用于M-bus总线抗干扰的主动屏蔽系统及方法

摘要

本发明公开了一种用于M‑bus总线抗干扰的主动屏蔽系统及方法。在发送电路中设置有信号检测电路；接收电路包括电流信号放大模块、加法器模块、屏蔽开关、波谷检波器以及电压比较器；电压比较器的输出端用于输出解调后的回复信号；信号检测电路与屏蔽开关相连接。本发明从M‑bus发送电路中取出开关信号，控制屏蔽开关，同时采用具有慢升快降特性的波谷检波器输出参考值，使上冲的电流信号不足以干扰慢升快降的波谷检波器，而下冲信号则通过屏蔽开关被主动屏蔽掉，从而保持参考值的稳定。

权利要求

1.一种用于M-bus总线抗干扰的主动屏蔽方法，其特征在于步骤为：在M-bus的发送电路中通过信号检测电路（1）检测主设备发送出的电压信号；在M-bus的接收电路使用波谷检波器（5）输出解调信号参考值，并通过屏蔽开关（4）控制波谷检波器（5）的信号送入；所述接收电路属于主设备；

当主设备发送高电压信号时，屏蔽开关（4）导通，波谷检波器（5）正常工作、输出解调信号参考值；

当主设备发送低电压信号时，信号检测电路（1）向屏蔽开关（4）发出屏蔽信号，屏蔽开关（4）将波谷检波器（5）的输入信号屏蔽掉，使电流下冲信号无法干扰到波谷检波器（5）。

2.一种用于M-bus总线抗干扰的主动屏蔽系统，所述M-bus总线用于主设备和从设备之间的通信，所述主设备通过发送电路向从设备发送电压信号，所述从设备通过接收电路向主设备发送回复电流信号，其特征在于：所述发送电路中设置有信号检测电路（1）；所述接收电路包括电流信号放大模块（2）、加法器模块（3）、屏蔽开关（4）、波谷检波器（5）以及电压比较器（6）；所述从设备与所述电流信号放大模块（2）的输入端相连接，所述电流信号放大模块（2）的输出端依次通过加法器模块（3）、屏蔽开关（4）及波谷检波器（5）与所述电压比较器（6）的正端相连接，所述电流信号放大模块（2）的输出端还直接与所述电压比较器（6）的负端相连接，所述电压比较器（6）的输出端用于输出解调后的回复信号；

所述信号检测电路（1）与屏蔽开关（4）相连接，信号检测电路（1）用于在主设备发送低电平电压信号时向屏蔽开关（4）发送屏蔽信号，所述屏蔽开关（4）用于在收到屏蔽信号后将加法器模块（3）发送至波谷检波器（5）的信号屏蔽掉，以稳定波谷检波器（5）输出的参考信号。

3.如权利要求2所述的用于M-bus总线抗干扰的主动屏蔽系统，其特征在于：波谷检波器（5）包括运算放大器D11B、电阻R100、电阻R101、电阻R92、二极管V34和电容C60；

所述运算放大器D11B的正端用于通过屏蔽开关（4）与所述加法器模块（3）的输出端相连接，负端通过电阻R100与二极管V34的正极相连接，二极管V34的负极与运算放大器D11B的输出端相连接，二极管V34的正极还依次通过电阻R101及电容C60与等电位端相连接；所述电阻R101与电容C60之间的连接点通过电阻R92与MBUS低电平信号MBUS_LV相连接。

4.如权利要求3所述的用于M-bus总线抗干扰的主动屏蔽系统，其特征在于：所述屏蔽开关（4）包括二极管V25、电阻R83、电阻R85、二极管V27、三极管V30和电阻R90；

所述二极管V25的正极连接信号检测电路（1）以接收屏蔽信号，所述屏蔽信号为低电平信号，所述二极管V25的负极依次通过电阻R83及电阻R85与等电位端相连接，电阻R83和电阻R85之间的连接点与所述二极管V27的正极相连接、还与三极管V30的基极相连接，所述二极管V27的负极与所述三极管V30的发射极相连接，所述三极管V30的发射极还与MBUS低电平信号MBUS_LV相连接，三极管V30的集电极用于与运算放大器D11B的正端相连接，三极管V30的集电极还通过电阻R90与加法器模块（3）的输出端相连接。

5.如权利要求2所述的用于M-bus总线抗干扰的主动屏蔽系统，其特征在于：所述信号检测电路（1）包括光耦E8、图腾柱电路、PMOS管D10A、二极管V16和二极管V18；

