Шина M-Bus для приборов учета

Привет, Вы узнаете о том , что такое m-bus, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое m-bus, m bus , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Компьютерные сети.

m-bus (Meter-Bus) — стандарт физического уровня для полевой шины на основе асинхронного интерфейса. Также под этим названием понимают коммуникационный протокол, используемый для связи устройств по этой шине.

M bus преимущественно применяется для приборов учета электрической энергии (электросчетчики), тепловой энергии (теплосчетчики), расходомеров воды и газа. Данные передаются на компьютерную станцию (сервер) напрямую или через концентраторы шины M-Bus, а также усилители-повторители сигнала.

Параметры шины

Шина полудуплексная, допустимые скорости передачи данных 300-9600 бит/с (совместимы со стандартными скоростями UART портов ПК и микроконтроллеров, которые и являются источником и приемником данных). Рекомендуемый тип кабеля: стандартный телефонный (JYStY N*2*0.8 mm). Погонная емкость линии не более 180 нФ, сопротивление до 29 Ом. Дальность работы в стандартной конфигурации до 1000 м. Дальность работы slave-устройства до повторителя сигнала до 350 м. Число устройств в сети до 250.

Мастер передает данные меняя напряжение на линии: логической «1» соответствует 36 В, логической «0» 12..24 В. Ведомое устройство передает данные нагружением линии: в пассивном состоянии (логическая «1») ток нагрузки на линию связи должен быть не более 1,5 мА и не меняться в отсутствие передачи. Для передачи логического «0» ведомое устройство увеличивает ток потребления до 11..20мА. Соответственно, мастер отслеживает изменение тока нагрузки, определяя логическую «1» как неизменный ток, а увеличение тока потребления как логический «0».

Поскольку физический уровень сетевой то к одной паре проводов может подключаться несколько ведомых устройств (до 250 согласно стандарта). То есть суммарный ток потребления шины от мастера может доходить до 250 * 1,5 мА + 20 мА = 400 мА. Стандарт разрешает одному ведомому занимать до 4-х единичных нагрузок, то есть до 6 мА.

Существуют интегральные реализации M-Bus AFE для ведомых устройств. Например, Texas Instruments TSS721, On Semiconductor NCN5150 и NCN5151.

Стандарт не определяет типы электрических соединителей (разъемов).

Стандартизация

Шина M-Bus изначально была описана в европейском стандарте на теплосчетчики EN1434-3 «Heat meters. Part 3: Data exchange and interfaces» и его российской копии ГОСТ Р ЕН 1434-3 «Теплосчетчики. Часть 3: Обмен данными и интерфейсы». Позже M-Bus был также стандартизирован в EN13757 «Системы связи для измерительных приборов и дистанционное считывание показаний с измерительных приборов».

Протокольная часть M-Bus может применяться не только на проводном физическом уровне M-Bus, но и на других физических уровнях. Стандартизовано применение оптического физуровня (согласно EN 62056-21 4.1), радиоканального (868 МГц, EN 13757-4), токовой петли (EN 62056-21 3.1), альтернативный проводной физуровень (согласно EN 13757-6).

Уровень OSI	Стандарт
Прикладной уровень	EN1434-3 EN13757-3
Представительский уровень	Нет
Сеансовый уровень	Нет
Транспортный уровень	Нет
Сетевой уровень	Опционально
Канальный уровень	EN1434-3 EN13757-2
Физический уровень	EN1434-3 EN13757-2

Open Metering System

Open Metering System — европейская инициатива, преследующая цель унифицировать сбор данных с приборов учета ресурсов на основе шины M-Bus. Помимо некоторых упрощений и улучшений в документации предлагается ввести криптографическую защиту данных с помощью симметричного шифра AES. Спецификации OMS открыты.

HRI - это универсальный датчик, совместимый со счетчиками воды многих типов, таких как: одно- и многоструйный, объемные и капсульные, сухоходные и мокроходные счетчики воды. Модуль HRI может быть установлен на все счетчики производства Sensus, которые оснащены специальным HRI модулятором, обеспечивает бесконтактную (индукционную) передачу обороты ролика в модуль.

