何惠湘

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010）

HBS在多聯(lián)中央空調(diào)中的應(yīng)用

何惠湘

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010）

HBS以其高可靠性、接線方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在多聯(lián)中央空調(diào)產(chǎn)品中。文章詳細(xì)介紹了HBS驅(qū)動(dòng)芯片MM1192及與之相連的通信電路的設(shè)計(jì)及工作過程分析，對(duì)多聯(lián)中央空調(diào)產(chǎn)品控制器HBS協(xié)議的應(yīng)用進(jìn)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(huì)/無線工程電子協(xié)會(huì)HBS標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定，由1條同軸電纜和4對(duì)雙絞線介質(zhì)構(gòu)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(hào)。各類家用設(shè)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(yīng)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(shè)備、電話、音/視頻裝置連接達(dá)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(jī)”，越來越多的家庭、工廠、學(xué)校及公共場(chǎng)所安裝了這種空調(diào)。HBS技術(shù)也被廣泛應(yīng)用到空調(diào)領(lǐng)域產(chǎn)品中，其中雙絞線通信方式尤其被各大制冷設(shè)備企業(yè)青睞，特別是多聯(lián)中央空調(diào)的室內(nèi)外機(jī)組通訊總線、線控器與室內(nèi)機(jī)組通信總線、室外機(jī)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(dòng)芯片

目前HBS驅(qū)動(dòng)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(duì)簡單,且符合HBS標(biāo)準(zhǔn)，具有DATA收發(fā)功能。信號(hào)收發(fā)信號(hào)波形采用AMI方式，用于與雙絞線的連接。MM1192芯片主要特點(diǎn)：節(jié)省空間；高可靠性；脈沖變壓器置換；可在5V單個(gè)電源下工作；低成本；設(shè)計(jì)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(hào)，之后與芯片內(nèi)部的4.8V比較，再將比較結(jié)果轉(zhuǎn)換為“1”“0”數(shù)字信號(hào)，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(hào)，之后經(jīng)過觸發(fā)器、與非門觸發(fā)三極管導(dǎo)通，最終在pin15，pin16腳輸出差分信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在HBS總線上的AMI編碼型差分信號(hào)傳輸。DATAINB（pin6）的信號(hào)經(jīng)內(nèi)部電路處理后，發(fā)送到OUTA（pin9），OUTB（pin10），波形變?yōu)閷?duì)稱互補(bǔ)的三進(jìn)制信號(hào)電平。

圖1　MM1192芯片端子圖

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

圖2　MM1192芯片信號(hào)傳輸時(shí)序圖

3　HBS總線在多聯(lián)空調(diào)中的應(yīng)用

3.1HBS總線通信電路設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)圖。MM1192芯片傳輸信號(hào)使用脈寬編碼的方式，要求傳輸信號(hào)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(shè)計(jì)圖

為了使用標(biāo)準(zhǔn)的UART串行通訊口實(shí)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(duì)波形進(jìn)行處理，可以處理為標(biāo)準(zhǔn)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(hào)從HBS總線傳輸過來，經(jīng)過C22，C23、R47，R48的耦合到達(dá)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(hào)從1腳DATA OUT輸出，此時(shí)的波形經(jīng)過傳輸和處理會(huì)有失真的可能，通信電路中使用D23，D24，R45，C17進(jìn)行一次整形處理，使編碼信號(hào)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(jī)的MCU接收引腳。同時(shí)為了對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行及時(shí)處理，數(shù)據(jù)輸入同時(shí)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(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)過二極管D21，D22，將兩個(gè)信號(hào)“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(hào)，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(dòng)能力不足，選用外置的Q6，Q7兩個(gè)三極管增加驅(qū)動(dòng)能力，信號(hào)經(jīng)過C21，C22的耦合后到達(dá)輸出端口。

只有當(dāng)OUT（A），OUT（B）信號(hào)存在高低差值時(shí)，識(shí)別為“0”；沒有電壓差異，識(shí)別為“1”，與OUT（A），OUT （B）哪個(gè)的信號(hào)無關(guān)。因此兩個(gè)信號(hào)不需要進(jìn)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(shí)際中的器件發(fā)送時(shí)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(shí)需要考慮這些時(shí)間延遲。圖7所示為數(shù)據(jù)發(fā)送實(shí)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(shí)際波形

3.3HBS協(xié)議的應(yīng)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(shí)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(yàn)，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(jī)組多達(dá)4臺(tái)并聯(lián)，每組室外機(jī)組又連接著最多可達(dá)256臺(tái)室內(nèi)機(jī)組，每個(gè)室內(nèi)機(jī)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(jī)組間需要進(jìn)行控制協(xié)調(diào)，室外機(jī)組與室內(nèi)機(jī)組間存在各種命令發(fā)送、機(jī)組運(yùn)行參數(shù)狀態(tài)報(bào)告、故障信息等數(shù)據(jù)；室內(nèi)機(jī)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(jī)組控制器的通信狀態(tài)始終處于接收信號(hào)狀態(tài)下，只有滿足下列條件開始發(fā)送信號(hào)：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(fù)ACK）；定時(shí)通信；在機(jī)組電控檢驗(yàn)、線路板自檢、上位機(jī)有數(shù)據(jù)要求時(shí)。