所述光耦E8的输入端用于连接发送电路的输入端，所述光耦E8的输出端用于通过图腾柱电路控制所述PMOS管D10A的通断，所述PMOS管一端连接MBUS高电平信号MBUS_HV，另一端作为信号检测电路（1）的输出端以发送屏蔽信号，该另一端还与二极管V16的正极相连接，所述二极管V18的正极与MBUS低电平信号MBUS_LV相连接、负极与二极管V16的负极相连接，所述二极管V16的负极用于连接发送电路的输出端以向从设备传送主设备所发送出的电压信号。

6.如权利要求2至5任一所述的用于M-bus总线抗干扰的主动屏蔽系统，其特征在于：所述接收电路中还设有保护电路。

说明书

用于M-bus总线抗干扰的主动屏蔽系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于大功率M-bus总线抗干扰的屏蔽方法，还涉及一种用于大功率M-bus总线抗干扰的屏蔽系统。

背景技术

[0002] 居民用户的水表、热表、气表大部分采用M-bus通信，而现在城市中高楼层居多，为了施工方便及控制成本，需要大功率、高稳定的M-bus主抄设备，以实现单条总线抄通整个单元楼的M-bus表计。

[0003] 理想的M-bus从设备是纯粹的恒流负载，在M-bus主设备发送电压信号时，总线上不会有电流波动，没有干扰。但现实中的M-BUS从设备难免带有等效并联电容和等效并联电阻，当M-bus主设备带有较多的从设备时，总线等效并联电容和电阻将会在M-bus主设备发出电压信号时产生较大的电流干扰，导致接收解调电路紊乱，并且该干扰在从设备回复电流信号时也无法及时恢复，造成M-bus主设备无法准确地解析电流信号，导致通信失败。

[0004] 现有技术中的解决方案主要是从设备延时回复，等待接收电路解调的电压信号参考值稳定，但是其会影响通讯的正常进行，无法满足使用需要。

[0005] 可见，电压信号造成的干扰严重影响单条M-bus总线的从设备带载数量和通信质量，阻碍了高密度小区的水、热、气等M-bus计量设备的自动化集抄的施工及推广。

发明内容

[0006] 本发明提出了一种用于M-bus总线抗干扰的主动屏蔽系统及方法，其目的在于：避免M-bus主设备发出电压信号后产生的电流干扰影响从设备回复电流信号。

[0007] 本发明技术方案如下：

[0008] 一种用于M-bus总线抗干扰的主动屏蔽方法，其步骤为：在M-bus的发送电路中通过信号检测电路检测主设备发送出的电压信号；在M-bus的接收电路使用波谷检波器输出解调信号参考值，并通过屏蔽开关控制波谷检波器的信号送入；

[0009] 当主设备发送高电压信号时，屏蔽开关导通，波谷检波器正常工作、输出解调信号参考值；

[0010] 当主设备发送低电压信号时，信号检测电路向屏蔽开关发出屏蔽信号，屏蔽开关将波谷检波器的输入信号屏蔽掉，使电流下冲信号无法干扰到波谷检波器。

[0011] 本发明还提供了一种用于M-bus总线抗干扰的主动屏蔽系统，所述M-bus总线用于主设备和从设备之间的通信，所述主设备通过发送电路向从设备发送电压信号，所述从设备通过接收电路向主设备发送回复电流信号，所述发送电路中设置有信号检测电路；所述接收电路包括电流信号放大模块、加法器模块、屏蔽开关、波谷检波器以及电压比较器；所述从设备与所述电流信号放大模块的输入端相连接，所述电流信号放大模块的输出端依次通过加法器模块、屏蔽开关及波谷检波器与所述电压比较器的正端相连接，所述电流信号放大模块的输出端还直接与所述电压比较器的负端相连接，所述电压比较器的输出端用于输出解调后的回复信号；

[0012] 所述信号检测电路与屏蔽开关相连接，信号检测电路用于在主设备发送低电平电压信号时向屏蔽开关发送屏蔽信号，所述屏蔽开关用于在收到屏蔽信号后将加法器模块发送至波谷检波器的信号屏蔽掉，以稳定波谷检波器输出的参考信号。

