Geliştirilmiş M-BUS Ana Bilgisayar Arayüz Devresinin Tasarımı ve Simülasyonu
Hu Bijun, Liang Huaguo, Yi Maoxiang, Xu Dawen, Xu Xiumin
(Elektronik Bilimi ve Uygulamalı Fizik Fakültesi, Hefei Teknoloji Üniversitesi, Hefei 230009, Anhui)
M-BUS (enstrüman veriyolu), uzak güç kaynağı ve serbest topoloji özellikleriyle sayaçların veya sensörlerin iletişiminde yaygın olarak kullanılır ve yük kapasitesi ve alıcı işleme kapasitesi, uygulamasının kapsamını sınırlayan iki temel faktördür. Mevcut bir yüksek sürücülü ana bilgisayar gönderme devresi ve geleneksel bir ana bilgisayar alma devresi ayrı ayrı geliştirilir. Verici devresi, devre yapısını ayarlar, bir MOS tüp sürücü devresi ve bir geçit koruma devresi ekler ve devrenin kapatma işlevini iyileştirir, böylece yüksek sürüşü korurken devre çalışmasının güvenilirliğini artırır; alıcı devre, sinyalleri almak için bir diferansiyel operasyonel amplifikatör kullanır Ön işleme gerçekleştirin ve ardından karşılaştırın, bu da devrenin değişen yüklere uyarlanabilirliğini ve parazit önleme yeteneğini geliştirir. İyileştirilmiş iletim devresi ve alıcı devre sırasıyla karşılaştırılır ve simüle edilir ve sonuçlar alıcı-verici performansının iyileştirildiğini gösterir.
Enstrüman veriyolu; ana bilgisayar; arayüz devresi
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TP23
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.01.026
Çince alıntı biçimi: Hu Bijun, Liang Huaguo, Yi Maoxiang ve diğerleri.Geliştirilmiş bir M-BUS ana bilgisayar arabirim devresinin tasarımı ve simülasyonu.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (1): 99-102.
İngilizce alıntı biçimi: Hu Bijun, Liang Huaguo, Yi Maoxiang ve diğerleri.Geliştirilmiş bir M-BUS ana bilgisayar arabirim devresinin tasarımı ve simülasyonu.Elektronik Tekniği Uygulaması, 2017, 43 (1): 99-102.
0 Önsöz
Sayaç veriyolu M-BUS (Sayaç-BUS), uzaktan sayaç okuma verileri için bir Avrupa standardıdır ve diğer tüm enerji tüketimi ölçüm cihazları (yani, güç sağlamaya ihtiyaç duyan ölçüm cihazları) ve sensörler için de kullanılabilir. M-BUS, polariteye bakılmaksızın veri iletimi için iki telli bir kablo kullanır ve veri yolu aracılığıyla bağımlı yongaya güç sağlayabilir ve birkaç kilometre içinde topolojik iletişim için korumasız kablolar kullanabilir ve düşük maliyetlidir, bu nedenle uzak yerlerde yaygın olarak kullanılır Sayaç okuma ve yardımcı sayaçların ağ iletişimi.
M-BUS, master-slave seri asenkron iletişim modunu benimser ve ana ve slave arasında ayrım yapmak için iletişim arayüzünü gerektirir. Slave kısımda, işlemci çekirdeği olarak TI tarafından geliştirilen TSS721A terminal alıcı-verici çipi zaten mevcut olsa da, ana kısımda henüz özel bir entegre devre bulunmadığından, şirketler ve üreticiler kendi devrelerini M-BUS veri yolu standardına göre tasarlamaktadır. Pek çok uygulama, geleneksel ana bilgisayar tasarımının yalnızca yaklaşık 150 köle getirebileceğini ve 200'den fazla varsa iletişim arızalarının kolayca meydana gelebileceğini kanıtlamıştır. Yani, ana bilgisayarın gönderme devresinin sürücü kapasitesi yetersizdir ve yük kapasitesi zayıftır Çoklu yüklerin uzun mesafeli dağılımı durumunda, sinyal dalga formu ciddi şekilde bozulur ve normal iletişim gerçekleştirilemez. Üstelik, geleneksel M-BUS iletişim alımı, doğrudan voltaj karşılaştırması ile gerçekleştirilmektedir Bu M-BUS ana devrenin dezavantajı, ana bilgisayar alıcı ucun, yük değiştiğinde veya yük parametreleri bilinmediğinde uyum sağlayamamasıdır. Kararsız alım veya yanlış alıma neden olabilir. Bu makale, M-BUS'un ana bilgisayar tarafında veri alma ve gönderme performansını iyileştirmek için mevcut bir ana bilgisayar tarafı alıcı-verici devresini geliştirir.
