ШИНА M-Bus

ВВЕДЕНИЕ

M-Bus (Meter-Bus) – европейский стандарт построения централизованных систем сбора данных приборов учета расхода газа, тепла, электроэнергии, воды и пр. В стандарте EN 13757-2 приведены рекомендации по реализации физического и канального уровней, в стандарте EN 13757-3 – прикладного уровня. Рекомендации по построению беспроводных сетей Wireless M-Bus приведены в стандарте EN 13757-4. В пакете стандартов M-Bus регламентируются правила создания структуры аппаратных средств, а также порядок взаимодействия устройств сети на логическом уровне. В статье рассматриваются особенности интерфейса физического уровня [1-5].
В качестве физической среды передачи данных в проводном варианте шины M-Bus используется витая медная пара. Архитектура сети сбора данных может содержать фрагменты шинной (рис. 1) и звездообразной топологии. Напряжение питания всех устройств сети подается на ту же пару проводов.
Все ведомые устройства сети (далее – slave) подключаются к центральному устройству, т.е. ведущему (далее – master), которое управляет работой сети. Кроме разнообразных счетчиков к сети могут быть подключены аналоговые/цифровые датчики (температуры, давления, уровня загазованности помещения и пр.), поддерживающие соответствующие протоколы обмена.

Рис. 1. Архитектура сети сбора данных счетчиков с использованием шины M-Bus

Стандарт M-Bus обеспечивает:
• обмен данными небольшого объема на расстоянии до нескольких километров
• простоту модификации развернутых систем сбора данных в течение всего срока службы
• низкую стоимость оборудования и минимальные затраты на развертывание и эксплуатацию систем.

Эти, на первый взгляд, противоречивые требования обеспечиваются благодаря невыской скорости и простоте протоколов обмена данными, что позволяет реализовать недорогие slave-устройства.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Характеристики и особенности стандарта M-Bus:
• возможность дистанционного считыванияданных
• использование двухпроводной шины для обмена данными
• индивидуальная адресация каждого устройства
• возможность построения автоматизированных систем сбора данных (содержащих до 250 устройств, расположенных в одном сегменте)
• возможность использования в разнообразных охранных системах
• подключение slave-устройств не зависит от полярности напряжения на шине
• дальность связи – до нескольких километров
• скорость передачи данных 300-38 400 бод.
Поскольку вследствие «экономии» для обмена данными и электропитания slaveустройств применяются всего два проводника, при передаче данных от master к slave рекомендуется использование амплитудной модуляции напряжения питания, а в обратном направлении – модуляции тока потребления. Принципы организации и обмена данными по шине M-Bus показаны на схемах рис. 2. При передаче данных от master происходит изменение уровня напряжения на шине в соответствии с передаваемыми данными. Эти изменения напряжения анализируются во всех slave-устройствах и преобразуются в поток данных. Ведомое устройство, в котором в результате декодирования принимаемых данных происходит совпадение адресов, отвечает на запрос ведущего устройства и передает ему затребованные данные.
Напряжение шины (Vbus) от 24 до 42 В (рекомендуемое – 36 В). При передаче данных от устройства master к slave уровню «лог. 1» (Mark) соответствует напряжение более (Vbus – 5.7) В, уровню «лог. 0» (Space) – напряжение менее (Vbus – 8.2) В.
При передаче данных от slave к master уровню «лог. 1» (Mark) соответствует ток Imark, уровню «лог. 0» (Space) – ток [Imark + (11-20)] мА (см. рис. 2). Статический ток потребления slave-устройством не должен изменяться более чем на 0.2% при изменении напряжения шины (Vbus) на 1 В [1, 2]. Чтобы в случае неисправности устройства ограничить ток потребления, последовательно с проводниками шины включаются два резистора сопротивлением 215 Ом.

