的M-Bus總線通過TSS721A收發芯片來實現。TSS721是美國德州儀器（TI）公司基于M-Bus儀表總線通信標準設計的終端收發芯片[4]，嚴格遵循M-Bus通信標準（EN1434-3）。它的兩個BUSL端分別連接到兩條傳輸線路上，并通過M-Bus為終端裝置供電。TSS721采用半雙工異步通信模式與總線上的集中器進行通信，它可通過整流橋的形式來避免接入極性的顛倒[5]。TSS721引腳圖如圖1所示。
由集中器向終端傳輸的信號采用電壓值的變化來表示，即集中器向終端發送的數據碼流是一種電壓脈沖序列，用+36 V表示邏輯“1”，用+24 V表示邏輯“0”。在穩態時，線路將保持“1”狀態。從終端向集中器傳輸的信號采用電流值的變化來表示，即由終端向集中器發送的數據碼流是一種電流脈沖序列，通常用1.5 mA的電流值表示邏輯“1”，當傳輸“0”時，由終端控制可使電流值增加11 mA～20 mA。在穩態時，線路上的值為持續的“1”狀態。當終端接收信號時，其電流應處于穩態“1”，且其電壓值的變化所導致的電流變化不應超過0.2%/V。
考慮到傳輸距離的影響，終端接收芯片應該以兩條線路上的電壓差的絕對值為接收信號，即具有動態接收信號的能力。實際接收情況為：電壓最高值Vmax的范圍應為21～42 V，當電壓值比Vmax低5.5 V時，應記錄一個標記，當比Vmax低8.2 V時，應記錄信號“0”[6]。
終端微處理器可以僅由總線供電，也可僅由自帶電池供電；同時也可由總線供電，而用自帶電池作備用電源，當總線供電失敗時，終端可自動切換到電池供電。為保證其中某個終端裝置短路時不影響整個系統的工作，在各終端電路中應接有430±10 Ω的短路保護電阻，以保證短路時的最大電流不超過100 mA，并減少線路上的電能轉化為熱能。
2 光電耦合隔離電路與數字隔離電路的比較
在RS-232轉M-Bus的轉換電路中，既可以采用非隔離型電路，也可以采用隔離型電路。隔離型電路對輸入和輸出電路可以進行隔離，因此能有效地抑制系統噪聲，消除接地回路的干擾。從電路的高可靠性出發，本設計選擇隔離型電路。隔離型電路中又分為傳統的光電耦合隔離電路和數字隔離電路，本文對這兩種電路分別進行了介紹和比較。
2.1 光電耦合隔離電路
光電耦合隔離電路的作用是在電隔離的情況下，以光為媒介傳送信號，對輸入和輸出電路進行隔離。光電耦合器輸入端加電信號使發光源發光，光的強度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應而產生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現了電-光-電的轉換。
光電耦合器是將光電耦合電路進行了集成和封裝后得到的IC產品，它把紅外光發射器件、紅外光接收器件以及信號處理電路等封裝在同一管座內。最常用的發光器件是LED發光二極管，當輸入電信號加到輸入端會導致LED發光，光接收器件接收LED發光的光信號后將其轉換成電信號并輸出。
光電耦合電路結構獨特，可有效抑制噪聲、消除干擾，且開關速度快、體積小，可替代變壓器隔離。圖2為光電耦合器在隔離電路中的典型應用電路。
2.2 數字隔離電路
數字隔離器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有優勢。數字隔離器的3個關鍵要素是：絕緣材料、結構和數據傳輸方法，這3個要素的特點及其相互關系，對于正確選擇數字隔離器十分重要。
之所以引入隔離，是為了滿足安全法規或者降低接地環路的噪聲等。電流隔離確保數據傳輸不是通過電氣連接或泄漏路徑，從而避免了安全風險。然而，隔離會帶來延遲、功耗、成本和尺寸等方面的限制。數字隔離器的目標是在盡可能減小不利影響的同時滿足安全要求。
數字隔離器采用晶圓CMOS工藝制造，僅限于常用的晶圓材料。非標準材料會使生產復雜化，導致可制造性變差且成本提高。常用的絕緣材料包括聚合物（如聚酰亞胺PI，它可以涂成薄膜）和二氧化硅（SiO2）。二者均具有眾所周知的絕緣特性，并且已經在標準半導體工藝中使用多年。聚合物是許多光耦合器的基礎，作為高壓絕緣體具有悠久的歷史。
2.3 比較選擇
數字隔離器使用變壓器或電容將數據以磁性方式或容性方式耦合到隔離柵的另一端，光耦合器則是使用LED光。數字隔離器使用更先進的電路來編碼和解碼數據，支持更快的數據傳輸速度，能夠處理USB和I2C等復雜的雙向接口。
數字隔離器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有光耦合器無法比擬的巨大優勢。
3 基于數字隔離技術的接口硬件設計
3.1 電路設計原理圖
本設計采用了最新的數字隔離技術，其主要電路圖如圖3所示。
本設計中電路主要結構是RS-232收發芯片、數字隔離芯片和M-Bus收發芯片，其中M-Bus收發芯片TSS721A在前面已經介紹，這里主要介紹一下數字隔離芯片的選型和電路應用。
本文采用了ADI公司推出的新型ADuM1201芯片作為數字隔離芯片，它采用的iCoupler技術是基于芯片尺寸的變壓器，采用了iCoupler變壓器專利技術集成變壓器驅動和接收電路，功耗僅為光電耦合器的1/10~1/50。iCoupler數字隔離器在125℃高溫環境下性能和可靠性并不下降，因此可以采用低成本、小體積的SOIC封裝，這樣不但降低了成本，還減小了芯片的體積。此外，多通道iCoupler數字隔離器能在同一芯片內提供正向和反向通信通道，這樣就可以使得信號的傳輸方向更加靈活，簡化了芯片間的硬件連接線路。
ADuM1201所隔離的兩端有各自的電源和參考地，電源電壓為2.7~5.5 V，這樣可以實現低電壓供電，從而進一步降低系統功耗，系統中使用的電源是5 V。電源和參考地之間接入0.01 μF~0.1 μF電容，以消除高頻干擾，電容和電源之間的距離應在20 mm以內，這樣可以達到更好的濾波效果。由于兩個隔離通道高度匹配，通道間串擾很小，并且采用兩通道輸入/輸出反向設計，非常適合M-bus總線雙向收發的特性，大大簡化可隔離器與所隔離兩端的硬件連接。
3.2 電路應用與調試
本電路現已調試結束，在調試過程中，RS-232的數據格式是：波特率2 400~115 200 b/s，8 bit數據位，無效驗，1 bit停止位；M-Bus數據格式波特率：300~9 600 b/s； 8 bit/9 bit數據位；偶校驗/奇校驗/無效驗； 1 bit停止位。
本電路已應用于實際項目中，能很好地進行數據協議的轉換，并已申請專利。
本文從數據轉換的安全性和可靠性兩個方面著手，選用了新型的ADI數字隔離芯片ADuM1201，在保證數字信號轉換高可靠性的同時，也降低了工作電路的功耗。在M-Bus調試器軟件環境下的實驗結果表明，本設計的數字信號轉換準確率高，電路設計合理，具有很好的應用前景。
參考文獻
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