1 M-BUS prensibi
Şekil 1'de gösterildiği gibi, M-BUS, iki telli bir kablo aracılığıyla bir ana ve birden çok bağımlı arasında veri yolu tipi bir ağ iletişimi gerçekleştirir. Otobüse bağlı bağımlı birimler, çeşitli enerji tüketen sayaçlar veya sensörlerdir. Veriyolu yoğunlaştırıcı, bilgisayar ağı aracılığıyla uzaktan veri toplama veya elde tutulan cihazlar aracılığıyla alan verileri toplama gerçekleştirebilen ana bilgisayara yukarı doğru bağlanır.
M-BUS ana bilgisayarının veri iletim ve alım yöntemleri, fiziksel katman üzerinde farklı şekilde tanımlanır.Gönderirken voltaj modülasyonu ve alırken akım modülasyonu kullanılır. Bu nedenle, master ve slave arasındaki arayüz devresinin yapısı da farklıdır. Şekil 2, ana ve bağımlı birim tarafından veriyolunda gönderilen sinyallerin şematik diyagramıdır. Ana bilgisayar, 12 V ila 42 V arasında yüksek ve düşük voltaj seviyeli sinyaller gönderir.Uzun mesafeli iletim, veri yolunda belirsiz bir voltaj düşüşüne neden olacağından, veri yolu protokolü sabit bir değer vermez, ancak yüksek ve düşük seviyeler Voltaj düşüşü 10 V'un üzerinde olmalıdır. Bağımlı birim, alınan mantık değerinin "1" veya "0" olduğunu belirlemek için veri yolu voltajındaki değişikliği algılar. Slave, ana üniteye bir akım sinyali gönderir Bu anda, veri yolu üzerindeki gerilim, ana birimdeki gönderme devresi nedeniyle yüksek bir gerilim seviyesinde kalır. Veriyoluna paralel olarak bağlanan bağımlılar mantık "1" gönderirken, veri yolunun 1,5 mA'dan daha az akım tükettiğini gösterir; "0" mantığını gönderirken, bağımlı birimler 1,5 mA'dan daha fazla 11 tüketir. mA ~ 20 mA. Ana bilgisayar, alınan akım sinyalini karşılık gelen akım algılama devresi yoluyla standart bir seviye sinyaline dönüştürür.
2 Ana bilgisayar arayüz devre tasarımı
2.1 Gönderme devresinin iyileştirilmesi
Şekil 3'te gösterildiği gibi, bir tür M-BUS veri yolu sürüş devresi, yani ana bilgisayar tarafının gönderme devresi vardır. TXD1 portu, dahili transmisyon sinyalinin giriş terminalidir Transmisyon sinyali TXD1'den girer Voltaj sinyali, NMOS tüpü V11'in anahtarını etkileyerek anahtarlanır ve BUS1 + ve BUS1- portlarından veriyoluna çıkar. CD1 portu, gönderme devresinin kontrol sinyali ucudur ve veri yolu gücü, V12'nin optocoupler U11B ile bağlantısı kesilerek kesilir.
İletim devresi, MOS tüp tasarımı çıkış sürücüsünü benimser.Op amp veya triyot çıkış sürücüsünün geleneksel tasarımı ile karşılaştırıldığında, güç MOS tüpü, geniş voltaj, düşük iletken iç direnç ve yüksek akım yükü altında mükemmel anahtarlama özelliklerine sahiptir ve yüksek Performans çıktı iken, yapı basittir. Bununla birlikte, iletim devresi, V11 tüpünün ve V12 tüpünün anahtar kontrolünü gerçekleştirmek için MOS tüpünün kapısını ve kaynağını optokuplör aracılığıyla doğrudan bağlar. Bu yöntem aşağıdaki sorunlara eğilimlidir:
(1) Devredeki V11 tüpü ve V12 tüpü açıldığında, kaynağın voltajı drenajın voltajını takip edecektir.MOS tüpünün tamamen açık kalmasını sağlamak için, devrenin MOS tüpünün kapısında daha yüksek bir pozitif voltaj tahrik güç kaynağı sağlaması gerekir + VA ve negatif voltaj sürücü gücü -VB;
(2) M-BUS veri yolu güç çıkışını kesmek için devre, optocoupler U11B'nin iletimi yoluyla V12 tüpünü kapatır, ancak optokuplörün iletimi, sürüş gücünü -VB'yi devreye bağlayacaktır ve devre hala içinde olacaktır. Erişim durumu
(3) Devredeki MOS transistörlerinin kapıları voltajla korunmaz.V11 ve V12 tüplerinin drenajı ve kaynağı arasındaki voltajdaki ani değişiklik, nispeten yüksek bir geçit kaynağı sivri voltajı üretmek için elektrotlar arasındaki kapasitans yoluyla kapıya bağlanacaktır. Bu voltaj, çok ince geçit kaynağı oksit tabakasının bozulmasına neden olur ve aynı zamanda geçit, kolayca yük biriktirir ve ayrıca geçit kaynağı oksit tabakasının bozulmasına neden olur.
