Jste zde

M-BUS (Meter-Bus) - základní popis komunikačního protokolu

Antonín Vojáček, 7. Únor 2010 - 16:35

Průmyslová datová sběrnice M-BUS (Meter-BUS) je určena k přenosu dat a řízení v oblasti měření a regulace topných systémů, plynu, odběru vody a elektrické energie. Struktura je založena na sériovém asynchronním přenosu po dvouvodičové sběrnici, podobně jako RS-485, s možností přímého napájení účastnických stanic. Tento článek popisuje základní strukturu komunikačního protokolu standardu a přehled existujících komponent.

Obsah

Úvod
Základní charakteristika sběrnice M-BUS
Struktura sítě RM-OSI model

Fyzická vrstva
Linková vrstva
Síťová vrstva
Aplikační vrstva

Příklady použití v praxi

Součástky
Existující komponenty
Příklad topologie sítě

Závěr
Odkazy

ÚVOD

Evropský standard M-Bus (z anglického Meter-Bus) byl původně primárně určen pro dálkové čtení dat měřičů tepla, ale obecně je určen pro aplikace sběru dat z měřičů odběru nejrůznějších médií (například pitné a užitkové vody, plynu, tepla, elektrické energie), stejně tak i pro čtení dat z různých senzorů a řízení akčních členů převážně z oblasti systémů, kde není příliš nutná rychlá odezva v čase. Je vyvíjen ve spolupráci University Padeborn a firem Texas Instruments Deutschland GmbH a Techem GmbH

ZÁKLADNÍ CHARAKTERISTIKA

Vzhledem k relativně úzké a poměrně specializované aplikační oblasti jsou na M-Bus kladeny specifické požadavky. Musí zajistit propojení velkého množství zařízení (řádově několika set) na vzdálenost až několika kilometrů. Přenos dat musí být kvalitně zabezpečen proti chybám. Na druhé straně je typickou vlastností aplikace nepříliš časté odečítání naměřených hodnot s nízkými nároky na odezvy v reálném čase. To spolu s přenosovými rychlostmi do 9600 Bd a obvykle nízkými požadavky měřičů na výpočetní výkon procesoru umožňuje implementovat všechny protokolové vrstvy OSI modelu programově a to včetně programové emulace sériového řadiče (UARTu).

Charakteristické rysy standardní konfigurace lze shrnout do následujících bodů:

Speciální implementace fyzické vrstvy
Galvanicky oddělené rozhraní
Možnost napájení účastníků po sběrnici
Dvoudrátové vedení s délkou až několik kilometrů
Řízení komunikace na principu Master - Slave
Bez implementace síťové vrstvy maximálně 250 účastníků
Asynchronní přenos znaků, 8 bitů dat, sudá parita
Přenosová rychlost 300 až 9600 Bd
Zabezpečení datového bloku pomocí kontrolního součtu

Samotný standard je již v dnešní době podporován výrobky mnoha výrobců, a proto je zde možnost vzájemné komunikace různých zařízení od různých výrobců.

STRUKTURA SÍTĚ

Struktura sítě M-BUS je sběrnicového typu, což je pro robustní průmyslové aplikace cenově i spolehlivostí nejefektivnější řešení. Jednotlivé komponenty jsou připojeny na jednu společnou linku, což má výhodu v jednoduchému připojování a odpojování komponent bez vlivu na samotnou komunikaci zbylých stanic, možnosti vysílání dat více stanicím najednou (broadcasting, multicasting), naopak nevýhodu v možnosti vysílání dat vždy jen jedné stanice v daném čase.

Samotný model komunikace komponent je založen na RM-OSI modelu z důvodu uplatnění téměř jakéhokoliv komunikačního protokolu.