Модуль передачи данных HRI-B DataUnit - электронный модуль с цифровым интерфейсом имеет все возможности импульсного модуля PulseUnit, кроме того может быть напрямую подключен к сети M-Bus или к устройствам с интерфейсом MiniBus. Заказчик может менять цену импульса с помощью специализированного программного обеспечения.

Принцип работы

M-Bus - это иерархическая система, связь которой контролируется мастером (центральная логика распределения). Об этом говорит сайт https://intellect.icu . M-Bus состоит из ведущего устройства, ряда ведомых устройств (счетчиков оконечного оборудования) и двухпроводного соединительного кабеля: см. Рисунок 8. Ведомые устройства подключаются параллельно среде передачи - соединительному кабелю.

Рис.8 Блок-схема, показывающая принцип работы системы M-Bus.

Чтобы реализовать разветвленную сеть шин с низкой стоимостью среды передачи, был использован двухжильный кабель вместе с последовательной передачей данных. Чтобы разрешить удаленное питание ведомых устройств, биты на шине представлены следующим образом:

Передача битов от ведущего к ведомому осуществляется посредством сдвигов уровня напряжения. Логическая «1» (Mark) соответствует номинальному напряжению +36 В на выходе драйвера шины (повторителя), который является частью мастера; при отправке логического «0» (пробел) повторитель снижает напряжение на шине на 12 В до номинального +24 В на своем выходе.

Биты, отправленные в направлении от ведомого устройства к ведущему, кодируются путем модуляции потребления тока ведомым устройством. Логическая «1» представлена ​​постоянным (в зависимости от напряжения, температуры и времени) током до 1,5 мА, а логический «0» (пробел) - повышенным потреблением тока ведомым устройством на дополнительные 11-20 мА. Ток состояния метки может использоваться для питания интерфейса и, возможно, самого измерителя или датчика.

Рис.9 Представление битов на M-Bus

Передача промежутка ведомым устройством приводит к небольшому снижению напряжения на шине в ретрансляторе из-за выходного сопротивления, как показано на рисунке 9.

Состояние покоя на шине - это логическая «1» (метка), то есть напряжение на шине составляет 36 В на повторителе, а ведомым устройствам требуется максимальный постоянный ток покоя 1,5 мА для каждого.

Когда ни одно ведомое устройство не отправляет пробел, постоянный ток будет отводиться от повторителя, который управляет шиной. В результате этого, а также сопротивления кабеля фактическое напряжение Mark на ведомых устройствах будет меньше +36 В, в зависимости от расстояния между ведомым устройством и повторителем и от общего тока покоя ведомых устройств. Поэтому ведомое устройство не должно обнаруживать абсолютные уровни напряжения, а вместо этого для пробела обнаруживать снижение напряжения на 12 В. Повторитель должен сам настраиваться на уровень тока покоя (Mark) и интерпретировать увеличение тока шины на 11-20 мА. как представляющий пространство. Это может быть реализовано с приемлемой сложностью только тогда, когда состояние метки определено как 36 В. Это означает, что в любой момент передача возможна только в одном направлении - либо от ведущего к ведомому, либо от ведомого к ведущему (полудуплекс).

В результате передачи в направлении ведущий-ведомый с изменением напряжения 12 В и в направлении ответа не менее 11 мА, помимо удаленного питания ведомых устройств, была достигнута высокая степень нечувствительности к внешним помехам.

Спецификации для установки на BUS

Сегментация

Система M-Bus может состоять из нескольких так называемых зон, каждая из которых имеет собственный групповой адрес и соединенных между собой через контроллеры зон и сети более высокого уровня. Каждая зона состоит из сегментов, которые, в свою очередь, соединены удаленными повторителями. Однако обычно система M-Bus состоит только из одного сегмента, который через локальный ретранслятор подключается к персональному компьютеру (ПК), выступающему в качестве ведущего. Такие локальные повторители преобразуют сигналы M-Bus в сигналы для интерфейса RS232. С этого момента локальный ретранслятор будет называться просто «ретранслятором», а комбинация ПК и локального ретранслятора будет называться «ведущим».

