何惠湘

（南通航運職業(yè)技術學院，江蘇 南通 226010）

HBS在多聯(lián)中央空調(diào)中的應用

何惠湘

（南通航運職業(yè)技術學院，江蘇 南通 226010）

HBS以其高可靠性、接線方便等優(yōu)點被廣泛應用在多聯(lián)中央空調(diào)產(chǎn)品中。文章詳細介紹了HBS驅(qū)動芯片MM1192及與之相連的通信電路的設計及工作過程分析，對多聯(lián)中央空調(diào)產(chǎn)品控制器HBS協(xié)議的應用進行了探討。

HBS；多聯(lián)中央空調(diào)；通信電路；控制器

1　HBS總線概述

家庭總線系統(tǒng)（Home Bus System，HBS），是由日本電子工業(yè)聯(lián)合會/無線工程電子協(xié)會HBS標準委員會制定，由1條同軸電纜和4對雙絞線介質(zhì)構成，前者用于傳輸圖像信息，后者用于傳輸語音、數(shù)據(jù)和控制信號。各類家用設備均按一定方式與HBS相連，控制通道由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層組成，其協(xié)議內(nèi)容包含了如何通過傳輸介質(zhì)將家庭設備、電話、音/視頻裝置連接達到控制，在現(xiàn)代家居系統(tǒng)中較為常見。

多聯(lián)中央空調(diào)俗稱“多聯(lián)機”，越來越多的家庭、工廠、學校及公共場所安裝了這種空調(diào)。HBS技術也被廣泛應用到空調(diào)領域產(chǎn)品中，其中雙絞線通信方式尤其被各大制冷設備企業(yè)青睞，特別是多聯(lián)中央空調(diào)的室內(nèi)外機組通訊總線、線控器與室內(nèi)機組通信總線、室外機組間通信總線。目前，大金、日立、海信日立、海爾等品牌的多聯(lián)中央空調(diào)產(chǎn)品使用了HBS通信。

2　HBS驅(qū)動芯片

目前HBS驅(qū)動芯片多采用日本Mitsumi（三美）公司的MM1192芯片，它是Mitsumi公司較新的HBS IC，控制相對簡單,且符合HBS標準，具有DATA收發(fā)功能。信號收發(fā)信號波形采用AMI方式，用于與雙絞線的連接。MM1192芯片主要特點：節(jié)省空間；高可靠性；脈沖變壓器置換；可在5V單個電源下工作；低成本；設計簡單；外接零件少。圖1所示為MM1192芯片端子圖。

MM1192芯片主要由接收電路（Reception Circuit）和發(fā)送電路（Transmission Circuit）組成，第二部分電路的工作原理如下。

（1）接收電路的工作原理。MM1192芯片通過pin15，pin16采集HBS總線上差分信號，之后與芯片內(nèi)部的4.8V比較，再將比較結果轉(zhuǎn)換為“1”“0”數(shù)字信號，最終在pin1腳輸出。

（2）發(fā)送電路的工作原理。MM1192芯片通過pin6采集“1”“0”數(shù)字信號，之后經(jīng)過觸發(fā)器、與非門觸發(fā)三極管導通，最終在pin15，pin16腳輸出差分信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在HBS總線上的AMI編碼型差分信號傳輸。DATAINB（pin6）的信號經(jīng)內(nèi)部電路處理后，發(fā)送到OUTA（pin9），OUTB（pin10），波形變?yōu)閷ΨQ互補的三進制信號電平。

圖1　MM1192芯片端子圖

圖2為MM1192芯片信號傳輸時序圖。由圖所示，HBS總線信號是經(jīng)過AMI編碼方式處理的雙極性信號，較二進制抗干擾性更好，基帶信號無直流分量，且只有很小的低頻分量。

圖2　MM1192芯片信號傳輸時序圖

3　HBS總線在多聯(lián)空調(diào)中的應用

3.1HBS總線通信電路設計

HBS總線通信，我們也稱為H-LINK通信，圖3為HBS總線通信電路設計圖。MM1192芯片傳輸信號使用脈寬編碼的方式，要求傳輸信號的頻率最大在 10 kHz左右，一般選取為9.6 k，即9.6 kbps。

圖3　HBS總線通信電路設計圖

為了使用標準的UART串行通訊口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，采用如下的邏輯定義，邏輯“0”：52 μs低電平，52 μs高電平；邏輯“1”：104 μs高電平。其中圖4所示為編碼邏輯“0”“1”波形，圖5所示為UART邏輯“0”“1”波形。

圖4　編碼邏輯“0”“1”波形　　圖5 UART邏輯“0”“1”波形

通過硬件對波形進行處理，可以處理為標準的異步串行通信邏輯定義。

3.2HBS通信電路工作過程分析

（1）數(shù)據(jù)接收過程。在圖3中，載波的差分信號從HBS總線傳輸過來，經(jīng)過C22，C23、R47，R48的耦合到達MM1192芯片的15，16腳，經(jīng)過芯片內(nèi)部接收電路處理后，將有效的數(shù)字信號從1腳DATA OUT輸出，此時的波形經(jīng)過傳輸和處理會有失真的可能，通信電路中使用D23，D24，R45，C17進行一次整形處理，使編碼信號的波形的上升沿和下降沿變得更為陡峭，以減少誤碼率，最后數(shù)據(jù)輸入到上位機的MCU接收引腳。同時為了對接收信號進行及時處理，數(shù)據(jù)輸入同時觸發(fā)芯片的中斷處理。