Vrstva OSI modelu	Funkce	Standard
Aplikační	Struktura dat, typy dat akce	EN1434-3
Prezenční	nevyužívá se
Spojová	nevyužívá se
Transportní	nevyužívá se
Síťová	rozšířené adresování (volitelné)	-
Linková	parametry přenosu, formát telegramu, adresování, integrita dat	IEC 870
Fyzická	kabel, bitová reprezentace, topologie, elektrická specifikace.	M-Bus

Vrstvy OSI modelu průmyslové sběrnice M-BUS (Meter-BUS)

Fyzická vrstva sítě

Základní konfigurace sítě obsahuje jednu řídící stanici (repeater, Master) a až 250 stanic účastnických (Slave), které reprezentují jednotlivá měřící, řídící a akční zařízení. Řídící stanice může být PC s příslušným softwarem a rozhraním (RS232 - M-BUS interface), které může plnit i více rolí jako jsou testování jednotlivých stanic nebo průběžné sledování fyzických parametrů samotné sítě či M-BUS administrátora. Sběrnice je tvořena dvoudrátovou sběrnicí (telefonní kabel) s poloduplexním přenosem dat a řízením přístupu Master - Slave. Primárně se využívá přenosu po stíněném kabelu s krouceným párem, i když poslední roky je možné využít i bezdrátovou variantu s radiovým přenosem. O tom však podrobněji v některém dalším článku. Zde si nastíníme klasické provedení s komunikací po vodičích.

Délka kabelového segmentu v této konfiguraci nesmí překročit 1000 m (350 m pro 9600 Bd). Aby bylo možné napájení účastnických stanic po tomtéž vedení, používá M-Bus pro přenos od řídicí stanice (Master) ke stanicím účastnickým (Slave) změny napěťových úrovní, ve směru opačném změny v odběru proudu. Oba případy uvádějí následující dva obrázky.

Přenos dat od řídící stanice (Master) k účastnické (Slave) - přijímač Slave

Přenos dat od účastnické stanice (Slave) k řídící (Master) - vysílač Slave

Příklady obvodů jsou převzaty z datasheetu integrovaného obvodu transceiveru pro slave TI TSS721A . V_BUS a I_BUS značí proudy a napětí na sběrnici M-BUS, jejíž dva vodiče jsou zde označeny BUSL1 a BUSL2. TC3 a TC4 označují komparátory. TX, TXI resp. RX, RXI značí přiváděné vystupující resp. vstupující signály například z RS-485. Napájecí napětí samotného integrovaného obvodu se vytváří na připojeném externím kondenzátoru, který je nabíjen proudem ze sběrnice. Bližší popis je obsažen v datasheetu www.m-bus.com/files/slas222.pdf.

Definice logických úrovní:

Ve směru od řídicí stanice (Master) ke stanicím účastnickým (Slave):

log.1 => V_MARK= +36 V
log.0 => V_SPACE = +36V - 12V = + 24 V
I_BUS = 1,5 mA

Ve směru od účastnické stanice (Slave) ke stanici řídicí (Master):

log.1 => I_SPACE = 1,5mA
log.0 => I_MARK = 1,5 mA + 11 až 20 mA
V_BUS = +36 V

Grafický popis úrovní na vodičích pro přenos bitů na sběrnici M-BUS

Linková vrstva

Základem protokolu je poloduplexní asynchronní přenos s rozsahem přenosových rychlostí 300 až 9600 Baud. Zvláštním dodatečným požadavkem, který vyplývá z požadavků fyzické vrstvy, je, aby mezi jednotlivými přenášenými znaky nebyly časové mezery. To znamená, že ihned po stopbitu musí následovat přenos dalšího znaku. Protokol linkové vrstvy je založen na mezinárodním standardu IEC 870-5. V tomto standardu se využívají tři rozdílné datové třídy pro přenos řídících dat. V případě M-BUSu se využívá formát dat FT 1.2, který spadá do 2. datové třídy a specifikuje tři rozdílné telegramů lišící se startovacími znaky.

Jednotlivý znak	Krátký rámec	Řídící rámec	Dlouhý rámec
E5h	Start 10h	Start 68h	Start 68h
	C pole	L pole = 3	L pole
	A pole	L pole = 3	L pole
	kontrolní součet	Start 68h	Start 68h
	Stop 16h	C pole	C pole
		A pole	A pole
		CI pole	CI pole
		kontrolní součet	Uživatelská data
		Stop 16h	(0-252 Byte)
			kontrolní součet
			Stop 16h

Formát telegramu M-Bus protokolu

Jednotlivý znak

Tento rámec se skládá z jediného znaku, jmenovitě 0xE5. Používá se k potvrzení o přijetí jiného vyslaného rámce.

Krátký rámec

Tento rámec má pevnou délku. Začíná úvodním znakem 0x10, následuje pole C, pole A, kontrolní součet a koncový znak 0x16. Kontrolní součet se počítá pouze z polí C a A.

