巨川電氣--MBus協(xié)議詳解(1)    來源：http://lzzrhvn.cn/

看了許多關(guān)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(zhǔn)備結(jié)合一個(gè)具體的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，從理論和實(shí)現(xiàn)上對MBus協(xié)議做一個(gè)詳細(xì)的論述，如有不當(dāng)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和遠(yuǎn)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(yuǎn)程供電的計(jì)量儀表的特殊要求。當(dāng)計(jì)量儀表收到數(shù)據(jù)發(fā)送請求時(shí)，將當(dāng)前測量的數(shù)據(jù)發(fā)送到主站，(主站可以是手持設(shè)備、計(jì)算機(jī)、或其他終端)。主站定期讀取某棟建筑物中安裝的計(jì)量儀表的數(shù)據(jù)。MBus在家庭電子系統(tǒng)中的其他應(yīng)用有：報(bào)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(yīng)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(wǎng)絡(luò)分為：覆蓋遍及世界的全球網(wǎng)絡(luò)（Global Area Networks，GAN）；覆蓋大陸或大片地方的廣域網(wǎng)(Wide Area Networks，WAN)；覆蓋距離可達(dá)幾公里，或者被限制在特定的地理區(qū)域，如實(shí)驗(yàn)室，辦公樓和辦公場所的局部局域網(wǎng)絡(luò)（Local Area Networks ，LAN）。局域網(wǎng)可以被用來連接一個(gè)終端設(shè)備、電腦、測量設(shè)備、自動(dòng)化出來模塊等。局域網(wǎng)中設(shè)備的連接方式（即拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）有下面三種方式：

星型拓?fù)洌好總€(gè)設(shè)備用一條獨(dú)立的傳輸線連接到一個(gè)中央處理單元。每個(gè)設(shè)備可以順序或者同時(shí)向中央處理單元傳送數(shù)據(jù)。這種拓?fù)涞囊粋€(gè)缺點(diǎn)是增加了布線的需求。

環(huán)形拓?fù)洌涸O(shè)備連接起來形成一個(gè)環(huán)形，數(shù)據(jù)從點(diǎn)到點(diǎn)的進(jìn)行傳輸。這種拓?fù)涞娜秉c(diǎn)是一個(gè)設(shè)備有故障，整個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)都不能夠工作。

    總線拓?fù)洌好總€(gè)設(shè)備通過一條公共的總線連接在一起，這樣在某一時(shí)刻只有一個(gè)設(shè)備能夠傳輸數(shù)據(jù)。這種拓?fù)浞浅７铣杀拘б?，一個(gè)設(shè)備出故障不會(huì)影響其他設(shè)備通信。數(shù)據(jù)可以在總線上傳輸?shù)剿栽O(shè)備（即廣播，Broadcasting），或者傳輸?shù)侥辰M設(shè)備（即組播，Multicasting）。           一個(gè)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(shí)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(gè)字節(jié)的各個(gè)獨(dú)立比特是在一定數(shù)量的數(shù)據(jù)線上同時(shí)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(shí)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(shù)對串行總線系統(tǒng)進(jìn)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(fù)用技術(shù)分為時(shí)分多路復(fù)用和頻分多路復(fù)用，在頻分復(fù)用下，總線傳輸媒介的頻譜被分為頻段，每個(gè)頻段代表一個(gè)頻道(Channel)。總線上的每個(gè)設(shè)備分配一個(gè)頻道。

2.2.1接入技術(shù)

在總線系統(tǒng)中，總線傳輸媒介被全部總線設(shè)備一起共同使用，所有設(shè)備的各種傳輸要求都需要考慮。設(shè)備在總線上傳輸數(shù)據(jù)時(shí)使用的方法稱為接入技術(shù)。這些接入技術(shù)必須保證總線設(shè)備不會(huì)在同一時(shí)刻使用總線，因?yàn)檫@樣會(huì)導(dǎo)致總線沖突或者干擾，而且接入技術(shù)必須保證每個(gè)總線設(shè)備在總線上有一個(gè)確定的最小數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。各個(gè)設(shè)備對總線的分時(shí)使用，是通過一個(gè)分配邏輯系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。

使用中央分配邏輯，中央總線控制器接收到一個(gè)使用總線的請求，由中央總線控制器來決定設(shè)備能否占用總線和在什么時(shí)候占用總線。為了實(shí)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(gè)設(shè)備有一條獨(dú)立的分支線與分配邏輯相連。

*輪詢法：根據(jù)設(shè)備的傳輸要求，進(jìn)行周期性的輪詢。

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

*時(shí)隙法：每個(gè)設(shè)備在自己固定的時(shí)隙占用總線，不用考慮設(shè)備單獨(dú)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(gè)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。

總線分布式分配邏輯，要求總線上的每個(gè)設(shè)備需要具備能夠識(shí)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(shè)備法：這種方法要求每個(gè)設(shè)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(shè)備間傳輸所有權(quán)標(biāo)識(shí)(ownership)來實(shí)現(xiàn)。