[0013] 作为本系统的进一步改进：波谷检波器包括运算放大器D11B、电阻R100、电阻R101、电阻R92、二极管V34和电容C60；

[0014] 所述运算放大器D11B的正端用于通过屏蔽开关与所述加法器模块的输出端相连接，负端通过电阻R100与二极管V34的正极相连接，二极管V34的负极与运算放大器D11B的输出端相连接，二极管V34的正极还依次通过电阻R101及电容C60与等电位端相连接；所述电阻R101与电容C60之间的连接点通过电阻R92与MBUS低电平信号MBUS_LV相连接。

[0015] 作为本系统的进一步改进：所述屏蔽开关包括二极管V25、电阻R83、电阻R85、二极管V27、三极管V30和电阻R90；

[0016] 所述二极管V25的正极连接信号检测电路以接收屏蔽信号，所述屏蔽信号为低电平信号，所述二极管V25的负极依次通过电阻R83及电阻R85与等电位端相连接，电阻R83和电阻R85之间的连接点与所述二极管V27的正极相连接、还与三极管V30的基极相连接，所述二极管V27的负极与所述三极管V30的发射极相连接，所述三极管V30的发射极还与MBUS低电平信号MBUS_LV相连接，三极管V30的集电极用于与运算放大器D11B的正端相连接，三极管V30的集电极还通过电阻R90与加法器模块的输出端相连接。

[0017] 作为本系统的进一步改进：所述信号检测电路包括光耦E8、图腾柱电路、PMOS管D10A、二极管V16和二极管V18；

[0018] 所述光耦E8的输入端用于连接发送电路的输入端，所述光耦E8的输出端用于通过图腾柱电路控制所述PMOS管D10A的通断，所述PMOS管一端连接MBUS高电平信号MBUS_HV，另一端作为信号检测电路的输出端以发送屏蔽信号，该另一端还与二极管V16的正极相连接，所述二极管V18的正极与MBUS低电平信号MBUS_LV相连接、负极与二极管V16的负极相连接，所述二极管V16的负极用于连接发送电路的输出端以向从设备传送主设备所发送出的电压信号。

[0019] 作为本系统的进一步改进：所述接收电路中还设有保护电路。

[0020] 相对于现有技术，本发明具有以下积极效果：(1)本发明从M-bus发送电路中取出开关信号，控制屏蔽开关，同时采用具有慢升快降特性的波谷检波器输出参考值，M-bus主设备发出电压信号、经过容性和阻性负载时，总线上会产生较大电流波动，上冲的电流信号不足以干扰慢升快降的波谷检波器，而下冲信号则通过屏蔽开关被主动屏蔽掉，从而保持参考值的稳定；(2)本发明不需延时等待，可适应各种参数的M-bus表计；(3)当从设备回复“0”或者发送电路发送高电平导致电流上冲时，波谷检波器的二极管V34关断，电容C60缓慢充电，使波谷检波器的输出电压保持稳定，从而解决了电流上冲对解调参考值造成干扰的问题，相较于传统的电流信号放大——RC滤波的方案，为主动屏蔽提供了技术依托。

附图说明

[0021] 图1是本系统的整体结构示意图。

[0022] 图2是发送电路的示意图。

[0023] 图3是接收电路的示意图。

[0024] 图4是屏蔽开关和波谷检波器部分的局部示意图。

[0025] 图5是实施例中取样电阻两端电压的波形图。

[0026] 图6是实施例中取样电阻两端电压波形展开图。

[0027] 图7是实施例中电流信号放大模块的输出波形图。

[0028] 图8是实施例中加法器模块的输出波形图。

[0029] 图9是实施例中波谷检波器的输出波形图。

[0030] 图10为实施例中的通信报文对比图。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图详细说明本发明的技术方案：

[0032] 如图1所示，一种用于M-bus总线抗干扰的主动屏蔽系统，所述M-bus总线用于主设备和从设备之间的通信，所述主设备通过发送电路向从设备发送电压信号，所述从设备通过接收电路向主设备发送回复电流信号。

[0033] 所述发送电路中设置有信号检测电路1。

[0034] 如图2，所述信号检测电路1包括光耦E8、图腾柱电路、PMOS管D10A、二极管V16和二极管V18等。

[0035] 所述光耦E8的输入端用于连接发送电路的输入端，所述光耦E8的输出端用于通过图腾柱电路控制所述PMOS管D10A的通断，所述PMOS管一端连接MBUS高电平信号MBUS_HV，另一端作为信号检测电路1的输出端以发送屏蔽信号，该另一端还与二极管V16的正极相连接，所述二极管V18的正极与MBUS低电平信号MBUS_LV相连接、负极与二极管V16的负极相连接，所述二极管V16的负极用于连接发送电路的输出端以向从设备传送主设备所发送出的电压信号。

