M-BUS协议基础知识

    目前我国的集中供热、采暖系统计量收费逐渐展开，热力站中主要的计量装置就是热量表。热量表是一种以微处理器和高精度传感器为基础的机电一体化仪表，与建筑业过去已经普遍使用的计量表，比如水表、电表、煤气表相比，它有着更复杂的设计和更高的技术含量。热量表通过温度和流量两种传感器，分别测得热载体在进出口的温度和流量，再经过密度和热焓值的补偿及积分计算而得到热量值。

随着电子和通信技术的发展，各种消耗量仪表（包括热量表）从“人工抄读”逐渐发展到“远程控制抄读”，后者是消耗量仪表技术的逻辑发展与延伸。热量表一般提供RS-485、Modbus或MBus总线接口之一以实现远程抄表和控制功能。仪表总线MBus（Meter-Bus）是一种专门为热量表远程数据传输设计的总线协议，它是测量仪表数据传输数字化的一种重要技术，已经广泛应用于热量计量领域，并成为欧洲的热量计量标准的一部分（欧洲标准EN1434-3）。除了热计量领域，它也可用于连接其他的各种消耗量仪表、传感器、执行器。

为了满足日常使用，一个优秀的总线系统必须满足如下一些经济和技术方面的要求：容量大，可扩展，鲁棒性、成本低、用电量少、传输速度。M-Bus总线协议在这些方面能获得最佳性价比，欧洲能源计量领域的著名公司，如斯伦贝谢、卡卢姆普、真兰等公司生产的热量表大多遵循EN1434-3技术标准，支持MBus协议，这使得MBus协议成为事实上的行业标准。随着MBus技术的发展，其应用将逐渐扩展到报警系统、照明系统等更广阔的领域。

远程终端很好地支持了MBus协议，实现了与国外先进仪表产品的无缝连接，可以通过MBus总线接口读取热力站内安装的热量表主要测量值，包括累积热量、累积流量、瞬时温度、瞬时流量、供水温度、回水温度和供回水温差，从而为监测、控制和计费提供依据。

1.1   MBus总线协议概述

MBus总线是一种主从式半双工传输总线，采用主叫/应答的方式通信，即只有处于中心地位的主站（Master）发出询问后，从站（Slave）才能向主站传输数据，如图1-1 所示。

图1-1 MBus总线结构

MBus的主要特点如下：

1.        两线制总线，不分正负极性，施工简单；

2.        采用独特的电平特征传输数字信号，抗干扰能力强，传输距离长；

3.        可以选择远程总线供电，降低维护成本；

4.        总线型拓扑结构，扩展方便，组网成本低；

5.        任一从站的故障不影响整个总线的功能

6.        专门设计的报文格式，满足能耗计量仪表联网和远程读数需要；

MBus总线协议的体系结构建立在ISO/OSI参考模型上，由下至上定义了物理层，数据链路层和应用层（参见表1-1 ）。

表1-1 MBus总线协议与OSI参考模型

     物理层负责主从站间的bit流传输，数据链路层负责主从站间无差错的传送以帧（Frame）为单位的数据，应用层确定主从站间所传送数据的意义以满足用户的需要。对于扩展的MBus网络（超过250个从站）还定义了网络层以提供扩展寻址的功能。其中物理层、应用层和扩展的网络层采用MBus自定义的协议，而数据链路层则采用国际电工委员会IEC870-5传输协议。

1.2   MBus协议栈

1.2.1   MBus物理层

图1-2 基于MBus的远程抄表系统

原则上MBus可以任一种拓扑结构建立网络，如星型、环形、总线型等，但通常MBus采用总线型拓扑结构。典型的MBus系统如图1-2 所示，由一个主站、若干个从站和两根连接电缆组成。

主站是一个智能控制器，可为MBus总线提供电源，与从站进行通信，保存从站的测量数据，还可以利用各种现有的通讯手段与异地的计算机联网构成一个完备的远程管理计量系统。从站是各种计量仪表，如电表、水表、热表、气表等，它们通过MBus接口并联在总线主电缆上，该接口负责收发总线数据，控制总线电源和电池电源的切换。两线电缆通常采用标准电话双绞线，没有正负极性之分。