Dlouhý rámec

Tento rámec začíná znakem 0x68, pokračuje dvakrát opakovaným polem L, obsahujícím délku rámce a opět úvodním znakem 0x68. Poté následuje pole C, pole A, pole CI, uživatelská data o délce 0 ¸ 252 bajtů, kontrolní součet a ukončovací znak 0x16. Pole L obsahuje počet bajtů uživatelských dat zvýšený o tři (tj. o délku polí C, A a CI). Kontrolní součet je počítán z polí C, A, CI a z uživatelských dat.

Řídicí rámec

Obsah řídicího rámce odpovídá dlouhému rámci, neobsahuje však položku “uživatelská data”. Kontrolní součet je počítán z polí C, A a CI.

Význam polí rámce

Všechna pole mají délku jednoho znaku, což odpovídá osmi bitům.

Pole C (Control Field, Function Field)

Toto pole obsahuje řídicí parametry rámce. Mimo jiné určuje směr toku dat, jak je vidět z následující tabulky.

Číslo bitu	7	6	5	4	3	2	1	0
Master ® Slave	0	1	FCB	FCV	F3	F2	F1	F0
Slave ® Master	0	0	ACD	DFC	F3	F2	F1	F0

Pole C (Control Field, Function Field) - řídicí parametry rámce

Kódování řídicího pole C

V rámci vysílaném řídicí stanicí je bit FCB (frame count bit) při bezchybné komunikaci nastavován střídavě do log. 0 a log. 1. Pokud řídicí stanice nepřijala odezvu na předchozí rámec, vysílá ho znovu s identickým FCB a účastnická stanice odpovídá znovu stejným rámcem. Bit FCV (frame count valid) v log. 1 indikuje platnost bitu FCB. Pokud je FCV v log. 0, bit FCB musí být ignorován.

V rámci vysílaném účastnickou stanicí mají bity 5 a 4 odlišný význam. Bit ACD (access demand) v log. 1 signalizuje řídicí stanici, že účastnická stanice potřebuje předat data s vyšší prioritou (tzv. Class 1 data). Tato data na rozdíl od standardních (Class 2) dat mají být přenesena co nejdříve. Řídicí stanice proto v následujícím cyklu reaguje požadavkem na přenos těchto dat. Bit DFC (data flow control) slouží k řízení datového toku. Hodnota log. 1 indikuje řídicí stanici, že účastnická stanice není schopna akceptovat další data.

Bity F0, F3 kódují vlastní účel zprávy.

Linková vrstva využívá dvě základní procedury:

Vyslání/Potvrzení (Send/Confirm) - SND/CON
Žádost/Odezva (Request/Respond) - REQ/RSP

Níže uvedená tabulka ukazuje běžně používané řídicí kódy v rámcích M-Busu.

Jméno	Pole C bin.	Pole C hex.	Rámec	Popis
SND_NKE	0100 0000	40	krátký	inicializace účastníka
SND_UD	01F1 0011	53/73	dlouhý/řídicí	odeslání dat účastnické stanici stanicí řídicí
REQ_UD2	01F1 1011	5B/7B	krátký	žádost na běžná data (Class 2) od účastnické stanice
REQ_UD1	01F1 1010	5A/7A	krátký	žádost na prioritní data (Class 1) od účastnické stanice
RSP_UD	00AD 1000	08/18/28/38	dlouhý/řídicí	odeslání dat řídicí stanici stanicí účastnickou po žádosti

Řídicí kódy sběrncie M-BUS (F: FCB bit, A: ACD bit, D: DFC bit)

Pole A (Address Field)

Pole A slouží k adresaci či určení účastnické stanice při vysílání resp. příjmu rámce. Velikost A pole je 8 bitů. Adresy 0, 250 mohou být přiřazeny jednotlivým účastnickým stanicím, adresy 254 resp. 255 jsou využity pro potvrzovaný resp. nepotvrzovaný broadcast. Je zřejmé, že při potvrzení broadcastu dojde na sběrnici ke kolizím vždy, je-li připojena více než jedna účastnická stanice. Jeho použití je pouze pro testovací účely. Adresa 253 indikuje adresaci v síťové vrstvě, nikoli v linkové. Adresy 251 a 252 jsou rezervovány pro budoucí využití.
Pole CI (Control Information Field)

Pole CI nese informaci, která je již součástí aplikačního protokolu. Jeho úkolem je kromě jiného rozlišení formátu dlouhého a řídicího rámce. Podrobnější popis tohoto pole je součástí kapitoly o aplikačním protokolu M-Busu.

