内容摘要：M—BUS总线集中抄表系统中，M—BUS主站电路通常集成在集中器中，集中器体积大，功能复杂，成本高，并且需要接入220V电源才能正常工作，在开发、现场调试和运营维护过程中很不方便。我们提出了一种由PC机USB接口提供电源便携式M—BUS抄表仪。实现了USB升压转换、电压调制、电流解调功能，同时具有USB通信电压接口电平转换功能，该方案具有体积小、成本低廉、携带方便、USB供电等优点
关键词：集中抄表系统；M—BUS总线；抄表仪；便携
集中抄表系统(AutomatIC Meter Reading——AMR)是指采用通讯和计算机网络等技术，通过专用设备自动读取和处理电表、水表、气表计量数据的过程。
计量仪表与抄表主机的通讯方式(下段信道)是自动抄表系统的关键所在。常用的下段信道有电力线载波、有线(总线)、无线(RFID)等方式。
总线抄表方式技术成熟、稳定、简单，在通讯信道正常情况下，可以实现实时通讯，是用户广泛采用的一种集中抄表系统。
M—BUS总线又叫Meter-Bus通用仪表总线，采用欧洲标准的2线制总线，是一种专门为测量仪器和计数器传送信息而设计的数据总线，也是专门用于远程抄表的一种高可靠性、高速、廉价的家用电子系统的欧洲总线标准。2004年，建设部引进该标准并转化为行业标准，标准号为CJ／T 188—2004，标准名称为《户用计量仪表数据传输技术条件》，该标准对M—BUS总线的电气接口参数和数据传输方式做出了详细规定。
M—BUS总线可同时实现数据传输和远端供电，存非电量能源计量仪表如水表、燃气表、热量表等集中抄表系统中的应用越来越广泛。
为解决M—BUS总线通讯信道易受人为、大范围损坏，损坏后故障排除困难、恢复时间长、信道后续运营维护维护量大等问题，我们开发了便携式M—BUS抄表仪。
便携式M—BUS抄表仪与笔记本计算机可组成移动抄表平台，可集中记录数据并保存在笔记本计算机中，再由工作人员携带到机房后传输给管理中心计算机。也可采集一只或一组独立工作的表计的耗能数据，可方便的进行系统开发或现场调试及故障排查。
综合考虑计算机USB接口的驱动能力和M—BUS总线的特点及实现难度，我们确定便携式M—BUS抄表仪的技术指标如下：总线电压30V，电流驱动能力是100mA，最多可同时驱动35只表。
1 主要原理
1．1 集中抄表系统原理
集中抄表系统是一个三层的网路系统，由上层、中间层和底层组成。主站软件位于系统的最上层，集中器和采集器构成系统的中间层、智能计量终端是系统的底层。主站软件实现主站调度、数据采集与管理、报表结箅等功能；集中器和采集器实现上下行通信链路转换；智能计量终端(采集点监测设备)提供计量和本地通信功能，并响应上位机的指令。
集中抄表系统的网络结构如图1所示：
在这个系统中，PC机是主站，主站软件可以由多个模块组成，图中列举了主站调度系统、用水信息采集与管理系统及其它支持系统三个模块。集中器和便携式抄表仪(即采集器)构成通信系统的中间层，采集点监测设备是通信系统的底层。主站和便携式M—BUS采集器通过USB接口建立远程通信网络，M—BUS总线作为本地通信网络。主站、便携式M—BUS采集器和采集点临测设备(从机)构成一个主从通信系统。每次通信都是由主机发起，主站存规定时间内收到从机正确应答标志着成功完成一次通信，否则通信失败。
作为本地通信网络，M—BUS总线有如下特点：
(1)数据从集中器(或中继器)向计量终端传输时，使用总线电压调制传输数据，而总线电流保持恒定。
(2)数据从计量终端向集中器(或中继器)传输时，使用总线电流调制传输数据，而总线电压保持恒定。
因为数据传输调制方式不同，保证了计量终端之间不会互相通信。其数据传输如图2所示。
(3)远端供电
当总线有电时，终端从总线取电，总线可以为每个终端提供3.3V稳压电源，每个终端消耗总线电流不大于3mA。
