巨川電氣--MBus協議詳解(1)    來源：http://my171.cn/

看了許多關于MBus協議的資料，感覺說的不具體、不完整、也不系統，本人準備結合一個具體的產品實現，從理論和實現上對MBus協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總線開發的目的是用于滿足網絡系統和遠程抄表的需要，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。當計量儀表收到數據發送請求時，將當前測量的數據發送到主站，(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據。MBus在家庭電子系統中的其他應用有：報警系統、智能照明、熱能控制。
 

2串行總線系統的基本原理

2.1串行總線應用和定義

數據處理系統互相通信的方法是根據相互間的通信距離來分類。根據相互間的通信距離，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據。這種拓撲的一個缺點是增加了布線的需求。

環形拓撲：設備連接起來形成一個環形，數據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據。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。數據可以在總線上傳輸到所以設備（即廣播，Broadcasting），或者傳輸到某組設備（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據串（例如，一位一位傳輸）。相比之下，在并行總線系統中一個字節的各個獨立比特是在一定數量的數據線上同時傳輸。這種并行傳輸方式增加了數據線和連接器的成本，但數據的傳輸時間比串行總線短。

2.2總線系統的基本功能

    根據傳輸和訪問技術對串行總線系統進行分類，下圖展示了各種形式的串行總線系統：           總線第一層根據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)。總線上的每個設備分配一個頻道。

2.2.1接入技術

在總線系統中，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據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據傳輸時間。各個設備對總線的分時使用，是通過一個分配邏輯系統來實現的。

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：根據設備的傳輸要求，進行周期性的輪詢。

*請求發送：使用發送者的標識符在一條公共線上請求發送。

*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。

中央分配邏輯的優勢是減少了總線分配方法在單個設備上實現的復雜性。

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。

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

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

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調。同步的各種方法可以根據數據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，發送者在線上向接收者發送一個特殊的信號表示有數據需要發送，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。一個總線系統必須確保能夠發現和糾正傳輸錯誤，通過在數據傳輸過程中提供附加信息，使數據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（偶數個1，或者奇數個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學運算從傳輸的數據中得到的。接收者通過比較接收到的校驗和，從接收到的數據中計算出的校驗和是否相等來判斷數據在傳輸中是否出錯。奇偶校驗位僅僅能夠識別出奇數個錯誤比特。為了糾正錯誤，接收者需要發送一個應答給發送者，用于明確指示傳輸是否有錯誤。同時，發送者在一個固定時間段內檢查數據接收者發出的應答，如果發生超時(timeout)，發送者重傳數據。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所發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(即協議)實現。

如果兩個應用程序之間存在如下面幾點的協定(例如，存在協議)，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的安全性。

*在第3層上通過網絡傳輸路由信息。

*在第2層上傳輸的安全性。

       *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。

數據鏈路層：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，數據鏈路層協議定義保護傳輸的方法、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節描述的錯誤處理程序，數據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化的傳輸路徑并執行這個傳輸路徑，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。還包括兩個系統間對話的控制，即他們各自傳輸特權的確定。

表示層：發送端應用程序的數據在表示層被轉換成接收端應用程序能夠解釋的數據格式。這樣，表示層就實現了數據格式和代碼轉換間的匹配。

應用層：此層是開放系統(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很容易的工作。應用程序需要被開發，這樣就可以通過應用層的協議來訪問開發系統的功能。

在下圖中從發送端到接收應用程序的數據流圖，通過連續箭頭指示可以看出。發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據中，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模型的數據傳輸

3 Mbus總線概述

3.1 消費者公用儀表總線系統要求

對于要求可靠性和成本效益的網絡消費者儀表系統來說，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。因為由儀表發送的數據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據需要傳輸，因此可以采用高速度來傳輸。為了保證數據傳輸的高度完整性，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安裝維護成本，比如極性反接保護、在總線系統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能夠滿足3.1節描述的要求，因此Meter-Bus(M-Bus)總線被開發出來。MBus由Paderborn大學的Dr. Horst Ziegler教授和TI公司的Deutschland GmbH 和 Techem GmbH共同開發的，MBus基于ISO-OSI參考模型設計，目的是為了實現一個開發系統，可以利用幾乎任何可用的協議。

    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、數據鏈路、網絡和應用層提供的功能。                                                        在OSI模型中的MBus協議層    由于在ISO-OSI模型中修改像波特率、地址這類參數是不允許的，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，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系統原理框圖      

為了實現具有低成本傳輸媒介的總線網絡，一條具有串行數據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。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，發送Mark時候在24v基礎上增加12v電壓，發送Space的時候不增加12v電壓。

    從slave到master發送的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電流是每個1.5mA。當所有slave都不發送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狀態被定義為36V時，這種處理方式是可以實現的。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 總線安裝規范

MBus系統可以由多個區域（zones）的組成，每個區域有它的組地址，區域間通過區域控制器和更高層的網絡進行相互連接。每個區域由多個段組成，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。可以通過限制波特率和減少總線上slaves的數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，但是MBus協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規格

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

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