Síťová vrstva

Pokud nestačí rozsah 250 primárních adres dostupných v linkové vrstvě, lze pro rozsáhlejší systémy implementovat vrstvu síťovou. Protokoly této vrstvy vlastně dynamicky přiřazují linkové adrese 253 jednotlivé účastnické stanice.

Chce-li řídicí stanice přiřadit účastnické stanici linkovou adresu 253, použije k tomu speciální rámec (viz Obr. 10), který uvede vybranou účastnickou stanici do tzv. vybraného (selected) stavu. V tomto stavu reaguje zvolená stanice na linkové rámce s adresou 253.

0x68

0x0B

0x68

0x53

0xFD

0x52

ID1-4

Man1-2

Gen

Med

0x16

Přiřazení sekundární adresy

Sekundární adresa je definována prvky Identifikační číslo, Výrobce, Verze a Médium. Po uvedení do vybraného stavu pak účastnická stanice komunikuje tak, jako by její adresa byla 253, a to až do té doby, než je do vybraného stavu uvedena jiná účastnická stanice.

Aplikační vrstva standardu

Protokoly aplikační vrstvy definují význam pole CI a uživatelských dat rámců. Jejich definice vychází z normy EN1434-3, která však byl původně navržena pouze přenos dat směrem od Slave stanice k Master stanici . Dále uváděná struktura rozšiřuje tuto normu i další přenosy dat.

Pole CI

Toto pole definuje typ a sekvenci aplikačních dat v rámci. Bit s vahou 0x04, značený normou jako bit M (Mode bit), specifikuje pořadí bajtů ve vícebajtových datových strukturách. Je-li nastaven (Mode 2), významnější bajty vícebajtových záznamů jsou přenášeny jako první, je-li v log. 0 (Mode 1), je tomu naopak. Je doporučeno používat pouze Mode 1.

Následující tabulka popisuje kódy CI pole definované pro rámce vysílané řídicí stanicí.

Mód 1	Mód 2	Aplikace
0x51	0x55	vyslání dat
0x52	0x56	volba účastnické stanice (slave)
0x50		reset aplikace
0x54		synchronizovaná akce
0xB8		nastavení baudové rychlosti na 300 Bd
0xB9		nastavení baudové rychlosti na 600 Bd
0xBA		nastavení baudové rychlosti na 1200 Bd
0xBB		nastavení baudové rychlosti na 2400 Bd
0xBC		nastavení baudové rychlosti na 4800 Bd
0xBD		nastavení baudové rychlosti na 9600 Bd
0xBE		nastavení baudové rychlosti na 19200 Bd
0xBF		nastavení baudové rychlosti na 38400 Bd
0xB1		žádost o čtení obsahu celé RAM
0xB2		vyslání uživ. dat (zápis do RAM)
0xB3		inicializace testu kalibrace
0xB4		čtení EEPROM
0xB6		spuštění programového testu
0x90 ¸ 0x97		kódy pro hashování

Kódy CI pole rámců užívaných řídicí stanicí (Master)

Další tabulka popisuje kódy CI pole definované pro rámce vysílané účastnickou stanicí.

Mód 1	Mód 2	Aplikace
0x70		hlášení obecných chyb aplikace
0x71		hlášení stavu varování
0x72	0x76	odezva s proměnným formátem rámce
0x73	0x77	odezva s pevným formátem rámce

Kódy CI pole rámců vysílaných účastnickou stanicí

Podrobnější popis použití všech těchto kódů a formátu příslušných rámců jde nad rámec tohoto příspěvku, zájemce o implementaci je nalezne ve standardu nebo například na www.m-bus.com.

Rámec s pevnou strukturou dat

V rámci s pevnou strukturou dat mohou být přenášeny stavy maximálně dvou čítačů. Tento formát není doporučen pro další vývoj ( původně určen pro měření odběru tepla atd.) a je součástí standardu pouze z důvodu zachování zpětné kompatibility.

