摘 要： 分析介绍了仪表总线（M-Bus）信号和传统的RS-232转M-Bus的电路实现方式，并就此分析了光电耦合隔离型电路和数字隔离型电路各自的优缺点，在此基础上提出了采用了ADI公司数字隔离芯片ADuM1201来实现数字隔离型RS-232转M-Bus的电路设计。这种新型电路简单易用、隔离性能更强、功耗更低并具有很好的可靠性。
关键词： M-Bus；数字隔离；TSS721；ADuM1201
仪表总线M-Bus（Meter Bus）是一种新型的总线结构，最先由德国帕德波恩大学的Dr.Horst Ziegler与美国TI公司的Deutschland GmbH和TechemGmbH共同提出，1997年欧盟针对热量计量推出标准（EN1434-1997）时将其纳入其中，从而成为欧洲新的一种专门用于公共事业仪表的总线结构标准。M-Bus是一种专门为消耗量计量仪表数据传输设计的主从式半双工传输总线，采用主叫/应答的方式通信。M-Bus的主要特点是仅用两条无极性的传输线来同时作为供电线路和传输串行数据的传输线，采用独特的电平特征传输数字信号，抗干扰能力强；由总线供电，降低了维护成本；采用总线型拓扑结构，扩展方便，组网成本低，各个终端装置（以不同的地址码确认）可并行连接在M-Bus上。将M-Bus用于各类消费仪表或相关装置的智能化管理系统中时，可对相关数据或信号进行采集并传递至集中器，然后再通过相应方式传送至主站。基于以上优点，M-Bus可广泛应用于住宅小区、办公场所等能耗智能化管理系统的布线及连接[1-3]。
但目前市场上各种仪表及数据接收器大多使用RS-232/485通信方式，很多场合已经配备这种传统的通信仪表和数据接收器，如果想统一采用M-Bus总线方式，就必须替换掉采用这些传统通信协议的仪表和仪器，这样项目的成本就会大大增加。因此，本文提出了一种RS-232/485转M-Bus总线的实现方式，以此来解决项目中遇到的通信协议标准不同的问题。本文介绍了新型电路的设计思路，同时还对比分析了传统光耦合电路和数字隔离电路的优缺点，并阐述了对M-Bus总线转换电路发展方向的看法。
1 基于M-Bus总线的TSS721芯片
本设计中的M-Bus总线通过TSS721A收发芯片来实现。TSS721是美国德州仪器（TI）公司基于M-Bus仪表总线通信标准设计的终端收发芯片[4]，严格遵循M-Bus通信标准（EN1434-3）。它的两个BUSL端分别连接到两条传输线路上，并通过M-Bus为终端装置供电。TSS721采用半双工异步通信模式与总线上的集中器进行通信，它可通过整流桥的形式来避免接入极性的颠倒[5]。TSS721引脚图如图1所示。
由集中器向终端传输的信号采用电压值的变化来表示，即集中器向终端发送的数据码流是一种电压脉冲序列，用+36 V表示逻辑“1”，用+24 V表示逻辑“0”。在稳态时，线路将保持“1”状态。从终端向集中器传输的信号采用电流值的变化来表示，即由终端向集中器发送的数据码流是一种电流脉冲序列，通常用1.5 mA的电流值表示逻辑“1”，当传输“0”时，由终端控制可使电流值增加11 mA～20 mA。在稳态时，线路上的值为持续的“1”状态。当终端接收信号时，其电流应处于稳态“1”，且其电压值的变化所导致的电流变化不应超过0.2%/V。
考虑到传输距离的影响，终端接收芯片应该以两条线路上的电压差的绝对值为接收信号，即具有动态接收信号的能力。实际接收情况为：电压最高值Vmax的范围应为21～42 V，当电压值比Vmax低5.5 V时，应记录一个标记，当比Vmax低8.2 V时，应记录信号“0”[6]。
终端微处理器可以仅由总线供电，也可仅由自带电池供电；同时也可由总线供电，而用自带电池作备用电源，当总线供电失败时，终端可自动切换到电池供电。为保证其中某个终端装置短路时不影响整个系统的工作，在各终端电路中应接有430±10 Ω的短路保护电阻，以保证短路时的最大电流不超过100 mA，并减少线路上的电能转化为热能。
2 光电耦合隔离电路与数字隔离电路的比较
在RS-232转M-Bus的转换电路中，既可以采用非隔离型电路，也可以采用隔离型电路。隔离型电路对输入和输出电路可以进行隔离，因此能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰。从电路的高可靠性出发，本设计选择隔离型电路。隔离型电路中又分为传统的光电耦合隔离电路和数字隔离电路，本文对这两种电路分别进行了介绍和比较。
2.1 光电耦合隔离电路
光电耦合隔离电路的作用是在电隔离的情况下，以光为媒介传送信号，对输入和输出电路进行隔离。光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电-光-电的转换。
