巨川電氣--MBus協(xié)議詳解(1)    來源：http://m.sghventures.com/

看了許多關于MBus協(xié)議的資料，感覺說的不具體、不完整、也不系統(tǒng)，本人準備結合一個具體的產品實現(xiàn)，從理論和實現(xiàn)上對MBus協(xié)議做一個詳細的論述，如有不當之處，歡迎討論。

1介紹

        MBus(Meter Bus)即儀表總線，MBus總線開發(fā)的目的是用于滿足網絡系統(tǒng)和遠程抄表的需要，例如用于測量家里面氣和水的消耗。MBus儀表總線可以滿足由電池供電或遠程供電的計量儀表的特殊要求。當計量儀表收到數(shù)據(jù)發(fā)送請求時，將當前測量的數(shù)據(jù)發(fā)送到主站，(主站可以是手持設備、計算機、或其他終端)。主站定期讀取某棟建筑物中安裝的計量儀表的數(shù)據(jù)。MBus在家庭電子系統(tǒng)中的其他應用有：報警系統(tǒng)、智能照明、熱能控制。
 

2串行總線系統(tǒng)的基本原理

2.1串行總線應用和定義

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)互相通信的方法是根據(jù)相互間的通信距離來分類。根據(jù)相互間的通信距離，可以將網絡分為：覆蓋遍及世界的全球網絡（Global Area Networks，GAN）；覆蓋大陸或大片地方的廣域網(Wide Area Networks，WAN)；覆蓋距離可達幾公里，或者被限制在特定的地理區(qū)域，如實驗室，辦公樓和辦公場所的局部局域網絡（Local Area Networks ，LAN）。局域網可以被用來連接一個終端設備、電腦、測量設備、自動化出來模塊等。局域網中設備的連接方式（即拓撲結構）有下面三種方式：

星型拓撲：每個設備用一條獨立的傳輸線連接到一個中央處理單元。每個設備可以順序或者同時向中央處理單元傳送數(shù)據(jù)。這種拓撲的一個缺點是增加了布線的需求。

環(huán)形拓撲：設備連接起來形成一個環(huán)形，數(shù)據(jù)從點到點的進行傳輸。這種拓撲的缺點是一個設備有故障，整個環(huán)形網絡都不能夠工作。

    總線拓撲：每個設備通過一條公共的總線連接在一起，這樣在某一時刻只有一個設備能夠傳輸數(shù)據(jù)。這種拓撲非常符合成本效益，一個設備出故障不會影響其他設備通信。數(shù)據(jù)可以在總線上傳輸?shù)剿栽O備（即廣播，Broadcasting），或者傳輸?shù)侥辰M設備（即組播，Multicasting）。           一個串行總線可以被定義為一條傳輸路徑，所有參加者在這條路徑上使用相同的媒介，按照時間順序傳輸他們的數(shù)據(jù)串（例如，一位一位傳輸）。相比之下，在并行總線系統(tǒng)中一個字節(jié)的各個獨立比特是在一定數(shù)量的數(shù)據(jù)線上同時傳輸。這種并行傳輸方式增加了數(shù)據(jù)線和連接器的成本，但數(shù)據(jù)的傳輸時間比串行總線短。

2.2總線系統(tǒng)的基本功能

    根據(jù)傳輸和訪問技術對串行總線系統(tǒng)進行分類，下圖展示了各種形式的串行總線系統(tǒng)：           總線第一層根據(jù)所使用的多路復用技術分為時分多路復用和頻分多路復用，在頻分復用下，總線傳輸媒介的頻譜被分為頻段，每個頻段代表一個頻道(Channel)?？偩€上的每個設備分配一個頻道。

