USB接口便攜式M-BUS抄表儀的設計

摘要：M—BUS總線集中抄表系統(tǒng)中，M—BUS主站電路通常集成在集中器中，集中器體積大，功能復雜，成本高，并且需要接入220V電源才能正常工作，在開發(fā)、現(xiàn)場調(diào)試和運營維護過程中很不方便。我們提出了一種由PC機USB接口提供電源便攜式M—BUS抄表儀。實現(xiàn)了USB升壓轉(zhuǎn)換、電壓調(diào)制、電流解調(diào)功能，同時具有USB通信電壓接口電平轉(zhuǎn)換功能，該方案具有體積小、成本低廉、攜帶方便、USB供電等優(yōu)點
關鍵詞：集中抄表系統(tǒng)；M—BUS總線；抄表儀；便攜

集中抄表系統(tǒng)(Automatic Meter Reading——AMR)是指采用通訊和計算機網(wǎng)絡等技術，通過專用設備自動讀取和處理電表、水表、氣表計量數(shù)據(jù)的過程。
計量儀表與抄表主機的通訊方式(下段信道)是自動抄表系統(tǒng)的關鍵所在。常用的下段信道有電力線載波、有線(總線)、無線(RFID)等方式。
總線抄表方式技術成熟、穩(wěn)定、簡單，在通訊信道正常情況下，可以實現(xiàn)實時通訊，是用戶廣泛采用的一種集中抄表系統(tǒng)。
M—BUS總線又叫Meter-Bus通用儀表總線，采用歐洲標準的2線制總線，是一種專門為測量儀器和計數(shù)器傳送信息而設計的數(shù)據(jù)總線，也是專門用于遠程抄表的一種高可靠性、高速、廉價的家用電子系統(tǒng)的歐洲總線標準。2004年，建設部引進該標準并轉(zhuǎn)化為行業(yè)標準，標準號為CJ／T 188—2004，標準名稱為《戶用計量儀表數(shù)據(jù)傳輸技術條件》，該標準對M—BUS總線的電氣接口參數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸方式做出了詳細規(guī)定。
M—BUS總線可同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和遠端供電，存非電量能源計量儀表如水表、燃氣表、熱量表等集中抄表系統(tǒng)中的應用越來越廣泛。
為解決M—BUS總線通訊信道易受人為、大范圍損壞，損壞后故障排除困難、恢復時間長、信道后續(xù)運營維護維護量大等問題，我們開發(fā)了便攜式M—BUS抄表儀。
便攜式M—BUS抄表儀與筆記本計算機可組成移動抄表平臺，可集中記錄數(shù)據(jù)并保存在筆記本計算機中，再由工作人員攜帶到機房后傳輸給管理中心計算機。也可采集一只或一組獨立工作的表計的耗能數(shù)據(jù)，可方便的進行系統(tǒng)開發(fā)或現(xiàn)場調(diào)試及故障排查。
綜合考慮計算機USB接口的驅(qū)動能力和M—BUS總線的特點及實現(xiàn)難度，我們確定便攜式M—BUS抄表儀的技術指標如下：總線電壓30V，電流驅(qū)動能力是100mA，最多可同時驅(qū)動35只表。

1 主要原理
1．1 集中抄表系統(tǒng)原理
集中抄表系統(tǒng)是一個三層的網(wǎng)路系統(tǒng)，由上層、中間層和底層組成。主站軟件位于系統(tǒng)的最上層，集中器和采集器構(gòu)成系統(tǒng)的中間層、智能計量終端是系統(tǒng)的底層。主站軟件實現(xiàn)主站調(diào)度、數(shù)據(jù)采集與管理、報表結(jié)箅等功能；集中器和采集器實現(xiàn)上下行通信鏈路轉(zhuǎn)換；智能計量終端(采集點監(jiān)測設備)提供計量和本地通信功能，并響應上位機的指令。
集中抄表系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示：

在這個系統(tǒng)中，PC機是主站，主站軟件可以由多個模塊組成，圖中列舉了主站調(diào)度系統(tǒng)、用水信息采集與管理系統(tǒng)及其它支持系統(tǒng)三個模塊。集中器和便攜式抄表儀(即采集器)構(gòu)成通信系統(tǒng)的中間層，采集點監(jiān)測設備是通信系統(tǒng)的底層。主站和便攜式M—BUS采集器通過USB接口建立遠程通信網(wǎng)絡，M—BUS總線作為本地通信網(wǎng)絡。主站、便攜式M—BUS采集器和采集點臨測設備(從機)構(gòu)成一個主從通信系統(tǒng)。每次通信都是由主機發(fā)起，主站存規(guī)定時間內(nèi)收到從機正確應答標志著成功完成一次通信，否則通信失敗。
作為本地通信網(wǎng)絡，M—BUS總線有如下特點：
(1)數(shù)據(jù)從集中器(或中繼器)向計量終端傳輸時，使用總線電壓調(diào)制傳輸數(shù)據(jù)，而總線電流保持恒定。
(2)數(shù)據(jù)從計量終端向集中器(或中繼器)傳輸時，使用總線電流調(diào)制傳輸數(shù)據(jù)，而總線電壓保持恒定。