光电耦合器是将光电耦合电路进行了集成和封装后得到的IC产品，它把红外光发射器件、红外光接收器件以及信号处理电路等封装在同一管座内。最常用的发光器件是LED发光二极管，当输入电信号加到输入端会导致LED发光，光接收器件接收LED发光的光信号后将其转换成电信号并输出。
光电耦合电路结构独特，可有效抑制噪声、消除干扰，且开关速度快、体积小，可替代变压器隔离。图2为光电耦合器在隔离电路中的典型应用电路。
2.2 数字隔离电路
数字隔离器在性能、尺寸、成本、效率和集成度方面均有优势。数字隔离器的3个关键要素是：绝缘材料、结构和数据传输方法，这3个要素的特点及其相互关系，对于正确选择数字隔离器十分重要。
之所以引入隔离，是为了满足安全法规或者降低接地环路的噪声等。电流隔离确保数据传输不是通过电气连接或泄漏路径，从而避免了安全风险。然而，隔离会带来延迟、功耗、成本和尺寸等方面的限制。数字隔离器的目标是在尽可能减小不利影响的同时满足安全要求。
数字隔离器采用晶圆CMOS工艺制造，仅限于常用的晶圆材料。非标准材料会使生产复杂化，导致可制造性变差且成本提高。常用的绝缘材料包括聚合物（如聚酰亚胺PI，它可以涂成薄膜）和二氧化硅（SiO2）。二者均具有众所周知的绝缘特性，并且已经在标准半导体工艺中使用多年。聚合物是许多光耦合器的基础，作为高压绝缘体具有悠久的历史。
2.3 比较选择
数字隔离器使用变压器或电容将数据以磁性方式或容性方式耦合到隔离栅的另一端，光耦合器则是使用LED光。数字隔离器使用更先进的电路来编码和解码数据，支持更快的数据传输速度，能够处理USB和I2C等复杂的双向接口。
数字隔离器在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有光耦合器无法比拟的巨大优势。
3 基于数字隔离技术的接口硬件设计
3.1 电路设计原理图
本设计采用了最新的数字隔离技术，其主要电路图如图3所示。
本设计中电路主要结构是RS-232收发芯片、数字隔离芯片和M-Bus收发芯片，其中M-Bus收发芯片TSS721A在前面已经介绍，这里主要介绍一下数字隔离芯片的选型和电路应用。
本文采用了ADI公司推出的新型ADuM1201芯片作为数字隔离芯片，它采用的iCoupler技术是基于芯片尺寸的变压器，采用了iCoupler变压器专利技术集成变压器驱动和接收电路，功耗仅为光电耦合器的1/10~1/50。iCoupler数字隔离器在125℃高温环境下性能和可靠性并不下降，因此可以采用低成本、小体积的SOIC封装，这样不但降低了成本，还减小了芯片的体积。此外，多通道iCoupler数字隔离器能在同一芯片内提供正向和反向通信通道，这样就可以使得信号的传输方向更加灵活，简化了芯片间的硬件连接线路。
ADuM1201所隔离的两端有各自的电源和参考地，电源电压为2.7~5.5 V，这样可以实现低电压供电，从而进一步降低系统功耗，系统中使用的电源是5 V。电源和参考地之间接入0.01 μF~0.1 μF电容，以消除高频干扰，电容和电源之间的距离应在20 mm以内，这样可以达到更好的滤波效果。由于两个隔离通道高度匹配，通道间串扰很小，并且采用两通道输入/输出反向设计，非常适合M-bus总线双向收发的特性，大大简化可隔离器与所隔离两端的硬件连接。
3.2 电路应用与调试
本电路现已调试结束，在调试过程中，RS-232的数据格式是：波特率2 400~115 200 b/s，8 bit数据位，无效验，1 bit停止位；M-Bus数据格式波特率：300~9 600 b/s； 8 bit/9 bit数据位；偶校验/奇校验/无效验； 1 bit停止位。
本电路已应用于实际项目中，能很好地进行数据协议的转换，并已申请专利。
本文从数据转换的安全性和可靠性两个方面着手，选用了新型的ADI数字隔离芯片ADuM1201，在保证数字信号转换高可靠性的同时，也降低了工作电路的功耗。在M-Bus调试器软件环境下的实验结果表明，本设计的数字信号转换准确率高，电路设计合理，具有很好的应用前景。
参考文献
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[2] 王晓兰，赵忠彪，谭文忠，等.基于M-BUS的接口设计研究[J].工业控制计算机，2004，17（11）：17-18
[3] 孟祥，孙海，徐春艳.M-Bus总线及其应用[J].仪表技术与传感器，2003（3）：43-45，50.
[4] 陶永明，刘立国，陈永刚.M-Bus终端收发芯片TSS721的原理及应用[J].国外电子元器件，2002（9）：31-33.
[5] 常东来，江亿.TSS721A在自动抄表系统中的应用[J]. 电子技术应用，2000，26（8）：59-60.
[6] 吴剑锋，李建清，宋爱国，等.232_MBus转换电路器设计与实现[C].中国仪器仪表学会第九届青年学术会议论文集，2007：782-785.