ШИНА M-Bus

Вступ

M-Bus (Meter-Bus) – європейський стандарт побудови централізованих систем збору даних приладів обліку витрати газу, тепла, електроенергії, води тощо. У стандарті EN 13757-2 наведені рекомендації щодо реалізації фізичного та канального рівнів, у стандарті EN 13757-3 – прикладного рівня. Рекомендації щодо побудови бездротових мереж Wireless M-Bus наведені у стандарті EN 13757-4. У пакеті стандартів M-Bus регламентуються правила створення структури апаратних засобів, а також порядок взаємодії пристроїв мережі на логічному рівні. У статті розглядаються особливості інтерфейсу фізичного рівня .

В якості фізичного середовища передачі даних у провідному варіанті шини M-Bus використовується вита мідна пара. Архітектура мережі збору даних може містити фрагменти шинної (рис. 1) і зіркоподібної топології. Напруга живлення всіх пристроїв мережі подається на ту ж пару проводів.

Усі ведені пристрої мережі (далі – slave) підключаються до центрального пристрою, тобто ведучого (далі – master), яке керує роботою мережі. Крім різноманітних лічильників до мережі можуть бути підключені аналогові/цифрові датчики (температури, тиску, рівня загазованості приміщення тощо), що підтримують відповідні протоколи обміну.

Стандарт M-Bus забезпечує:

• обмін даними невеликого обсягу на відстані до кількох кілометрів
• простоту модифікації розгорнутих систем збору даних протягом усього терміну служби
• низьку вартість обладнання та мінімальні витрати на розгортання і експлуатацію систем.

Ці, на перший погляд, суперечливі вимоги забезпечуються завдяки невисокій швидкості та простоті протоколів обміну даними, що дозволяє реалізувати недорогі slave-пристрої.

Основні характеристики

Характеристики та особливості стандарту M-Bus:

• можливість дистанційного зчитування даних
• використання двопровідної шини для обміну даними
• індивідуальна адресація кожного пристрою
• можливість побудови автоматизованих систем збору даних (що містять до 250 пристроїв, розташованих в одному сегменті)
• можливість використання в різноманітних охоронних системах
• підключення slave-пристроїв не залежить від полярності напруги на шині
• дальність зв’язку – до кількох кілометрів
• швидкість передачі даних 300-38 400 бод.

Оскільки внаслідок «економії» для обміну даними та електроживлення slave-пристроїв застосовуються всього два провідники, при передачі даних від master до slave рекомендується використання амплітудної модуляції напруги живлення, а в зворотному напрямку – модуляції струму споживання. Принципи організації та обміну даними по шині M-Bus показані на схемах рис. 2. При передачі даних від master відбувається зміна рівня напруги на шині відповідно до передаваних даних. Ці зміни напруги аналізуються у всіх slave-пристроях і перетворюються у потік даних. Ведене пристрій, у якому в результаті декодування прийнятих даних відбувається збіг адрес, відповідає на запит ведучого пристрою і передає йому затребувані дані.

Напруга шини (Vbus) від 24 до 42 В (рекомендована – 36 В). При передачі даних від пристрою master до slave рівню «лог. 1» (Mark) відповідає напруга більше (Vbus – 5.7) В, рівню «лог. 0» (Space) – напруга менше (Vbus – 8.2) В.

При передачі даних від slave до master рівню «лог. 1» (Mark) відповідає струм Imark, рівню «лог. 0» (Space) – струм мА (див. рис. 2). Статичний струм споживання slave-пристроєм не повинен змінюватися більше ніж на 0.2% при зміні напруги шини (Vbus) на 1 В . Щоб у випадку несправності пристрою обмежити струм споживання, послідовно з провідниками шини включаються два резистори опором 215 Ом.

У специфікаціях M-Bus введено таке поняття як одиниця навантаження (One Unit Load – UL ≤ 1.5 мА) у фазі Mark. Це, по суті, статичний струм споживання slave-пристрою, який у загальному випадку може становити кілька UL. Обмеження статичного струму споживання пов’язане з тим, що електроживлення пристроїв здійснюється по тих самих проводах. Пристрій Master у всьому діапазоні змін сумарного статичного струму (від нуля до максимального значення) повинен забезпечувати стабільність напруги Vbus, оскільки вона використовується для електроживлення всіх пристроїв. Розрахунок максимального струму виконується з таких передумов: при 250 пристроях, підключених до шини (тобто 250 UL), сумарний статичний струм споживання становить 375 мА (250×1.5 мА). При несправності одного з slave-пристроїв споживаній ним струм може збільшитися до максимального значення 100 мА (42 В/430 Ом). Максимальний «сигнальний» струм у фазі Space при передачі даних від slave до master становить 20 мА (див. рис. 2). Таким чином, максимальний струм, який повинен забезпечуватися пристроєм master, повинен бути не менше 500 мА (375 + 100 + 20).