Кабель

Стандартный двухжильный телефонный кабель (JYStY N * 2 * 0,8 мм) используется в качестве среды передачи для M-Bus. Максимальное расстояние между ведомым устройством и ретранслятором - 350 м; эта длина соответствует сопротивлению кабеля до 29 Вт . Это расстояние применяется для стандартной конфигурации со скоростью передачи от 300 до 9600 бод и максимум 250 ведомых устройств. Максимальное расстояние может быть увеличено за счет ограничения скорости передачи и использования меньшего количества ведомых устройств, но напряжение шины в состоянии Space ни в какой точке сегмента не должно опускаться ниже 12 В из-за удаленного питания ведомых устройств. В стандартной конфигурации общая длина кабеля не должна превышать 1000 м, чтобы удовлетворить требованиям максимальной емкости кабеля 180 нФ.

Разъем

Пока нет стандарта или рекомендаций для разъема M-Bus для подключения счетчиков к системе шины, но группа пользователей исследует правильный разъем. Для разъема необходимо определить три разных штекера: а) режим установки; б) от счетчика к стационарной установке и в) от счетчика к переносному устройству.

4.4 Подчиненный дизайн

Требования к ведомым устройствам перечислены в документе спецификации В его состав входят следующие характеристики:

· Характеристики трансмиссии

Подчиненные устройства спроектированы как приемники постоянного тока с двумя разными токами, при этом «затопленный» ток не должен изменяться более чем на 0,2% при изменении напряжения на шине на 1 В. Для передачи метки указывается так называемая единичная нагрузка, состоящая из постоянного тока максимум 1,5 мА. Если ведомому устройству требуется больше тока, необходимо использовать соответствующее количество дополнительных единичных нагрузок. При отправке пробела ведомое увеличивает потребление тока на 11-20 мА. Для приема данных ведомое устройство определяет максимальное значение Vmax напряжения на шине, которое может находиться в диапазоне от 21 В до 42 В. При напряжении на шине более Vmax - 5,5 В должна быть зарегистрирована Метка, и с напряжением менее Vmax - 8,2 В необходимо зарегистрировать пробел.

· Дистанционное питание

Интерфейс шины, то есть интерфейс между ведомым устройством и шинной системой, должен получать необходимый ему ток от шинной системы. Если возможно, весь раб должен питаться от шины; в этом случае, если шина выйдет из строя, она должна автоматически переключиться на работу от батареи или важные данные должны быть сохранены. Если ведомые устройства работают только от батарей, необходимо, чтобы срок службы батарей составлял несколько лет, чтобы снизить затраты на обслуживание.

· Защитные меры

Интерфейсы шины подчиненных устройств не зависят от полярности: то есть две линии шины могут быть заменены местами, не влияя на работу подчиненных устройств. Помимо аспектов защиты, это также упрощает установку шинной системы. Чтобы поддерживать правильную работу шины в случае короткого замыкания одного из упомянутых ведомых устройств, они должны иметь защитный резистор с номинальным значением (430 ± 10) Вт на своих линиях шины. Это ограничивает ток в случае короткого замыкания до 100 мА (42 В / 420 Вт ) и снижает энергию, преобразуемую в тепло в интерфейсе шины.

Приемопередатчик M-Bus TSS721

Чтобы соответствовать требованиям к ведомым устройствам, упомянутым выше, Texas Instruments Deutschland GmbH разработала ИС, а именно трансивер (т.е. передатчик и приемник) TSS721. Использование TSS721 в ведомых устройствах M-Bus в качестве интерфейса к шине снижает количество необходимых компонентов и, следовательно, стоимость ведомых устройств. Помимо передачи и приема данных в соответствии со спецификацией M-Bus, эта ИС также обеспечивает преобразование рабочего напряжения микропроцессора, к которому она подключена, и обратно, чтобы иметь возможность связываться с ним. Обмен данными может происходить со скоростью от 300 до 9600 бод. Дополнительные функции включают встроенную защиту от обратной полярности, постоянный источник питания 3,3 В для микропроцессора и быструю индикацию сбоя напряжения на шине.