Identifikační číslo	Čítač přístupů	Status	Médium/Jednotka	Čítač 1	Čítač 2
4 bajty	1 bajt	1 bajt	2 bajty	4 bajty	4 bajty

Formát datového pole rámce s pevnou strukturou dat

Identifikační číslo (Identification Number) je sériové číslo přiřazené během výroby. Je kódováno v osmi BCD číslicích, jeho rozsah je tedy 0 ¸ 99999999. Čítač přístupů (Access Number) je binární čítač, inkrementovaný po každém odeslání datového rámce účastnickou stanicí. Slouží ke kontrole konzistence dat na úrovni aplikačního protokolu. Položka Status obsahuje bitovou mapu, která definuje kódování údajů v polích obou čítačů a zároveň umožňuje základní hlášení chybových stavů. Položka Médium/Jednotka (Medium/Unit) obsahuje kódovaný údaj o měřeném médiu a o jednotkách obou čítačů. Položky Čítač 1 a Čítač 2 (Counter 1, Counter 2) pak obsahují údaje o množství odebraného média.

Rámec s proměnnou strukturou dat

V tomto rámci může být přenášen libovolný počet hodnot, omezený pouze maximální délkou datového pole.

Pevná hlavička dat	Proměnné datové bloky	MDH	Specifická data výrobce
12 bajtů	variabilní počet	1 bajt	variabilní počet

Formát datového pole rámce s proměnnou strukturou dat

Pevná hlavička dat (Fixed Data Header) - obsahuje položky jako jsou Identifikační číslo, Výrobce, verze, médium, číslo přístupu podpis

Proměnný datový blok (Variable Data Block) - Maximální délka tohoto bloku je 240 bajtů a je složen z Hlavičky datového záznamu a bloku dat. Hlavička obsahuje informační blok dat a informační blok hodnoty.

Hlavičky dat výrobce (MDH - Manufacturer Data Header) - uvádí následující blok Specifická data výrobce (Manufacturer Specific Data Block) a oba obsah bloky není satndardem charakterizován.

Přesnou strukturu uvedených bloků a další podrobnosti lze nalézt odkazech.

PŘÍKLADY POUŽITÍ V PRAXI

Součástky

M-BUS transreceiver - například integrovaný obvod Texas Instruments TSS721A - viz datasheet www.m-bus.com/files/slas222.pdf.

Příklad použití integrovaných M- BUS převodníků Texas Instruments TSS721A

Existující komponenty pro M-BUS

centrály M-BUS sítě - slouží k identifikaci nově připojených přístrojů (automatické vyhledávání),umožňuje přímý přístup prostřednictvím PC k M-Bus přístrojům ( přímo nebo přes modem), pravidelně kontroluje M-BUS přístroje, hlásí alarmy.

Příklad centrál pro M-BUS

Příklad realizace řídící stanice s PC a centrálou OZW111 firmy Landis&Staefa

opakovače
přepínače (switch) - dovolují vytvořit síť pro více než 250 stanic a topologii typu strom nebo hvězda
řadiče zóny
převodníky: M-BUS/RS-232, M-BUS/RS-485, M-BUS/proudová smyčka 4-20mA, M-BUS/optické signály, M-BUS/ různé firemní sítě
Příklad měřiče tepla a regulátoru pro dálkové vytápění s přístupem na M-BUS
regulátory topných systémů (regulátory pro dálkové vytápění)
M-BUS interface + řídící a testovací software pro PC - komponenty pro PC, které slouží k přímému řízení sítě M-BUS ( řídící stanice), bez nutnosti využít tzv. centrály.

Příklad topologie sítě

Příklad topologie sítě M-BUS (pro zvětšení stačí kliknout na obrázek)

Závěr

Komunikační síť M-BUS byla vyvinuta jako úzce specializovaná datová síť hlavně pro oblast měření spotřeby a MaR (Měření a Regulace). Z této specializace plynou nároky na tuto síť a tedy i její vlastnosti. Základní topologií sítě je typ sběrnice, ale s využitím přepínačů a síťové vrstvy standardu, lze vytvořit i stromovou strukturu nebo hvězda. Samotný standard stále podléhá dalšímu vývoji podle nároků v oboru, ale je již rozšířen a podporován mnoha výrobci zařízení pro uvedenou oblast automatizace.

Článek připravil z materiálů na níže uvedených odkazech: Antonín Vojáček

(Pozn. pro pamětníky: článek byl v mírně odlišné podobě vydán již v roce 2004)