當(dāng)空調(diào)機(jī)組控制器有發(fā)送通信請(qǐng)求發(fā)生時(shí)，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(rèn)線路上無任何信號(hào)后再發(fā)送信號(hào)。檢測(cè)的方法是將信號(hào)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(shí)間以外發(fā)生，則認(rèn)為通信線路上沒有載波信號(hào)。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(jìn)行接收處理，自身發(fā)送的數(shù)據(jù)也進(jìn)行中斷接收處理。

空調(diào)機(jī)組控制器數(shù)據(jù)發(fā)送以全雙工的方式進(jìn)行，單片機(jī)（MCU）對(duì)接收到的自身發(fā)出數(shù)據(jù)檢出奇偶校驗(yàn)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(shí)，則認(rèn)為在通信線路上存在數(shù)據(jù)沖突，但識(shí)別碼不進(jìn)行沖突檢出。如果接收檢出奇偶校驗(yàn)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(shí)別碼等待狀態(tài)。

通信數(shù)據(jù)收到后，空調(diào)機(jī)組控制器在下列場(chǎng)合需進(jìn)行回信處理。

（1）控制器發(fā)送通信數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，需再次重復(fù)數(shù)據(jù)發(fā)送，通信數(shù)據(jù)重發(fā)時(shí)，不進(jìn)行載波檢出，對(duì)于ACK不回信。

（2）控制器自身數(shù)據(jù)發(fā)送后，一定時(shí)間內(nèi)（可設(shè)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(shí)，不進(jìn)行無應(yīng)答檢查。在向沒有物理連接的部分發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)（例如空調(diào)室內(nèi)機(jī)組遙控器與室內(nèi)機(jī)組之間為無物理連接），ACK和NAK在一定時(shí)間內(nèi)（可設(shè)6 ms）返回，否則再次發(fā)送通信數(shù)據(jù)。對(duì)于自身向無物理連接部分發(fā)送數(shù)據(jù)的情況，應(yīng)以得到反饋的信息為準(zhǔn)。

（3）如果控制器已經(jīng)連續(xù)進(jìn)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(shí)間再啟動(dòng)重發(fā)（可設(shè)100 ms），如果發(fā)送對(duì)象為多個(gè)，則100 ms后就變更對(duì)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(jī)，設(shè)定載波檢出時(shí)間。

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

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

（6）控制器自身故障，每隔10 s時(shí)間重復(fù)上述過程；對(duì)于通信對(duì)象故障，不再重復(fù)。

4.2接收數(shù)據(jù)

如果空調(diào)機(jī)組控制器接收數(shù)據(jù)有效，對(duì)發(fā)送方（要求回送數(shù)據(jù)的除外）發(fā)送“ACK”，但是對(duì)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(shí)間（可設(shè)4 ms）內(nèi)對(duì)其他部分（例如其他空調(diào)機(jī)組室內(nèi)機(jī)組控制器）發(fā)送數(shù)據(jù)；空調(diào)機(jī)組控制器接收數(shù)據(jù)有效時(shí)，對(duì)來信部分要求回送數(shù)據(jù)的，應(yīng)根據(jù)要求向發(fā)送方直接回應(yīng)數(shù)據(jù)，回信應(yīng)該在一定時(shí)間內(nèi)（可設(shè)4 ms）；空調(diào)機(jī)組控制器接收到數(shù)據(jù)后，需進(jìn)行校驗(yàn)，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(huì)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(shí)間（可設(shè)4 ms）內(nèi)對(duì)其他部分（例如其他空調(diào)機(jī)組室內(nèi)機(jī)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(shè)定的存儲(chǔ)單元。

5　結(jié)語

HBS總線是雙絞線無極性連接，特別適用于多聯(lián)機(jī)空調(diào)等需要現(xiàn)場(chǎng)施工的設(shè)備；電路可靠，抗干擾能力很強(qiáng)；總線拓?fù)浞绞届`活，對(duì)節(jié)點(diǎn)限制??；成本低；通訊距離長；方便組成多主或?qū)Φ染W(wǎng)絡(luò)；即插即用，地址自動(dòng)競爭；可兩條線同時(shí)實(shí)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(jī)MCU可對(duì)多聯(lián)中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行包括開關(guān)機(jī)、制冷/熱、通風(fēng)、設(shè)定溫度等常規(guī)控制，也可進(jìn)行空調(diào)運(yùn)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(dá)256臺(tái)室內(nèi)機(jī)組進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制，也可通過上位機(jī)電腦軟件界面對(duì)多組空調(diào)機(jī)組進(jìn)行集中監(jiān)控或計(jì)費(fèi)。目前，這種方式在現(xiàn)實(shí)生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)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(xué)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(yuǎn)程控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，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。