2.2.1接入技術

在總線系統(tǒng)中，總線傳輸媒介被全部總線設備一起共同使用，所有設備的各種傳輸要求都需要考慮。設備在總線上傳輸數(shù)據(jù)時使用的方法稱為接入技術。這些接入技術必須保證總線設備不會在同一時刻使用總線，因為這樣會導致總線沖突或者干擾，而且接入技術必須保證每個總線設備在總線上有一個確定的最小數(shù)據(jù)傳輸時間。各個設備對總線的分時使用，是通過一個分配邏輯系統(tǒng)來實現(xiàn)的。

使用中央分配邏輯，中央總線控制器接收到一個使用總線的請求，由中央總線控制器來決定設備能否占用總線和在什么時候占用總線。為了實現(xiàn)這種分配邏輯，有多種方法被用來注冊總線的占用請求，如下所示：

*直接注冊法：要求每個設備有一條獨立的分支線與分配邏輯相連。

*輪詢法：根據(jù)設備的傳輸要求，進行周期性的輪詢。

*請求發(fā)送：使用發(fā)送者的標識符在一條公共線上請求發(fā)送。

*時隙法：每個設備在自己固定的時隙占用總線，不用考慮設備單獨的請求。

中央分配邏輯的優(yōu)勢是減少了總線分配方法在單個設備上實現(xiàn)的復雜性。

總線分布式分配邏輯，要求總線上的每個設備需要具備能夠識別總線是否被占用的功能。有多種方法可以用來判斷總線是否正被占用，如下所示：

*互斥詢問設備法：這種方法要求每個設備有一條請求線與之相連。

*周期性總線分配法：通過在總線設備間傳輸所有權標識(ownership)來實現(xiàn)。

*載波監(jiān)聽多址接入(CSMA，Carrier Sense Multiple Access)：設備需要具有檢測總線是否正在傳輸數(shù)據(jù)的能力，一旦發(fā)現(xiàn)總線空閑就開始傳輸自己的數(shù)據(jù)。為了避免沖突，這種沖突是在信號傳輸?shù)臅r候出現(xiàn)的，例如，在以太網（Ethernet）這種總線系統(tǒng)中，設備能夠在總線上使用它們自己的數(shù)據(jù)判斷是否有總線沖突，一旦發(fā)現(xiàn)有總線沖突，立即停止傳輸數(shù)據(jù)，并在一個合適的時間間隔后開始從新傳輸數(shù)據(jù)。

分布式分配邏輯的實現(xiàn)，要求總線設備有更高的邏輯復雜性，但這種總線系統(tǒng)也有他的優(yōu)勢，某個中央總線控制器出現(xiàn)故障不會導致整個總線系統(tǒng)的崩潰。

2.2.2 通信設備的同步

    同步可以理解為通信的參與者對于信號傳輸和接收在時間上的協(xié)調。同步的各種方法可以根據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸是同步還是異步來進行分類，同步技術的分類如下圖：      采用同步傳輸技術，一個穩(wěn)定的時鐘需要由一個中心站點或者一個通信設備提供，用于測量通信時間。異步傳輸技術可以分為具有應答的異步傳輸和沒有應答的異步傳輸。采用具有應答的異步傳輸技術時，發(fā)送者在線上向接收者發(fā)送一個特殊的信號表示有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，然后等待接受者的應答。不帶應答的異步傳輸技術，對于并行比特傳輸需要在一條特殊的信號線上使用一個傳輸時鐘，對于串行比特傳輸要用開始和停止比特來構成一個字符。