Якщо при передачі даних від slave до master «сигнальний» струм у фазі Space збільшується до 50 мА, це розцінюється як конфлікт на шині і означає, що, принаймні, два пристрої намагаються передавати дані одночасно. У цьому випадку ведучим пристроєм на шині встановлюється рівень напруги, що відповідає фазі Space, протягом більше 22 бітових інтервалів, але протягом не більше 50 мс. У випадку, якщо струм споживання перевищує максимальне значення, рекомендується відключення напруги живлення шини.

Обмеження числа пристроїв (250), підключених до сегменту мережі, пов’язане з можливістю адресації (8 біт). Дальність зв’язку обмежується величиною падіння напруги (I·R) на активному опорі провідників (що призводить до зниження напруги живлення шини (Vbus) для slave-пристроїв у міру їх віддалення від master), а також сумарною величиною ємності провідників шини. Максимальна швидкість передачі даних – 38 400 бод, рекомендована – 2400 і 9600 бод. Усі пристрої повинні підтримувати початкову швидкість 300 бод. Цілком очевидно, що при збільшенні ємності провідників тривалість наростаючого і спадаючого фронтів імпульсів напруги, що формуються пристроєм master, зростає. Вхідна ємність slave-пристрою – не більше 0.5 нФ. Рекомендована тривалість фронтів становить 0.5 тривалості бітового інтервалу, а їх асиметрія – 0.125. При тестуванні шини рекомендується використовувати співвідношення, наведені в таблиці. Приклади розрахунку відстані зв’язку залежно від числа і місця розміщення підключених до шини slave-пристроїв, а також параметрів кабелю наведені в . При 64-х пристроях, підключених у кінці лінії, і використанні кабелю з опором провідників 24 Ом/км розрахункова дальність зв’язку становить 3.6 км.

Орієнтовні співвідношення швидкості передачі та ємності шини

Використовуваний на канальному рівні протокол передачі даних наведений на рис. 3 і не потребує пояснень, по суті, – це стандартний UART-протокол.

Для невеликих мереж M-Bus протяжністю до 50 м у стандарті рекомендується використання mini-master. Максимальні швидкість передачі даних і сумарна ємність шини в цьому випадку обмежується величиною 2400 бод і 75 нФ відповідно.

SLAVE

До останнього часу мікросхема TSS721 (Texas Instruments) була чи не єдиною, орієнтованою на використання в якості slave-прийомопередавачів шини M-Bus. У 2013 році компанія ON Semiconductor випустила мікросхему NCN5150, що відповідає специфікаціям фізичного рівня EN 13757-2 і EN 1434-3 . Мікросхема NCN5150 призначена для використання в якості прийомопередавача шини M-Bus. Максимальна швидкість передачі даних у напівдуплексному режимі – 38 400 бод. Типова нестабільність струму споживання при ΔVbus = 10 В становить 0.2% (максимальна – 2%). Типове значення статичного струму споживання – 1.2 мА (1UL). Прийомопередавач NCN5150 містить вбудований стабілізатор напруги (3.3 В, 15 мА), який можна використовувати для живлення користувацьких пристроїв.

Щоб забезпечити незалежне від полярності підключення до шини, в ІМС NCN5150 введено діодний міст.

У випадку передачі даних від master до slave в прийомопередавачі NCN5150, по суті, виконується перетворення модульованої напруги шини у вихідні сигнали TTL-рівня і, навпаки, вхідні сигнали TTL-рівня використовуються для відповідної модуляції струму споживання slave-пристроїв. Структурна схема підключення мікросхеми NCN5150 наведена на рис. 4 (номінальні значення опорів резисторів і ємності конденсаторів наведені для навантаження 1 UL).

Мікросхеми NCN5150 виготовляються в корпусі 20-QFN (4×4 мм) або 16-SOIC (у цьому випадку забезпечується сумісність з ІМС TSS721A). Прийомопередавач NCN5150 призначений для роботи в діапазоні температур -40…85 °C.