Рис.2 Структура шины M-Bus

В спецификациях M-Bus введено такое понятие как единица нагрузки (One Unit Load – UL ≤ 1.5 мА) в фазе Mark. Это, по сути, статический ток потребления slave-устройства, который в общем случае может составлять несколько UL. Ограничение статического тока потребления связано с тем, что электропитание устройств осуществляется по тем же проводам. Устройство Master во всем диапазоне изменений суммарного статического тока (от нуля до максимального значения) должно обеспечивать стабильность напряжения Vbus, поскольку оно используется для электропитания всех устройств. Расчет максимального тока выполняется из следующих предпосылок: при 250 устройствах, подключенных к шине (т.е. 250 UL), суммарный статический ток потребления составляет 375 мА (250×1.5 мА). При неисправности одного из slave-устройств потребляемый им ток может увеличиться до максимального значения 100 мА (42 В/430 Ом). Максимальный «сигнальный» ток в фазе Space при передаче данных от slave к master составляет 20 мА (см. рис. 2). Таким образом, максимальный ток, который должен обеспечиваться устройством master, должен быть не менее 500 мА (375 + 100 + 20).
Если при передаче данных от slave к master «сигнальный» ток в фазе Space увеличивается до 50 мА, это расценивается как конфликт на шине и означает, что, по крайней мере, два устройства пытаются передавать данные одновременно. В этом случае ведущим устройством на шине устанавливается уровень напряжения, соответствующий фазе Space, на протяжении более 22 битовых интервалов, но в течение не более 50 мс. В случае, если ток потребления превышает максимальное значение, рекомендуется отключение напряжения питания шины.

Ограничение числа устройств (250), подключаемых к сегменту сети, связано с возможностью адресации (8 бит). Дальность связи ограничивается величиной падения напряжения (I.R) на активном сопротивлении проводников (что приводит к снижению напряжения питания шины (Vbus) для slave-устройств по мере их удаления от master), а также суммарной величиной емкости проводников шины. Максимальная скорость передачи данных – 38 400 бод, рекомендованная – 2400 и 9600 бод. Все устройства должны поддерживать начальную скорость 300 бод. Вполне очевидно, что при увеличении емкости проводников длительность нарастающего и спадающего фронтов импульсов напряжения, формируемых устройством master, возрастает. Входная емкость slave-устройства – не более 0.5 нФ. Рекомендуемая длительность фронтов составляет 0.5 длительности битового интервала, а их асимметрия – 0.125. При тестировании шины рекомендуется использовать соотношения, приведенные в таблице. Примеры расчета расстояния связи в зависимости от числа и места размещения подключенных к шине slaveустройств, а также параметров кабеля приведены в [5]. При 64-х устройствах, подключенных в конце линии, и использовании кабеля с сопротивлением проводников 24 Ом/км расчетная дальность связи составляет 3.6 км.

Ориентировочные соотношения скорости передачи и емкости шины

Используемый на канальном уровне протокол передачи данных приведен на рис. 3 и не требует пояснений, по сути, – это стандартный UART-протокол.
Для небольших сетей M-Bus протяженностью до 50 м в стандарте рекомендуется использование mini-master. Максимальные скорость передачи данных и суммарная емкость шины в этом случае ограничивается величиной 2400 бод и 75 нФ соответственно.

Рис. 3. Протокол передачи данных по шине M-Bus

SLAVE

До последнего времени микросхема TSS721 (Texas Instruments) была едва ли не единственной, ориентированной на использование в качестве slave-приемопередатчиков шины M-Bus. В 2013 году компания ON Se mi con duc tor выпустила микросхему NCN5150, соответствующую спецификациям физического уровня EN 13757-2 и EN 1434-3 [4]. Микросхема NCN5150 предназначена для использования в качестве приемопередатчика шины M-Bus. Максимальная скорость передачи данных в полудуплексном режиме – 38 400 бод. Типовая нестабильность тока потребления при ΔVbus = 10 В составляет 0.2% (максимальная – 2%). Типовое значение статического тока потребления – 1.2 мА (1UL). Приемопередатчик NCN5150 содержит встроенный стабилизатор напряжения (3.3 В, 15 мА), который можно использовать для питания пользовательских устройств.
Чтобы обеспечить независимое от полярности подключение к шине, в ИМС NCN5150 введен диодный мост.
В случае передачи данных от master к slave в приемопередатчике NCN5150, по сути, выполняется преобразование модулированного напряжения шины в выходные сигналы TTL- уровня и, наоборот, входные сигналы TTL- уровня используются для соответствующей модуляции тока потребления slave-устройств. Структурная схема подключения микросхемы NCN5150 приведена на рис. 4 (номинальные значения сопротивлений резисторов и емкости конденсаторов приведены для нагрузки 1 UL).
Микросхемы NCN5150 изготавливаются в корпусе 20-QFN (4×4 мм) или 16-SOIC (в этом случае обеспечивается совместимость с ИМС TSS721A). Приемопередатчик NCN5150 предназначен для работы в диапазоне температур -40…85 °C.