2.2.3 錯誤處理

在總線系統(tǒng)上導致傳輸錯誤的原因是多種多樣的，特別是來自于外部的電磁干擾，例如電感耦合、高頻干擾、電容耦合、由多個地導致的來自于地回路的直接耦合電流。一個總線系統(tǒng)必須確保能夠發(fā)現(xiàn)和糾正傳輸錯誤，通過在數(shù)據(jù)傳輸過程中提供附加信息，使數(shù)據(jù)在接收的時候能夠被檢測。特別是在異步傳輸時，一個附加的奇偶比特通常和字符一起傳輸。通過這個附加的奇偶比特，使得奇偶條件（偶數(shù)個1，或者奇數(shù)個1）得到滿足。另外一種方法是使用校驗和的方法，校驗和是通過精確的數(shù)學運算從傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中得到的。接收者通過比較接收到的校驗和，從接收到的數(shù)據(jù)中計算出的校驗和是否相等來判斷數(shù)據(jù)在傳輸中是否出錯。奇偶校驗位僅僅能夠識別出奇數(shù)個錯誤比特。為了糾正錯誤，接收者需要發(fā)送一個應答給發(fā)送者，用于明確指示傳輸是否有錯誤。同時，發(fā)送者在一個固定時間段內檢查數(shù)據(jù)接收者發(fā)出的應答，如果發(fā)生超時(timeout)，發(fā)送者重傳數(shù)據(jù)。為了詳細說明一個字符編碼的安全性，海明間距（Hamming Distance）被使用，在所有情況下，這能夠識別總錯誤數(shù)減1個錯誤。

2.3 OSI參考模型

ISO-OSI參考模型為OSI標準得開發(fā)提供了一個基本原則，OSI參考模型由ISO組織設計，目的是為了確保來自于由不同廠家生產、具有不同體系結構的系統(tǒng)所發(fā)出的信息能夠按照標準的處理程序被交換和解釋。

這個模型在七個層次上分配通信的功能，兩個通信對象對應的通信層上有一條虛連接。僅僅在最底層（Layer 1）存在物理連接用于信號的交換，除第一層外的每個通信層都是通過其下一層來獲得必須的服務。OSI模型僅僅定義各層的功能和服務，而不定義各層的技術(即協(xié)議)實現(xiàn)。

如果兩個應用程序之間存在如下面幾點的協(xié)定(例如，存在協(xié)議)，就可以在第七層上進行信息交換：

*在第6層上信息的表示。

*在第5層上內容和形式通信的流程。

*在第4層上信息的完整性和傳輸?shù)陌踩浴?/span>

*在第3層上通過網絡傳輸路由信息。

*在第2層上傳輸?shù)陌踩浴?/span>

       *在第1層上的物理媒介。 OSI模型的七個層次：

物理層：兩個通信對象之間最基本的物理連接發(fā)生在最底層，通過指定線纜、通信距離、連接器的PIN腳、比特位的表示方法在物理層定義傳輸媒介的機械和電氣特性。

數(shù)據(jù)鏈路層：這層確保在兩個通信對象間建立一條可靠的運行連接。為此，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議定義保護傳輸?shù)姆椒?、報文結構、訪問傳輸媒介的方法、通信對象尋址和同步的方法。通過使用在2.2.3節(jié)描述的錯誤處理程序，數(shù)據(jù)鏈路層負責識別和糾正本層傳輸錯誤。

網絡層：負責選擇出網絡中兩個通信對象間最優(yōu)化的傳輸路徑并執(zhí)行這個傳輸路徑，同時將這種路由服務提供給傳輸層。當不同的網絡通過網關相互連接，網絡層的這種路由功能就非常重要。

傳輸層：傳輸層表示基于5~7層的應用和基于1~4層的傳輸間的邊界層，傳輸層負責指導信息通過網絡層、進行流量控制和將信息分組成單個的包。

會話層：會話層為一個通信“會話”提供打開、按順序進行、終止這樣一個處理過程。還包括兩個系統(tǒng)間對話的控制，即他們各自傳輸特權的確定。

表示層：發(fā)送端應用程序的數(shù)據(jù)在表示層被轉換成接收端應用程序能夠解釋的數(shù)據(jù)格式。這樣，表示層就實現(xiàn)了數(shù)據(jù)格式和代碼轉換間的匹配。