Master

Приклади реалізації електричних схем пристрою master можна знайти у стандарті ДСТУ EN 1434:2005 , у якому наведені три схеми, що застосовуються залежно від величини навантаження. Варіант однієї з багатьох схем (які можна знайти в мережі Інтернет) наведений на рис. 5. Ця схема мало чим відрізняється від рекомендованої в . Така найпростіша схема використовується в пристроях mini-master, головним чином – у простих конвертерах, наприклад, USB <> M-Bus, UART <> M-Bus. Її недолік – зміна падіння напруги на резисторі R1 (82 Ом) при зміні статичного струму споживання шини. У цій схемі резистор R1 використовується як струмочутливий датчик. Коли, наприклад, передбачається, що мережа M-Bus може містити від одного до десяти slave-пристроїв з одиничним навантаженням, а величина статичного струму споживання змінюється навіть у порівняно невеликому діапазоні (1.5-15 мА), падіння напруги на R1 буде змінюватися від 0.123 до 1.23 В.

У цьому випадку, враховуючи те, що напруга база-емітер транзистора VT3 становить 0.6-0.7 В, навряд чи можна очікувати, що така схема буде працездатною. Щоб підтримувати незмінним падіння напруги на вимірювальному резисторі (Imark·R1) при зміні статичного струму споживання, необхідно вживати спеціальних заходів.

Варіант структурної схеми master, що використовується при великих змінах статичного струму споживання, наведений на рис. 6. При збільшенні падіння напруги на вимірювальному резисторі R1 завдяки регульованому джерелу струму (D1, VT1), падіння напруги на ньому змінюється незначно, а збільшення статичного струму споживання по шині M-Bus компенсується регульованим джерелом струму. Резистор R2 у даній схемі використовується для вимірювання сумарного струму споживання по шині M-Bus. У випадку короткого замикання (КЗ) провідників або при підключенні великого числа slave-пристроїв збільшується струм споживання. Спеціальний пристрій аналізує величину струму споживання по шині і у випадку перевищення допустимого значення сигналізує про аварійну ситуацію або відключає напругу живлення шини. Орієнтовні значення опору і ємності компонентів (R, C), які визначають постійні часу ланцюга регулювання, дані на рис. 6.

Рекомендована в структурна схема master наведена на рис. 7. Принцип регулювання для підтримання незмінним падіння напруги на вимірювальному резисторі R1 при зміні статичного струму споживання залишається попереднім.

При повільних змінах статичного струму споживання за допомогою диференціального підсилювача, пікового детектора і регульованого джерела струму падіння напруги на вимірювальному резисторі підтримується незмінним. У детекторі «сигнального» струму (що генерується одним з slave-пристроїв) відбувається порівняння, по суті, напруги живлення шини (Vbus = Vmark) зі змінами напруги, викликаними падінням напруги на низькоомному вимірювальному резисторі за рахунок протікання імпульсного «сигнального» струму з амплітудою Ispace = Imark + (10-20) мА. Таким чином, на виході детектора сигналу відновлюється інформаційний сигнал (RX), що передається slave-пристроями. Значення компонентів (R, C), що визначають постійні часу ланцюга регулювання, наведені на рис. 7 .

Висновок

Завдяки простоті побудови, низькій вартості обладнання та мінімальним витратам на експлуатацію систем збору даних стандарт M-Bus отримав широке поширення, особливо в системах збору даних різного роду лічильників витрати.

Останнім часом в інтелектуальних лічильниках все частіше застосовується бездротовий варіант M-Bus. Wireless M-Bus (WMBus) – розширена версія стандарту провідного зв’язку M-Bus.

Більш повну інформацію про особливості шини M-Bus можна знайти в .

ЛИТЕРАТУРА

1. Meter Communication. Twisted Pair Baseband (M-Bus). Physical and Link Layer
(www.m-bus.com/files/w4a21021.pdf).
2. Open Metering System Specification. Volu – me 2. Primary Communication
(www.oms-group.org/download/OMS-Spec_Vol2_Primary v301.pdf).
3. www.m-bus.com/mbusdoc/md4.php.
4. NCN5150. Wired M-BUS Slave Transceiver (http://onsemi.com).
5. ДСТУ EN 1434:2005. Теплолiчильники. Частина 3. Обмiн даними та iнтерфейси (EN 1434-3: 1997, IDT).