作者：陶淦 石靖峰 何成军 林文涛 赵晓青 武景涛
来源：《青岛大学学报（工程技术版）》2021年第03期
金属表面耐磨涂层 摘要： 针对家庭总线系统（home bus system，HBS）通讯回路采用黑盒测试其可靠性存在测评工作量大的问题，本文主要对HBS通讯回路硬件电路进行仿真分析。通过对HBS通讯回路的技术研究，利用专业的仿真软件Stspice，建立HBS通讯回路3个核心仿真模型，提出一种新的白盒测试方式。测试结果表明，采用白盒测试方法，将HBS通讯回路的评测工作量缩减50%，其测试方法远优于现有的黑盒测试方式，而且该方法能够有效定 位硬件电路的故障区域，解决了HBS通讯回路在不同商用空调基板上应用的适应性问题。该研究对多联机中央空调HBS回路的可靠性评价具有一定的指导意义。
关键词： 家庭总线系统; 仿真模型; 白盒测试; 可靠性评价; 定位; 适应性
中图分类号： TP368.1 文献标识码： A
收稿日期： 20210224; 修回日期： 20210415
作者简介： 陶淦（1978），男，学士，工程师，主要研究方向为中央空调。 Email： *************************
随着社会的发展和技术的进步，越来越多的企业和家庭安装使用多联机中央空调，而HBS通讯方式在中央空调产品中具有最广泛的应用。近年来，对HBS通讯的研究较多，任兆亭[1]研究了基于RS_232_485与Hom_省略_s总线的协议转换模块;赵连池[2]主要对HBS现场总线技术在多联式空调器中的应用进行研究;刘洋[3]基于HBS总线设计了商用空调系统GSM远程控制器;李文阳[4]对小型水源多联式空调控制系统的设计与实现方法进行研究;宋涛[5]研究了基于HBS的温室空调控制器;马艳峥[6]对基于HBS协议的智能家庭控制网络进
行设计;何惠湘[7]研究了HBS在多联中央空调中的应用;石靖峰等人[8]设计了PIC32MX单片机的无同步时钟电路HBS通信。以上研究重点是软件架构和不同场景的实现方式，李志希等人[911]的专利布局也是针对软件架构来实现，而对于软件载体硬件电路的研究和仿真甚少。硬件电路对空调控制系统性能的稳定具有重要意义，任何小的改动都需要大量的性能测试和兼容性测试，整改验证过程往往需要1年以上。目前，由于通讯应用场景的快速变化，要求通讯电路不断提升负荷和抗干扰能力，但验证过程太耗时，影响技术的更新速度。因此，本文主要对HBS通讯回路硬件电路进行仿真分析，仿真结果表明，在不同通讯距离和不同频率等因素影響下，该测试方法可以快速验证电路，通讯信号符合标准，加快了HBS通讯电路的技术更新速度。该研究对空调控制系统的性能稳定具有重要意义。 1 HBS通讯回路硬件电路组成及工作原理
家庭总线系统（home bus system，HBS）的概念是由日立、三菱、松下和东芝等日系企业联合提出，由日本电子工业联合会/无线工程电子协会HBS标准委员会制定的标准。HBS以双绞线或同轴电缆为通讯介质，控制通道最多可以有64个节点[12]。
HBS驱动芯片多采用日本Mitsumi公司的MM1192[13]芯片，它是Mitsumi公司较新的H
BS IC，控制相对简单，且符合HBS标准，具有DATA收发功能。信号收发信号波形采用交替传号反转码[14]（aliernate mark inversion code，AMI）方式，用于与双绞线的连接。上海芯龙半导体在MM1192的基础上，推出了HH1198驱动芯片，减少了芯片外围的电路[15];美国美信半导体也推出了类似的MAX22088[16]驱动芯片，与MM1192争夺市场。
HBS总线上的信号采用脉宽编码方式。由于选用HBS通信芯片要求传输信号的频率最大在10 kHz左右，所以采用50 μs低电平，50 μs高电平表示逻辑“0”，104 μs高电平表示逻辑“1”，采用这种方式抗干扰能力强。接收端通过计算两个下降沿之间的时间，判断逻辑“0”和逻辑“1”。
HBS通讯硬件回路图如图1所示。图1中，调制回路、解调回路以及基板之间互联的回路是HBS通讯的3个关键回路。
2 调制回路理论建模
调制回路是由通讯时钟CLK与通讯数据Data进行AMI编码合成，最终生成一组差分信号，并输入到MM1192第6脚[17]。采用专业仿真软件STspice，参考相应的数据应用手册[1
8]，对调制回路进行建模，调制回路仿真模型如图2所示。V1是模拟供电回路的5 V电压源，V3是模拟通讯时钟CLK信号（初始电平为低电平，占空比50%，周期为104 μs），V2是模拟Data信号（初始电平为高电平，占空比为25.24%，周期为412 μs）。模拟的Data和CLK信号分别通过三极管Q2和Q1进行或非门处理，经过Q3输入到MM1192第6脚。
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3 硬件电路仿真分析
3.1 调制回路硬件电路仿真分析
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当CLK或Data为高电平时，I1=5 V/1 kΩ=5 mA，电容放电公式为
I1Δt=CΔU（1）
式中，C=0.022 μF，ΔU=5 V，计算可得Δt=4 μs。
当CLK和Data同时为低电平时，5 V通过R5（1 kΩ）给电容C1充电，充电时间常数为
τ=RC（2）
Von=5×（1-（-t/τ））（3）
闺门旦>寻梦奇地 式中，τ为R5（1 kΩ电阻）和C1（0.022 μF）电容充电的时间常数;Von为三极管Q3的开启电压;是自然对数;t为充电时间，s。
C1两端电压达到Von=1.4 V以上（其通过R6和R7两个10 kΩ电阻分压），即可达到Q3的开启电压0.7 V。根据式（2）和式（3），计算t=6.6 μs。
调制回路仿真波形T1=3.48 μs，T2=6.6 μs，该结果与计算数据相近，调试回路各结点仿真波形如图3所示。
图3中，CLK是通讯时钟信号，其频率为9 600 kHz，占空比为50%，仿真时需要用电压源V3来设置。具体仿真命令[18]是（0 5 52 μ 10 n 10 n 52 μ 104 μ 5），其中，0代表初始电压为0 V，5代表高电平是5 V，52 μ代表Toff时间是52 μs，10 n代表上升时间是10 ns，10 n代表下降时间是10 ns，104 μ代表周期是104 μs，5代表5个时钟周期。
Data的设置与CLK类似，仿真命令是（0 5 0 10 n 10 n 104 μ 412 μ 2）。
图3中，Vout是仿真输出;
C1是CLK和Data结合在一起的仿真波形;
T1是电容放电仿真时间，T1=3.48 μs;T2是电容充电时间，T2=6 μs。
>施图伦