應用層：此層是開放系統(tǒng)(OSI)和用戶之間的接口，應用層給用戶或者用戶程序提供服務，這使得用戶或者用戶程序與開放系統(tǒng)很容易的工作。應用程序需要被開發(fā)，這樣就可以通過應用層的協(xié)議來訪問開發(fā)系統(tǒng)的功能。

在下圖中從發(fā)送端到接收應用程序的數(shù)據(jù)流圖，通過連續(xù)箭頭指示可以看出。發(fā)送端的開銷信息對于信息的傳輸和處理是必須的，開銷信息被增加到每層的實際數(shù)據(jù)中，在接收端，這些開銷信息按照他們被添加的相反順序移除。 按照OSI模型的數(shù)據(jù)傳輸

3 Mbus總線概述

3.1 消費者公用儀表總線系統(tǒng)要求

對于要求可靠性和成本效益的網絡消費者儀表系統(tǒng)來說，有多種網絡拓撲結構可以被考慮，但實際上只有總線拓撲結構式最適合的。下面將解釋在這種總線系統(tǒng)上的儀表能夠被讀取所需要滿足的要求。

最重要的要求是在長達幾千米的距離上，多個設備（達到幾百個）的互連。因為由儀表發(fā)送的數(shù)據(jù)被用于終端用戶的計費，因此要求總線具有高度的傳輸完整性。另一方面，因為通常只有相對少量的數(shù)據(jù)需要傳輸，因此可以采用高速度來傳輸。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母叨韧暾?，要求總線具有很強的抗電容電感耦合干擾能力。為了避免接地回路，總線上的從設備應該被電隔離。

對總線的進一步需求是整個系統(tǒng)的低成本，這要求總線使用的傳輸媒介不需要屏蔽、使用盡可能少的組件使儀表的單個成本減少、通過總線對儀表供電。另外系統(tǒng)的安裝和維護成本需要考慮進來，可以采用多種方式來減少系統(tǒng)安裝維護成本，比如極性反接保護、在總線系統(tǒng)運行期間允許附加設備的接入。

3.2 在OSI模型中的MBus

由于沒有一個總線系統(tǒng)能夠滿足3.1節(jié)描述的要求，因此Meter-Bus(M-Bus)總線被開發(fā)出來。MBus由Paderborn大學的Dr. Horst Ziegler教授和TI公司的Deutschland GmbH 和 Techem GmbH共同開發(fā)的，MBus基于ISO-OSI參考模型設計，目的是為了實現(xiàn)一個開發(fā)系統(tǒng)，可以利用幾乎任何可用的協(xié)議。

    由于MBus不是一個網絡，因此它不需要一個傳輸和會話層，即其在OSI模型中的第4~6層是空的，因此，只有物理、數(shù)據(jù)鏈路、網絡和應用層提供的功能。                                                        在OSI模型中的MBus協(xié)議層    由于在ISO-OSI模型中修改像波特率、地址這類參數(shù)是不允許的，因此在7層OSI模型的最上層和旁邊定義了管理層。                                                Mbus的管理層

        因此地址254、255被保留用于管理物理層，地址253用于網絡層，這些地址僅在某些情況下被使用。使用這一新的層來直接管理每個OSI層的實現(xiàn)特點，這不符合OSI模型。

4 物理層

4.1.1操作原理

        Mbus是一個層次系統(tǒng)，由一個master（中央分配邏輯）來控制通信。MBus由master、許多slaves（終端設備儀表）、一條雙線連接電纜組成。Slaves被并行的連接到傳輸媒介即連接電纜上。                                                         MBus系統(tǒng)原理框圖      

為了實現(xiàn)具有低成本傳輸媒介的總線網絡，一條具有串行數(shù)據(jù)傳輸功能的二線電纜被使用。為了允許對遠程slaves供電，總線上的比特描述如下：