[0036] 单片机串口通过电阻R55驱动光耦E8，光耦E8输出信号通过电阻R54和R57控制由三极管V15、V17组成的图腾柱电路，然后经电阻R53控制PMOS管D10A，PMOS管D10A和二极管V16、V18共同实现高低电平发送，同时在D10A和V16之间取出屏蔽信号P_MOS_OUT_1。

[0037] 当MBUSI_TX为高电平时，光耦E8输出低电平，并通过电阻R54和R57控制三极管V15、V17组成的图腾柱电路输出低电平驱动PMOS管D10A导通，此时二极管V16导通、二极管V18截止，MBUS总线向从设备输出高电压(HV)；反之，当MBUSI_TX为低电平时，光耦E8输出高电平，并通过电阻R54和R57控制由三极管V15、V17组成的图腾柱电路输出高电平驱动PMOS管D10A关断，此时二极管V16截止、二极管V18导通，MBUS总线输出低电压(LV)，此时P_MOS_OUT_1送出低电平屏蔽信号。

[0038] 如图1，所述接收电路包括电流信号放大模块2、加法器模块3、屏蔽开关4、波谷检波器5以及电压比较器6。所述从设备与所述电流信号放大模块2的输入端相连接，所述电流信号放大模块2的输出端依次通过加法器模块3、屏蔽开关4和波谷检波器5与所述电压比较器6的正端相连接，所述电流信号放大模块2的输出端还直接与所述电压比较器6的负端相连接，所述电压比较器6的输出端用于输出解调后的回复信号。

[0039] 波谷检波器5负责向电压比较器6输送解调参考值，电压比较器6将参考值和电流取样放大后的信号作比较，输出解调后的信号。

[0040] 所述信号检测电路1与屏蔽开关4相连接，信号检测电路1用于在主设备发送低电平电压信号时向屏蔽开关4发送屏蔽信号，所述屏蔽开关4用于在收到屏蔽信号后将加法器模块3发送至波谷检波器5的信号屏蔽掉，以稳定波谷检波器5输出的参考信号。

[0041] 所述接收电路中还设有保护电路。

[0042] 接收电路的具体结构如图3所示：

[0043] M-bus1N直连M-bus从设备接收电流信号，电流信号依次经TVS V22(负责静电保护)、D10B取样电阻R86及R87被转化为电压信号。该电压信号分别经电阻R82和R84输出到解调电路及保护电路。

[0044] 解调线路中，首先通过电流信号放大模块2对信号进行放大：

[0045]

[0046]

[0047] V+＝V-

[0048] 式中：

[0049] IIN：总线电流值

[0050] VIN：取样电阻两端电压

[0051] VOUT：运算放大器D11A输出电压

[0052] V+：运算放大器D11A正输入脚电压

[0053] V-：运算放大器D11A负输入脚电压

[0054] 设：

[0055] R86＝R87＝10Ω

[0056] R82＝R95＝1kΩ

[0057] R78＝R96＝100kΩ

[0058] R82＝R91＝8.2kΩ

[0059] MBUS_LV＝18V

[0060] 代入上式得：

[0061] VOUT＝8.2VIN+1.476(V)

[0062] VOUT＝41IIN+1.476(V)

[0063] VOUT即电流信号放大模块2的输出电压值，该电压值一路依次经过加法器模块3和波谷检波器5形成参考值，另一路直接进入电压比较器6D12A，与参考值进行比较后得到解调信号。

[0064] 如图3，本发明采用的加法器模块3简单可靠，由两个电阻R76、R89和一个PNP的三极管V28组成。其原理如下：

[0065]

[0066] 设：

[0067] R76＝30kΩ

[0068] R89＝680Ω

[0069] VBE＝0.5V(三极管BE之间压降)

[0070] MBUS_HV＝30V

[0071] VC为三极管V28集电极输出电压。

[0072] 带入上式得：

[0073] VC＝VOUT+261(mV)。

[0074] 如图3和4，波谷检波器5包括运算放大器D11B、电阻R100、电阻R101、电阻R92、二极管V34和电容C60；

[0075] 所述运算放大器D11B的正端用于通过屏蔽开关4与所述加法器模块3的输出端相连接，负端通过电阻R100与二极管V34的正极相连接，二极管V34的负极与运算放大器D11B的输出端相连接，二极管V34的正极还依次通过电阻R101及电容C60与等电位端相连接；所述电阻R101与电容C60之间的连接点通过电阻R92与MBUS低电平信号MBUS_LV相连接。