（2）數(shù)據(jù)發(fā)送過程。數(shù)據(jù)由MCU發(fā)出，配合時鐘信號，經(jīng)過二極管D21，D22，將兩個信號“線或”，送到MM1192芯片的第6腳DATA IN，經(jīng)發(fā)送電路的處理成為差分信號，由9，10腳OUT（A），OUT（B）輸出。為了保證通信距離，避免MM1192芯片內(nèi)置驅(qū)動能力不足，選用外置的Q6，Q7兩個三極管增加驅(qū)動能力，信號經(jīng)過C21，C22的耦合后到達輸出端口。

只有當OUT（A），OUT（B）信號存在高低差值時，識別為“0”；沒有電壓差異，識別為“1”，與OUT（A），OUT （B）哪個的信號無關。因此兩個信號不需要進行區(qū)分，就是通常說的“無極性”。圖6所示為數(shù)據(jù)發(fā)送理想波形。

實際中的器件發(fā)送時間延遲Td1，Td2，Td3，Td4，分別為0.4 μs，0.5 μs，1.0 μs，1.2 μs，使用時需要考慮這些時間延遲。圖7所示為數(shù)據(jù)發(fā)送實際波形。

圖6　數(shù)據(jù)發(fā)送理想波形

圖7　數(shù)據(jù)發(fā)送實際波形

3.3HBS協(xié)議的應用

在多聯(lián)中央空調(diào)系統(tǒng)中，HBS總線通信方式一般都采取半雙工（無極性2線制，但在發(fā)送數(shù)據(jù)時是全雙工），異步傳輸方式，起始位長1 bit，數(shù)據(jù)位長8 bit，采用奇/偶校驗，停止位1 bit，傳送速度9.6 kbps。

有些多聯(lián)中央空調(diào)系統(tǒng)比較龐大，室外機組多達4臺并聯(lián)，每組室外機組又連接著最多可達256臺室內(nèi)機組，每個室內(nèi)機組有自己的線控器或遙控器。如此龐大的控制系統(tǒng)，必然存在很多的數(shù)據(jù)交換：室外機組間需要進行控制協(xié)調(diào)，室外機組與室內(nèi)機組間存在各種命令發(fā)送、機組運行參數(shù)狀態(tài)報告、故障信息等數(shù)據(jù)；室內(nèi)機組與線控器間也是這樣。

4　發(fā)送數(shù)據(jù)及接收數(shù)據(jù)的處理過程

4.1發(fā)送數(shù)據(jù)

空調(diào)機組控制器的通信狀態(tài)始終處于接收信號狀態(tài)下，只有滿足下列條件開始發(fā)送信號：需要向外部（其他控制器）要求數(shù)據(jù)；有來自外部（其他控制器）的需求；收到數(shù)據(jù)（回復ACK）；定時通信；在機組電控檢驗、線路板自檢、上位機有數(shù)據(jù)要求時。

當空調(diào)機組控制器有發(fā)送通信請求發(fā)生時，為避免通信線路上數(shù)據(jù)沖突，需要檢出數(shù)據(jù)上的載波，確認線路上無任何信號后再發(fā)送信號。檢測的方法是將信號輸入端與MCU中斷輸入端口短接，如果中斷沒有在載波檢出時間以外發(fā)生，則認為通信線路上沒有載波信號。通信口接收到通信數(shù)據(jù)而引起外部中斷，中斷程序?qū)?shù)據(jù)進行接收處理，自身發(fā)送的數(shù)據(jù)也進行中斷接收處理。

空調(diào)機組控制器數(shù)據(jù)發(fā)送以全雙工的方式進行，單片機（MCU）對接收到的自身發(fā)出數(shù)據(jù)檢出奇偶校驗故障、幀故障、超限故障、自身發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)不一致時，則認為在通信線路上存在數(shù)據(jù)沖突，但識別碼不進行沖突檢出。如果接收檢出奇偶校驗故障、幀故障、超限故障，則中止接收，此前接收到的數(shù)據(jù)廢棄，變?yōu)樽R別碼等待狀態(tài)。

通信數(shù)據(jù)收到后，空調(diào)機組控制器在下列場合需進行回信處理。

（1）控制器發(fā)送通信數(shù)據(jù)時發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，需再次重復數(shù)據(jù)發(fā)送，通信數(shù)據(jù)重發(fā)時，不進行載波檢出，對于ACK不回信。