MBus物理层bit流传输具有独特的电平特征（如表1-2 ）。主站到从站的bit流传输通过总线电平切换实现，而从站到主站的bit流传输通过电流调制实现。定义逻辑“1”为MARK，逻辑“0”为SPACE。

表1-2 MBus物理层bit流表示

主站向从站发送逻辑“1”（MARK）时，总线电压为Vmark（≤42V），发送逻辑“0”（SPACE）时，电压下降10V以上，降到Vspace（≥12V）；从站向主站发送逻辑“1”时，从站所取电流为Imark（≤1.5mA），发送逻辑“0”时，从站的MBus接口会在Imark上加上脉冲电流11-20mA，形成Ispace。

MBus协议规定总线处于空闲状态时用逻辑“1”表示，即总线电压维持在Vmark，而每个从站取电流Imark≈1.5mA，即两线制总线上的总电流等于Imark*从站总数。这样无论总线处于空闲状态还是数据传输状态，总线电压不低于Vspace，每个从站所取电流不小于Imark，这个电流就可用作从站电源。可见在MBus的正常运行状态下，总线可以持续不断地既传信号又供电源，使终端仪表所用电池成为备用电源，减少了仪表定期维护、更换电池等工作量，仪表的安装位置也可以比较随意。MBus总线上的bit流传输过程如图1-3 所示。[page]

        图1-3 MBus总线上的bit流传输

虚线左边的时间段是主站到从站的bit流传输，总线电压在Vspace和Vmark间切换，从站电流维持Imark不变；虚线右边的时间段是从到主的bit流传输，从站所取电流在Imark和Ispace间切换，总线电压基本维持Vmark不变，但由于MBus电源输出阻抗的存在，使得电流增大时总线电压略有减小。这表明数据传输过程中任意时刻MBus总线上要么传输电压信号，要么传输电流信号，所以MBus只能工作在主从半双工方式下。

主站通过检测总线上是否出现11-20mA脉冲电流确定接收“0”还是“1”；从站接收数据时，由于总线绝对电压会随着距离和总线电流变化而变化，故通过检测总线电压与动态参考电压是否相差10V以上来确定接收“0”还是“1”。TI公司的MBus接口芯片TSS721A采用的就是这种动态电平识别逻辑，它的动态参考电压由从站接入位置处的Vmark对芯片内的一个电容充电获得。该电容充放电电流之比约为40，在波特率大于300的情况下只要在传输的bit流中每11位至少出现一个“1”（Vmark），就可以保证动态参考电压始终维持在Vmark附近。

1.2.2   MBus数据链路层

MBus数据链路层以国际电工委员会IEC870-5（遥控装置和系统传输协议）为基础，规定了MBus的信号传输方式、字节表示、帧格式以及主从站的连接过程等。

根据物理层的特点，MBus采用半双工、异步串行信号传输方式，波特率为300～9600。信号格式采用起止式异步协议（IEC870-5-1），以字节为单位进行传输，先传低位bit（LSB）再传高位bit（MSB）。总线上表示一个字节的11位bit流按传输顺序是：起始位/8bit字节/奇偶校验位/停止位。由于MBus的空闲位（Vmark，Imark）为逻辑“1”，所以起始位定义为逻辑“0”，而停止位定义为逻辑“1”。这样，一个字节的传输过程中包括起始、数据、校验、停止共11比特，其中至少有一个逻辑“1”，满足MBus从站的电平要求。

MBus采用FT1.2异步式字节传输帧格式（IEC870-5-2），由多个字节组成，传输时字节间不允许停顿。FT1.2定义了三种帧格式，分别是单字节帧（表1-3 ）、定长短帧（表1-4 ）和变长长帧（表1-5 ）。其中S：表示起始位；D：未加说明均表示一个字节；P：表示奇偶校验位；E：表示停止位；发送顺序从左至右，从上至下。

表1-3 单字节帧

表1-4 定长短帧

表1-5 变长长帧