Ссылаясь на рисунок 10, отдельные функции TSS721 теперь будут объяснены более подробно:

Рис. 10 Блок-схема трансивера TSS721

· Защита от обратной полярности

Линии шины сначала подключаются к мостовому выпрямителю BR через внешние защитные резисторы Rv (в данном случае 215 Вт в каждой линии), чтобы обеспечить защиту от обратной полярности. Это выпрямленное напряжение можно получить на выводе VB (шина напряжения). Чтобы избежать снижения напряжения в результате выпрямления, когда можно отказаться от защиты от обратной полярности, напряжение шины также может быть подключено непосредственно между выводами VB и GND.

· Прием

Схема компаратора TC3 предназначена для обнаружения сигналов от ведущего устройства; он настраивается на уровень напряжения Mark с помощью конденсатора SC. Этот конденсатор заряжается до 8,6 В под напряжением Mark в состоянии Mark и разряжается в состоянии Space. Отношение заряда к току разряда составляет более 30, чтобы любой протокол UART работал независимо от содержимого данных. Напряжение на конденсаторе SC приводит к динамическому согласованию компаратора с уровнем Mark. Из взаимосвязи между током заряда и разряда вытекает требование в протоколе передачи, что по крайней мере каждый одиннадцатый бит (с достаточной уверенностью) должен быть логической 1, то есть меткой. Это гарантирует, что SC не разряжается слишком сильно и что соответствие уровню напряжения Mark всегда эффективно.

· Трансмиссия

Сигнал от микропроцессора, подаваемый на вывод RX или вывод RXI (инвертированный), преобразуется в ток TC4 и источником постоянного тока CS3. При наличии метки на входах (RX или RXI) ток покоя снимается с шины с помощью источника постоянного тока. Однако, если процессор передает пробел, то TC4 включает источник постоянного тока CS3 и, следовательно, дополнительный импульсный ток. Ток покоя можно регулировать в определенном диапазоне с помощью резистора Ridd, а импульсный ток - с помощью Ris. Чтобы процессор мог распознавать коллизии, сигнал на выводах RX (I) отражается на выводах TX (I).

· Питание процессора

TSS721 обеспечивает номинальное напряжение 3,3 В на своем выводе VDD для подачи питания на микропроцессор. При ограничении стандартной нагрузкой, согласно паспорту, этот процессор может потреблять средний ток около 600 м А. Для требований по импульсному току используется накопительный конденсатор STC. При подключении к шине этот конденсатор будет заряжен до 7 В, а питание на выводе VDD активируется при V STC.= 6 В. TSS721 сигнализирует о пропадании напряжения на шине на выводе PF (сбой питания), так что у процессора есть время для сохранения своих данных, например, в EEPROM, при питании от накопительного конденсатора. Кроме того, трансивер позволяет подключить батарею к выводу VDD в случае отказа шины с помощью полевого транзистора на выводе VS (переключатель напряжения). В таком случае, когда микропроцессор питается только от батареи, напряжение также должно подаваться на вывод BAT, чтобы соответствовать TSS721.

На рисунке 11a) показаны три альтернативных режима работы TSS721, которые можно использовать для питания микропроцессора. Это показывает, что процессор может питаться исключительно от трансивера (дистанционное питание), обычно от TSS721 и при отказе шины от батареи (дистанционное питание / поддержка батареи) или только от батареи. Для создания полноценного ведомого устройства с TSS721 требуется несколько внешних компонентов, кроме микропроцессора или микроконтроллера и компонентов, специально необходимых для чувствительных элементов. Кроме того, на рис. 11b) показано базовое применение оптопары.

Рис. 11a) Режимы работы TSS721 для питания микроконтроллера

Рис. 11b) Базовое применение оптопары

Исследование, описанное в статье про m-bus, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое m-bus, m bus и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Компьютерные сети