（2）控制器自身數(shù)據(jù)發(fā)送后，一定時間內(nèi)（可設6 ms）不能接收到來自外部的回信，就再次發(fā)送通信數(shù)據(jù)。但發(fā)送廣播數(shù)據(jù)時，不進行無應答檢查。在向沒有物理連接的部分發(fā)送數(shù)據(jù)時（例如空調(diào)室內(nèi)機組遙控器與室內(nèi)機組之間為無物理連接），ACK和NAK在一定時間內(nèi)（可設6 ms）返回，否則再次發(fā)送通信數(shù)據(jù)。對于自身向無物理連接部分發(fā)送數(shù)據(jù)的情況，應以得到反饋的信息為準。

（3）如果控制器已經(jīng)連續(xù)進行了兩次重發(fā)數(shù)據(jù)都沒有收到回信，則需延長較長一段時間再啟動重發(fā)（可設100 ms），如果發(fā)送對象為多個，則100 ms后就變更對象發(fā)送；如果在100 ms中止期間接收到了其他部分的通信數(shù)據(jù)（ACK/NAK除外），就終止100 ms等待期，不再待機，設定載波檢出時間。

（4）空調(diào)機組控制器發(fā)送信息后，如果收到NAK后需進行數(shù)據(jù)重發(fā)。

（5）控制器連續(xù)進行了3次同一發(fā)送對象的嘗試（即中間停頓了2次100 ms）或所有的發(fā)送對象地址均嘗試完畢后，等待較長一段時間（可設10 s），重新開始，直到一定時間后（可設3分鐘），認為出現(xiàn)通信故障：包括控制器自身故障和通信對象故障。

（6）控制器自身故障，每隔10 s時間重復上述過程；對于通信對象故障，不再重復。

4.2接收數(shù)據(jù)

如果空調(diào)機組控制器接收數(shù)據(jù)有效，對發(fā)送方（要求回送數(shù)據(jù)的除外）發(fā)送“ACK”，但是對于廣播信息不發(fā)送“ACK”，發(fā)送方在接收到“ACK”數(shù)據(jù)一定時間（可設4 ms）內(nèi)對其他部分（例如其他空調(diào)機組室內(nèi)機組控制器）發(fā)送數(shù)據(jù)；空調(diào)機組控制器接收數(shù)據(jù)有效時，對來信部分要求回送數(shù)據(jù)的，應根據(jù)要求向發(fā)送方直接回應數(shù)據(jù)，回信應該在一定時間內(nèi)（可設4 ms）；空調(diào)機組控制器接收到數(shù)據(jù)后，需進行校驗，如果接收故障發(fā)生，或內(nèi)容異常，則接收到的數(shù)據(jù)作廢，需向發(fā)送方（要求會送數(shù)據(jù)的除外）發(fā)送“NAK”，發(fā)送方在接收到“NAK”數(shù)據(jù)一定時間（可設4 ms）內(nèi)對其他部分（例如其他空調(diào)機組室內(nèi)機組控制器）發(fā)送數(shù)據(jù)。

如果接收到的發(fā)送數(shù)據(jù)的地址與控制器自身地址不同，則接收到的數(shù)據(jù)作廢。如地址相同，則將接收到的數(shù)據(jù)存放到控制器MCU設定的存儲單元。

5　結語

HBS總線是雙絞線無極性連接，特別適用于多聯(lián)機空調(diào)等需要現(xiàn)場施工的設備；電路可靠，抗干擾能力很強；總線拓撲方式靈活，對節(jié)點限制??；成本低；通訊距離長；方便組成多主或?qū)Φ染W(wǎng)絡；即插即用，地址自動競爭；可兩條線同時實現(xiàn)供電和通訊（如空調(diào)線控器）。

通過MM1192總線控制芯片，利用單片機MCU可對多聯(lián)中央空調(diào)系統(tǒng)進行包括開關機、制冷/熱、通風、設定溫度等常規(guī)控制，也可進行空調(diào)運行數(shù)據(jù)（如溫度、壓力等系統(tǒng)參數(shù)及電流、電壓等）的采集和傳遞，通過一套HBS總線可將多達256臺室內(nèi)機組進行聯(lián)網(wǎng)控制，也可通過上位機電腦軟件界面對多組空調(diào)機組進行集中監(jiān)控或計費。目前，這種方式在現(xiàn)實生活中得到了越來越廣泛的應用。

[1]王志剛，徐秋生，俞炳豐.變頻控制多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006.

[2]劉洋.基于HBS總線的商用空調(diào)系統(tǒng)的GSM遠程控制器的設計與實現(xiàn)[D].濟南：山東大學，2011.

Application of HBS in multi-connected central air conditioning

He Huixiang
（Nantong Shipping College, Nantong 226010, China）

HBS with its high reliability, easy wiring and other advantages is widely used in multi-connected central air conditioning products. In this paper, the HBS driver chip MM1192 and its communication circuit design and working process analysis are introduced in detail, and the application of the HBS protocol in the multi-connnected of the central air conditioning product controller is discussed.

HBS; multi-connected central air conditioning; communication circuit; controller

何惠湘（1972— ），女，湖南常寧，碩士，副教授；研究方向：控制工程。