*載波監(jiān)聽多址接入(CSMA，Carrier Sense Multiple Access)：設(shè)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(hào)傳輸?shù)臅r(shí)候出現(xiàn)的，例如，在以太網(wǎng)（Ethernet）這種總線系統(tǒng)中，設(shè)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(gè)合適的時(shí)間間隔后開始從新傳輸數(shù)據(jù)。

分布式分配邏輯的實(shí)現(xiàn)，要求總線設(shè)備有更高的邏輯復(fù)雜性，但這種總線系統(tǒng)也有他的優(yōu)勢，某個(gè)中央總線控制器出現(xiàn)故障不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)總線系統(tǒng)的崩潰。

2.2.2 通信設(shè)備的同步

    同步可以理解為通信的參與者對于信號(hào)傳輸和接收在時(shí)間上的協(xié)調(diào)。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(jìn)行分類，同步技術(shù)的分類如下圖：      采用同步傳輸技術(shù)，一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘需要由一個(gè)中心站點(diǎn)或者一個(gè)通信設(shè)備提供，用于測量通信時(shí)間。異步傳輸技術(shù)可以分為具有應(yīng)答的異步傳輸和沒有應(yīng)答的異步傳輸。采用具有應(yīng)答的異步傳輸技術(shù)時(shí)，發(fā)送者在線上向接收者發(fā)送一個(gè)特殊的信號(hào)表示有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，然后等待接受者的應(yīng)答。不帶應(yīng)答的異步傳輸技術(shù)，對于并行比特傳輸需要在一條特殊的信號(hào)線上使用一個(gè)傳輸時(shí)鐘，對于串行比特傳輸要用開始和停止比特來構(gòu)成一個(gè)字符。

2.2.3 錯(cuò)誤處理

在總線系統(tǒng)上導(dǎo)致傳輸錯(cuò)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(gè)地導(dǎo)致的來自于地回路的直接耦合電流。一個(gè)總線系統(tǒng)必須確保能夠發(fā)現(xiàn)和糾正傳輸錯(cuò)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(shí)候能夠被檢測。特別是在異步傳輸時(shí)，一個(gè)附加的奇偶比特通常和字符一起傳輸。通過這個(gè)附加的奇偶比特，使得奇偶條件（偶數(shù)個(gè)1，或者奇數(shù)個(gè)1）得到滿足。另外一種方法是使用校驗(yàn)和的方法，校驗(yàn)和是通過精確的數(shù)學(xué)運(yùn)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(yàn)和，從接收到的數(shù)據(jù)中計(jì)算出的校驗(yàn)和是否相等來判斷數(shù)據(jù)在傳輸中是否出錯(cuò)。奇偶校驗(yàn)位僅僅能夠識(shí)別出奇數(shù)個(gè)錯(cuò)誤比特。為了糾正錯(cuò)誤，接收者需要發(fā)送一個(gè)應(yīng)答給發(fā)送者，用于明確指示傳輸是否有錯(cuò)誤。同時(shí)，發(fā)送者在一個(gè)固定時(shí)間段內(nèi)檢查數(shù)據(jù)接收者發(fā)出的應(yīng)答，如果發(fā)生超時(shí)(timeout)，發(fā)送者重傳數(shù)據(jù)。為了詳細(xì)說明一個(gè)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(shí)別總錯(cuò)誤數(shù)減1個(gè)錯(cuò)誤。

2.3 OSI參考模型

ISO-OSI參考模型為OSI標(biāo)準(zhǔn)得開發(fā)提供了一個(gè)基本原則，OSI參考模型由ISO組織設(shè)計(jì)，目的是為了確保來自于由不同廠家生產(chǎn)、具有不同體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)所發(fā)出的信息能夠按照標(biāo)準(zhǔn)的處理程序被交換和解釋。

這個(gè)模型在七個(gè)層次上分配通信的功能，兩個(gè)通信對象對應(yīng)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(hào)的交換，除第一層外的每個(gè)通信層都是通過其下一層來獲得必須的服務(wù)。OSI模型僅僅定義各層的功能和服務(wù)，而不定義各層的技術(shù)(即協(xié)議)實(shí)現(xiàn)。

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

*在第6層上信息的表示。

*在第5層上內(nèi)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(wǎng)絡(luò)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(gè)層次：

物理層：兩個(gè)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(jī)械和電氣特性。

數(shù)據(jù)鏈路層：這層確保在兩個(gè)通信對象間建立一條可靠的運(yùn)行連接。為此，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議定義保護(hù)傳輸?shù)姆椒?、?bào)文結(jié)構(gòu)、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(cuò)誤處理程序，數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)識(shí)別和糾正本層傳輸錯(cuò)誤。

網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)選擇出網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)通信對象間最優(yōu)化的傳輸路徑并執(zhí)行這個(gè)傳輸路徑，同時(shí)將這種路由服務(wù)提供給傳輸層。當(dāng)不同的網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)關(guān)相互連接，網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用和基于1~4層的傳輸間的邊界層，傳輸層負(fù)責(zé)指導(dǎo)信息通過網(wǎng)絡(luò)層、進(jìn)行流量控制和將信息分組成單個(gè)的包。