(4)支持多种拓朴结构
可采用任意总线拓扑结构，如星型、树型等。
E、支持总线连接方式
总线使用普通双绞，极性可以互换
1．2 抄表仪原理
根据MBUS总线的特点，USB接口便携式M—BUS抄表仪(以下简称抄表仪)需要3路电源，一路是系统电源，一路是总线低电压(传号电压)，另一路是总线调制电压(空号电压-传号电压)；另外还包括电流解调电路和USB转换电路等。原理框图设计如图3所示。
在这个设计中，下行发送的数据和电源都来自于主站USB接口，解调完成后的上行数据也经过USB接口送给主站。
待发送数据经主站USB接口送给抄表仪的发送控制电路，发送控制电路实现电压调制。从机(采集点监测设备)以电流调制方式应答，抄表仪的接收电路对电流调制信号进行解调，解调完成后的数据经USB接口送给主站，由主站进行数据判别和解析。
在前面的论述中，我们知道M—BUS接口下行是电压调制方式，也就是说传号电压和空号电压是不相等的，加上系统电源，这个抄表仪需要3路电源，即空号电源H，传号电源L和系统电源VCC。
根据相关标准和从机接收特性，总线传号电压应该大于12V，总线空号电压应该比空号电压高10V以上。兼顾便携式M—BUS采集器的通信可靠性和电源设计难度，我们选择传号电压为18V，空号电压为30V。
通用USB端口的电源供给能力为5W，升压型开关电源的效率估计为70％。则便携式M—BUS采集器的总线输出电流为3．5W／30V=110mA。
一个M—BUS终端消耗电流不大于3mA，不考虑总线压降，则便携式M—BUS采集器可以外接35个终端。
2 主要电路原理
2．1 USB串口转换电路
选用美国FTDI公司的FT232R实现USB串口转换功能。
FT232R是单片USB转异步串行通信接口芯片，内嵌USB协议栈，无需编写USB程序固件。UART接口支持7或8比特数据，1位或2位停止位，奇、偶或无校验；通信波特率从300bps-3Mbps；内置256bvte接收缓存和128byte发送缓存；内部集成了1024Bit EEPROM用来存储USB VID、PID、编号及产品字符等；每个器件都有唯一的USB序列号；支持USB挂起和释放；支持USB供电、自主供电和总线供电；为便于与USB接口匹配，内部集成了3．3V电平转换器；集成了1．8V-5V逻辑电平转换器，可方便的与UART接口匹配；支持5V／3．3V／2．8V／1．8VCOMS电平输出或TTL电平输入；集成了上电复位电路；全内部时钟，不需要外部振荡器；集成了模拟电源滤波器，不需要模拟电源输入；3．3V-5．25V单电源工作；-40℃-85℃工业级工作温度范围。
使用FT232R实现USB串口转换的原理电路图如图4所示。图中，U1是USB串口转换器，CN101是计算机的USB接口，J2可接外部电源适配器，以进一步提高便携式M—BUS抄表仪的带载能力。
这个电路结构简单，使用方便。也可与其它电路一起构成USB-485接口转换器或USB-232接口转换器。为低速串行通信提供了一个可靠的USB解决方案。
2．2 电源电路
总线电源有两路(见图5)，一路产生传号电压，另一路产生空号电压，由串口直接对总线电压进行基带调制。图中选用了NS的LM2733产生两路总线电压。另外，时基电路、放大器和比较器的电源直接由USB电源供给。
LM2733为Boost型开关稳压器，输入电压范围2．7-14V，开关频率有600kHz和1．6MHz两种，内部集成了40V／1A的MOSFET，封装为SOT23-5，还有SHDN管脚，可方便的进行小型化设计和关断控制。从主机USB接口得到的5V电源作为输入电源，分别进行BOOST变换后，升压到18V和30V，用作总线传号电压和空号电压。
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