[0076] M-bus主端口电压信号发送单元发送高(HV)低(LV)电压信号时由于等效并联电阻和等效并联电容的存在，总线上会有较大的电流波动，造成加法器模块3的输出电压高低波动。

[0077] 当D11B正输入端(5脚)的电压高于负输入端(6脚)时，输出端(7脚)输出高电平，二极管V34关断，电容C60只能通过电阻R92(阻值非常大为2M)缓慢充电，RC时间常数远远大于从设备回复“0”信号持续时间。故此，当从设备回复“0”信号或者发送电路发送高电平，导致电流上冲时(持续时间小于回复“0”信号持续时间)，波谷检波器5的输出电压可以自动维持稳定，如此一来解决了M-bus上电瞬间，总线电流上冲对解调信号参考值造成的干扰问题。

[0078] 当D11B正输入端(5脚)的电压低于负输入端(6脚)即电流下充时，如果不对正输入端的电压进行屏蔽处理，输出端(7脚)将输出低电平，二极管V34导通，电容C60通过电阻R101(阻值较小为100Ω)迅速放电，较长时间无法恢复，待从设备回复电流信号时，送出的解调信号参考值是不准确的，导致通信失败。

[0079] 为了解决上述问题，根据屏蔽信号和屏蔽开关4进行主动屏蔽：

[0080] 如图3和4，所述屏蔽开关4包括二极管V25、电阻R83、电阻R85、二极管V27、三极管V30和电阻R90。

[0081] 所述二极管V25的正极连接信号检测电路1以接收屏蔽信号，所述屏蔽信号为低电平信号，所述二极管V25的负极依次通过电阻R83及电阻R85与等电位端相连接，电阻R83和电阻R85之间的连接点与所述二极管V27的正极相连接、还与三极管V30的基极相连接，所述二极管V27的负极与所述三极管V30的发射极相连接，所述三极管V30的发射极还与MBUS低电平信号MBUS_LV相连接，三极管V30的集电极用于与运算放大器D11B的正端相连接，三极管V30的集电极还通过电阻R90与加法器模块3的输出端相连接。

[0082] 引入屏蔽开关4后，电流下冲时，发送电路中取出的P_MOS_OUT_1信号由高电平变为低电平，屏蔽开关4中的三极管V30导通，将D11B正输入端(5脚)输入电压抬高，使之高于负输入端(6脚)，D11B输出端(7脚)输出高电平，二极管V34关断，电容C60只能通过电阻R92(阻值非常大为2M)缓慢充电，保持电压基本不变，从而保证解调信号参考值的稳定。

[0083] 设M-bus从设备回复电流信号幅值范围为11-20mA，假设M-bus不通信时电流(仅供电电流)为0.8mA，从设备回复电流信号幅值为16mA。即从设备发送“1”电流为0.8mA，放大后输出电压为1.5088V，经加法器模块3后电压为1.7698V，再经波谷检波器5后电压为稳定的1.7698V；发送“0”时总线电流为16.8mA，放大器电压为2.1648V，波谷检波器5输出电压基本不变仍为1.7698V。波谷检波器5输出信号输出到电压比较器6D12A的正输入端口，D11A输出电压经电阻R106输出到电压比较器6D12A的负输入端口。当负输入端电压小于1.7698V时，比较器D12A经光耦E10将“1”信号输出给单片机；当负输入端电压大于1.7698V时，比较器D12A经光耦E10将“0”信号输出给单片机。

[0084] 接收电路中的保护电路共有四个功能：过载保护、短路保护、线路异常告警、总线电源开关。保护电路保证了大功率M-bus主电路的功能完整性。如图3，总线电流经过取样电阻R86和R87转换为电压信号后，经电阻R84将电压信号传到电压参考源V32的输入脚。当过载或短路时，电压参考源V32动作，三极管V29、V31、电阻R81、R80、R94组成的锁止电路将NMOS管D10B关断，直到单片机通过电阻R111驱动光耦E12，开启三极管V33重置锁止电路，然后关断三极管V33和V24，重新开启NMOS管D10B，若短路或过载事件消失则线路正常工作，否则重复以上过程并通过D12B及相关器件产生告警信号。

[0085] 在试验电路中实际极限测试情况如图6至10所示，测试条件为：静态电流220mA，其中包括并联0.33uF电容、500Ω电阻，信号电流16mA。结果表明抗干扰能力效果良好。