MASTER

Примеры реализации электрических схем устройства master можно найти в стандарте ДСТУ EN 1434:2005 [5], в котором приведены три схемы, применяемые в зависимости от величины нагрузки. Вариант одной из многих схем (которые можно найти в сети Интернет) приведен на рис. 5. Эта схема мало чем отличается от рекомендованной в [5]. Такая простейшая схема используется в устройствах minimaster, главным образом – в простых конвертерах, например, USB <> M-Bus, UART <> M-Bus. Ее недостаток – изменение падения напряжения на резисторе R1 (82 Ом) при изменении статического тока потребления шины. В этой схеме резистор R1 используется как токочувствительный датчик. Когда, например, предполагается, что сеть M-Bus может содержать от одного до десяти slave-устройств с единичной нагрузкой, а величина статического тока потребления изменяется даже в сравнительно небольшом диапазоне (1.5-15 мА), падение напряжения на R1 будет изменяться от 0.123 до 1.23 В.
В этом случае, учитывая то, что напряжение база-эмиттер транзистора VT3 составляет 0.6-0.7 В, вряд ли можно ожидать, что такая схема будет работоспособной. Чтобы поддерживать неизменным падение напряжения на измерительном резисторе (Imark.R1) при изменении статического тока потребления, необходимо принимать специальные меры.

Рис. 4. Структурная схема подключения микросхемы NCN5150

Вариант структурной схемы master, используемой при больших изменениях статического тока потребления, приведен на рис. 6. При увеличении падения напряжения на измерительном резисторе R1 благодаря регулируемому источнику тока (D1, VT1), падение напряжения на нем изменяется незначительно, а увеличение статического тока потребления по шине M-Bus компенсируется регулируемым источником тока. Резистор R2 в данной схеме используется для измерения суммарного тока потребления по шине M-Bus. В случае короткого замыкания (КЗ) проводников или при подключении большого числа slave-устройств увеличивается ток потребления. Специальное устройство анализирует величину тока потребления по шине и в случае превышения допустимого значения сигнализирует об аварийной ситуации или отключает напряжение питания шины. Ориентировочные значения сопротивления и емкости компонентов (R, C), которые определяют постоянные времени цепи регулирования, даны на рис. 6.

Рис. 5. Вариант электрической схемы mini-master

Рис. 6. Вариант функциональной схемы устройства master

Рекомендованная в [5] структурная схема master приведена на рис. 7. Принцип регулирования для поддержания неизменным падения напряжения на измерительном резисторе R1 при изменении статического тока потребления остается прежним.

Рис. 7. Функциональная схема устройства master

При медленных изменениях статического тока потребления с помощью дифференциального усилителя, пикового детектора и регулируемого источника тока падение напряжения на измерительном резисторе поддерживается неизмен ным. В детекторе «сигнального» тока (генерируемого одним из slave-устройств) происходит сравнение, по сути, напряжения питания шины (Vbus = Vmark) с изменениями напряжения, вызванными падением напряжения на низкоомном измерительном резисторе за счет проте- кания импульсного «сигнального» тока с амплитудой Ispace = Imark + (10-20) мА. Таким образом, на выходе детектора сигнала восстанавливается информационный сигнал (RX), передаваемый slave-устройствами. Зна че ния компонентов (R, C), определяющих постоянные времени цепи регулирования, приведены на рис. 7 [5].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Благодаря простоте построения, низкой стоимости оборудования и минимальным затратам на эксплуатацию систем сбора данных стандарт M-Bus получил широкое распространение, особенно в системах сбора данных разного рода счетчиков расхода.
В последнее время в интеллектуальных счетчиках все чаще применяется беспроводный вариант M-Bus. Wireless M-Bus (WMBus) – расширенная версия стандарта проводной связи M-Bus.
Более полную информацию об особенностях шины M-Bus можно найти в [1-5].

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).