Şekil 4, geliştirilmiş gönderme devresini göstermektedir. PMOS tüpü V21 açıldığında, veri yolu hızlı bir şekilde 36 V'a çıkarılır; V21 tüpü kapatıldığında, veri yolu 18 V'luk bir referans voltajını korur. Direnç R26'nın voltaj bölümü, V21 tüpü için yeterli açma voltajı sağlar ve Zener diyot D21, V21 tüp ızgarasını kırılmasını önlemek için korur. Devre aşırı yüklendiğinde veya güç tüketiminden tasarruf etmek için gönderme devresinin kapatılması gerektiğinde, CD2 ucu sıfırlanarak gerçekleştirilebilir. R29, küçük bir değere sahip bir örnekleme direncidir ve R30, büyük bir dirençtir.
Devre aşağıdaki gibi geliştirildi:
(1) Geliştirilmiş devre, sırasıyla V21 ve V22'ye MOS transistör sürücü devreleri ekler, bu da harici sürücü gücü talebini azaltır;
(2) Geliştirilmiş devre, CD2 ucunu sıfırlayarak gönderme devresindeki tüm döngüleri kesebilir, böylece veriyolunun güç kaynağını ve devrenin kendisini kesebilir;
(3) Geliştirilmiş iletim devresi, sırasıyla V21 tüpü ve V22 tüpü için şebeke koruma devreleri sağlar, bu da devre çalışmasının güvenilirliğini artırır.
2.2 Alıcı devrenin iyileştirilmesi
Ana bilgisayarın veri yolu arabirimine seri olarak bağlanan örnekleme direnci, gönderen devrenin çıkış empedansını doğrudan etkileyecektir, bu nedenle değer küçüktür, genellikle 40'un altındadır. Veriyolundan gelen akım sinyali, örnekleme direncinden sonra bir voltaj sinyaline dönüştürülür ve çözünürlük aralığı hala küçüktür. Bu nedenle, yüksek ve düşük voltaj sinyalleri arasında ayrım yapmak için eşiğin nasıl ayarlanacağı, alıcı devrenin işleme kapasitesini iyileştirmenin anahtarıdır.
Şekil 5, geleneksel bir M-BUS ana alıcı devresidir Dönüştürülmüş yüksek voltaj seviyesi sinyali, bir kapasitör C31 aracılığıyla karşılaştırıcının ters ucunda tutulur ve karşılaştırıcının eşik gerilimi olarak kullanılır.Bu eşik voltajı, diyot D32'den kaynaklanır. Doğal voltaj düşüşü, küçük rezistör R32'nin kısmi voltajı ve kapasitör C31'in kendisinin deşarjı, alınan yüksek voltaj sinyalinden biraz daha küçük olacaktır, ancak düşük voltaj sinyalinden daha yüksek olacaktır. Kararlı eşik voltajı daha sonra çıkış değerini elde etmek için alınan mevcut sinyal ile karşılaştırılır.
Bu tasarımın dezavantajı, veriyolu üzerindeki yük değiştiğinde veya yük bilinmediğinde, SIG1 portu tarafından alınan yüksek ve alçak gerilim sinyallerinin genliğinin de buna göre değişmesi ve diyot D32, direnç R32, R33 ve C31 kapasitörünün parametreleri değişmedi, bu da değişikliklerin ardından eşik voltajının zayıf uyarlanabilirliğine, zayıf anti-parazit kabiliyetine ve zayıf iletişim kararlılığına neden oldu.