由主到從的bit串傳輸，通過電壓調制方式實現(xiàn)。一個邏輯1（稱為Mark）對應于在總線的驅動器(repeater)上輸出36V的標準電壓，repeater是master的一部分；一個邏輯0（稱為Space）被發(fā)送時，repeater減少總線電壓12V，在總線驅動上輸出24V的標準電壓。也可以理解為在24v電壓上進行的電壓調制，發(fā)送Mark時候在24v基礎上增加12v電壓，發(fā)送Space的時候不增加12v電壓。

    從slave到master發(fā)送的bit串，通過調制slave上的電流消耗進行編碼。一個邏輯1是由最高1.5mA的恒定電流表示，一個邏輯0通過slave額外增加11~20mA的電流來表示。處于Mark狀態(tài)的電流可用于給接口和儀表本身供電。                                                                                  MBus總線上的bit串表示

由于輸出阻抗的原因，slave傳輸邏輯0（Space）的時候會導致repeater上輸出電壓的輕微減少,如上圖所示Bus Voltage at Repeater上可以看到電壓的輕微下降。在總線上的靜止狀態(tài)表示邏輯1（Mark），即在repeater上總線電壓是36V，slave需要的最大恒定靜態(tài)電流是每個1.5mA。當所有slave都不發(fā)送Space（邏輯0）的時候，Master端的repeater上將輸出恒定的電流以驅動總線,換句話說就是在靜止狀態(tài)時slave將消耗恒定的電流。因為slave消耗恒定電流這個原因，而且線纜上存在阻抗，在slave端檢測到的實際Mark電壓會比36V低，具體低多少依賴于slave和repeater間的距離和slaves的總靜態(tài)電流。因此，slave不必檢測絕對的電壓電平，而是對于Space檢測一個12V的電壓降。Repeater必須調整它自己到靜態(tài)電流水平（Mark），并且將總線上11~20mA電流的增加解釋為一個Space。在Mark狀態(tài)被定義為36V時，這種處理方式是可以實現(xiàn)的。這意味著在任一時刻，只能在一個方向上進行傳輸：從master到slave，或者從slave到master，即半雙工（Half Duplex）。

由于在master到slave方向的傳輸有一個12V電壓的變化，在應答方向有最少11mA電流的變化，因此Mbus總線不僅實現(xiàn)了給slave供電，同時還獲得了對外部干擾很強的抵抗力。

4.2 總線安裝規(guī)范

MBus系統(tǒng)可以由多個區(qū)域（zones）的組成，每個區(qū)域有它的組地址，區(qū)域間通過區(qū)域控制器和更高層的網絡進行相互連接。每個區(qū)域由多個段組成，這些段按順序連接到遠處的repeaters。然而，在通常情況下，一個MBus系統(tǒng)僅由單一的段組成，這個段通過本地repeater連接到個人電腦（PC），PC充當總線Master的角色。這個本地repeater將MBus信號轉換為RS232接口信號。從現(xiàn)在開始，本地repeater將簡單的稱為repeater，本地repeater和PC的組合稱為Master。

雙線標準電話線纜（JYStY N*2*0.8 mm）被用于作為MBus總線傳輸媒介。一個slave和repeater間的最大距離是350m，這個長度對應的線纜電阻達到29歐姆。這個距離應用于標準配置有300~9600的波特率和最多250個slaves?？梢酝ㄟ^限制波特率和減少總線上slaves的數(shù)量來增加總線的傳輸距離，由于需要給遠程slave供電，在Space狀態(tài)的總線電壓一定不能低于12V。在標準配置的線纜總長度不能超過1000m，以滿足180 nF的最大電纜電容的要求。

到目前為止還沒有標準或者推薦一種MBus插頭連接儀表到總線系統(tǒng)，但是MBus協(xié)議組正在定義一種合適的連接器。三種不同的插頭必須對連接器定義：a) 安裝模式、b）儀表固定安裝、c）表手持連接。

4.3 repeaters規(guī)格

    See chapter 'Electrical Requirements Master' in the document 'WG4N85R2.DOC'。

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