會(huì)話層：會(huì)話層為一個(gè)通信“會(huì)話”提供打開、按順序進(jìn)行、終止這樣一個(gè)處理過程。還包括兩個(gè)系統(tǒng)間對話的控制，即他們各自傳輸特權(quán)的確定。

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

應(yīng)用層：此層是開放系統(tǒng)(OSI)和用戶之間的接口，應(yīng)用層給用戶或者用戶程序提供服務(wù)，這使得用戶或者用戶程序與開放系統(tǒng)很容易的工作。應(yīng)用程序需要被開發(fā)，這樣就可以通過應(yīng)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(yīng)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(shí)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(fèi)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(wǎng)絡(luò)消費(fèi)者儀表系統(tǒng)來說，有多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以被考慮，但實(shí)際上只有總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(dá)幾千米的距離上，多個(gè)設(shè)備（達(dá)到幾百個(gè)）的互連。因?yàn)橛蓛x表發(fā)送的數(shù)據(jù)被用于終端用戶的計(jì)費(fèi)，因此要求總線具有高度的傳輸完整性。另一方面，因?yàn)橥ǔＶ挥邢鄬ι倭康臄?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(qiáng)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(shè)備應(yīng)該被電隔離。

對總線的進(jìn)一步需求是整個(gè)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(gè)成本減少、通過總線對儀表供電。另外系統(tǒng)的安裝和維護(hù)成本需要考慮進(jìn)來，可以采用多種方式來減少系統(tǒng)安裝維護(hù)成本，比如極性反接保護(hù)、在總線系統(tǒng)運(yùn)行期間允許附加設(shè)備的接入。

3.2 在OSI模型中的MBus

由于沒有一個(gè)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(xué)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(shè)計(jì)，目的是為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)，因此它不需要一個(gè)傳輸和會(huì)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(wǎng)絡(luò)和應(yīng)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(wǎng)絡(luò)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(gè)OSI層的實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)，這不符合OSI模型。

4 物理層

4.1.1操作原理

        Mbus是一個(gè)層次系統(tǒng)，由一個(gè)master（中央分配邏輯）來控制通信。MBus由master、許多slaves（終端設(shè)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(shí)現(xiàn)具有低成本傳輸媒介的總線網(wǎng)絡(luò)，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(yuǎn)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(diào)制方式實(shí)現(xiàn)。一個(gè)邏輯1（稱為Mark）對應(yīng)于在總線的驅(qū)動(dòng)器(repeater)上輸出36V的標(biāo)準(zhǔn)電壓，repeater是master的一部分；一個(gè)邏輯0（稱為Space）被發(fā)送時(shí)，repeater減少總線電壓12V，在總線驅(qū)動(dòng)上輸出24V的標(biāo)準(zhǔn)電壓。也可以理解為在24v電壓上進(jìn)行的電壓調(diào)制，發(fā)送Mark時(shí)候在24v基礎(chǔ)上增加12v電壓，發(fā)送Space的時(shí)候不增加12v電壓。

    從slave到master發(fā)送的bit串，通過調(diào)制slave上的電流消耗進(jìn)行編碼。一個(gè)邏輯1是由最高1.5mA的恒定電流表示，一個(gè)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(shí)候會(huì)導(dǎo)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?fàn)顟B(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(gè)1.5mA。當(dāng)所有slave都不發(fā)送Space（邏輯0）的時(shí)候，Master端的repeater上將輸出恒定的電流以驅(qū)動(dòng)總線,換句話說就是在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)slave將消耗恒定的電流。因?yàn)閟lave消耗恒定電流這個(gè)原因，而且線纜上存在阻抗，在slave端檢測到的實(shí)際Mark電壓會(huì)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(gè)12V的電壓降。Repeater必須調(diào)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(gè)Space。在Mark狀態(tài)被定義為36V時(shí)，這種處理方式是可以實(shí)現(xiàn)的。這意味著在任一時(shí)刻，只能在一個(gè)方向上進(jìn)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(gè)12V電壓的變化，在應(yīng)答方向有最少11mA電流的變化，因此Mbus總線不僅實(shí)現(xiàn)了給slave供電，同時(shí)還獲得了對外部干擾很強(qiáng)的抵抗力。

4.2 總線安裝規(guī)范

MBus系統(tǒng)可以由多個(gè)區(qū)域（zones）的組成，每個(gè)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(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相互連接。每個(gè)區(qū)域由多個(gè)段組成，這些段按順序連接到遠(yuǎn)處的repeaters。然而，在通常情況下，一個(gè)MBus系統(tǒng)僅由單一的段組成，這個(gè)段通過本地repeater連接到個(gè)人電腦（PC），PC充當(dāng)總線Master的角色。這個(gè)本地repeater將MBus信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS232接口信號(hào)。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(biāo)準(zhǔn)電話線纜（JYStY N*2*0.8 mm）被用于作為MBus總線傳輸媒介。一個(gè)slave和repeater間的最大距離是350m，這個(gè)長度對應(yīng)的線纜電阻達(dá)到29歐姆。這個(gè)距離應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)配置有300~9600的波特率和最多250個(gè)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(yuǎn)程slave供電，在Space狀態(tài)的總線電壓一定不能低于12V。在標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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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