İyileştirilmiş alıcı devre Şekil 6'da gösterilmektedir. Alıcı devre, dönüştürülmüş voltaj örnekleme sinyalini BUS + terminalinden almayı seçer ve daha sonra Zener diyodu D41 aracılığıyla bunun üzerinde aşağı düşürme işlemi gerçekleştirir. D42 ve D43, alınan sinyali iki simetrik girişe bölmek için kullanılan aynı modelin iki Schottky diyotudur. Bunlardan biri kapasitör tarafından tutulduktan sonra, iki sinyal ilk olarak farklılaştırılır ve diferansiyel işlemsel yükseltici U41 tarafından yükseltilir İşlenen sinyal, yalnızca mevcut durumu yansıtan bir voltaj sinyalidir ve genliği nispeten kararlıdır. Karşılaştırıcı U42 daha sonra çıktı değerini elde etmek için karşılaştırma için kullanılır.
Bu devre aşağıdaki iyileştirmelere sahiptir:
(1) İyileştirilmiş alıcı devrede, alınan sinyal iki simetrik girişe bölünür, bu da diyot voltaj düşüşü ve direnç bölücü gibi sabit parametrelerin etkisini ortadan kaldırır, böylece devrenin daha yüksek çözünürlüklü işleme yeteneklerine sahip olur ve örnekleme dirençleri için gereksinimleri azaltır.
(2) İyileştirilmiş alıcı devre, sinyali bir diferansiyel işlemsel amplifikatör aracılığıyla ön işlemden geçirir, böylece değişen yükün etkisini azaltır ve devrenin uyarlanabilirliğini geliştirir;
(3) İyileştirilmiş alıcı devre önceden işlenmiş sinyalleri karşılaştırdığında, R47 ve R48 direnci eşiği yükseltecek şekilde ayarlanır, bu da devrenin anti-parazit yeteneğini arttırır.
3 Simülasyon deneyi ve sonuç analizi
İyileştirme planı belirlendikten sonra, alıcı-verici devreleri ayrı ayrı simüle edilebilir ve sonuçlar karşılaştırılabilir ve analiz edilebilir. Bu makale Multisim simülasyon yazılımını kullanmaktadır Multisim, National Instruments (NI) Co., Ltd. tarafından başlatılan Windows tabanlı bir simülasyon yazılımıdır. Kart düzeyinde analog / dijital devre tasarımı için uygundur ve güçlü devre simülasyon analizi yeteneklerine sahiptir.
3.1 Gönderme devresinin simülasyon deneyi
İlk olarak, gönderen devrenin sürücü kapasitesini karşılaştırın ve test edin. M-BUS'un iletişim mesafesi birkaç kilometreye ulaşabilir ve mesafe arttıkça iletim hattındaki yük kapasitansı ve yük endüktansı sinyal üzerinde artan bir etkiye sahiptir.Normal haberleşme yapabilmek için, veriyolundaki sinyalin haberleşme oranını düşürmek gerekir. , M-BUS veriyolunun iletişim hızı 300 9600 b / s'dir. Burada haberleşme koşullarını ayarlamak için örnek olarak 9600 b / s iletişim hızı ve 2000 m iletişim mesafesini alın ve iletim hattı Kategori 5 bükümlü çifti kullanır.
Şekil 7, aynı iletişim koşullarında ve aynı sayıda ikincil birimde iletim devresinin karşılaştırmalı bir simülasyon dalga biçimi diyagramıdır. V (TXD) iki verici devrenin giriş sinyalidir, V (RL1) orijinal iletim devresinin çıkış sinyalidir ve V ( RL2) geliştirilmiş iletim devresinin çıkış sinyalidir. Devre açıldığında, iki gönderici devrenin benzer çıkış dalga formları vardır ve bu da aynı sürücü kapasitesine sahip olduklarını gösterir. Bununla birlikte, devre kapatıldığında, orijinal gönderme devresinin çıkışı hala zayıf bir sinyal yanıtına sahipken, geliştirilmiş gönderme devresi güç kaynağını tamamen keser ve sinyal yanıtı yoktur.
3.2 Alıcı devrenin simülasyon deneyi
M-BUS master bir akım sinyali alır ve slave sayısı farklı olduğunda, master tarafından veriyolundan alınan mevcut sinyalin genliği de farklıdır. Bu makale, veri yolu yük direncinin boyutunu değiştirerek veri yolundaki akımı etkiler. İletişim koşulları iletişim hızı için 9600 b / s, iletişim mesafesi için 2000 m ve 50 bağımlı yük olarak ayarlanmıştır.
Şekil 8 (a) şu andaki simülasyon dalga şekli diyagramıdır, V (SİNYAL), veriyolu akımı örnekleme direnci tarafından dönüştürüldükten sonraki voltaj örnekleme sinyalidir, V (RXD1) orijinal alıcı devre tarafından işlenen sinyaldir ve V (RXD2) geliştirilmiş olanıdır. Devrenin işlenmiş sinyalini alın. Şekil 8 (b), aynı koşullar altında 450 slave yüklendiğinde oluşan simülasyon dalga şekli diyagramıdır.
10 'luk küçük bir örnekleme direnci kullanmak, devrenin sürüş kabiliyetini geliştirmek için faydalıdır, ancak bu direnç tarafından dönüştürülen voltaj sinyalinin çözünürlük aralığı da daha küçüktür. Şekil 8'de gösterildiği gibi, stabilizasyondan sonra V'nin (SİNYAL) genlik aralığı yaklaşık 0.15 V'tur ve geleneksel alıcı devre, diyotun içsel voltaj düşüşü nedeniyle bu sinyali işleyemez, bu nedenle şekildeki geleneksel alıcı devrenin çıkışı her zaman yüksektir. Geliştirilmiş devre sadece idare etmekle kalmaz, aynı zamanda iyi bir uyarlanabilirliğe sahiptir. 50 slave'den 450 slave'e çok kısa sürede adapte olabilir ve doğru sonuçlar verebilir.
4. Sonuç
Bu makale sırasıyla mevcut M-BUS ana bilgisayar tarafındaki alıcı-verici devresini iyileştirir. İletim devresinde, yüksek sürücülü aktarım devresinin güvenilirliği ve kararlılığı, devre yapısı iyileştirilerek iyileştirilir. Alıcı devredeki geleneksel devrenin doğrudan kendi kendini karşılaştırma yöntemiyle karşılaştırıldığında, geliştirilmiş devre, alınan sinyali bir diferansiyel amplifikatör aracılığıyla önceden işler ve daha sonra karşılaştırma için bir eşik belirler.Eşiği gizlenmiş bir şekilde yükseltme yöntemi, devrenin uyarlanabilirliğini geliştirmeye yardımcı olur Ve anti-parazit yeteneği. Devreler simüle edildi ve karşılaştırıldı ve simülasyon sonuçları, aynı sürüş kabiliyetini sürdürmek temelinde operasyonun daha güvenilir olduğunu, iletişimin daha kararlı olduğunu ve daha güçlü uyarlanabilirlik ve parazit önleme yeteneğine sahip olduğunu gösterdi.
Referanslar
Yan Deguang, Xie Junlong, Dai Ruping M-BUS iki telli otobüs Otomasyon Enstrümantasyonu, 2003 (3): 33-36.
Zheng Feng, Xu Dongming, Zhou Xiaogang. Yeni bir pratik M-BUS ana bilgisayar çözümü. China Integrated Circuits, 2014 (12): 73-76.
Luo Xuewu. Bir M-BUS otobüs sürücü devresi
Guangdong: CN10218-5805A, 2011-09-14.
Sui Zhenfa, Liu Shuhua, Shi Zhenwei. Uyarlanabilir eşiğe dayalı M-Bus ana istasyon devresi
.Shandong: CN204258749U, 2015-04-08.
Wang Qingshan, M-BUS'a Dayalı Uzaktan Toplama Okuma Sisteminin Tasarımı ve Uygulanması Hangzhou: Zhejiang Üniversitesi, 2013.
Guo Yijun, Su Xiaowei, Li Zhangyong, vb. MOSFET Sürücü Koruma Devresinin Tasarımı ve Uygulaması Elektronik Tasarım Mühendisliği, 2012 (3): 169-171, 174.
Ji Mingxia, Huang Juyi, Li Binhui.Multisim sayacına dayalı tasarım ve simülasyon.Yabancı Elektronik Ölçüm Teknolojisi, 2013 (10): 15-18.
LEI Y T, LI G H, WANG L Q. TTL-M-BUS seviye çevirmeninin tasarımı ve geliştirilmesi.2012 Beşinci Uluslararası Akıllı Ağlar ve Akıllı Sistemler Konferansı, 2012.
