Маломощный физический уровень для шины в промышленном передатчике

Изобретение относится к передатчикам параметра производственного процесса. Его использование позволяет обеспечить технический результат в виде снижения потребляемой мощности. Передатчик параметра процесса содержит: соединения, которые соединяются и разъединяются с дополнительной нагрузкой, схему передатчика, схему приемника, схему ограничителя питания, устанавливающую первый предел тока питания и обеспечивающую выход сохраненной энергии, схему рецессивного возбудителя, отбирающую ток возбуждения с выхода сохраненной энергии и подающую ток возбуждения на последовательную шину, а также устанавливающую предел тока возбуждения, схему доминантного возбудителя, проводящую в основном состоянии ток возбуждения на общий проводник, а в неактивном ток возбуждения доступен при дополнительной нагрузке. 23 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится, в основном, к передатчикам параметра производственного процесса. В частности, настоящее изобретение относится к физическим уровням для протоколов цифровой передачи данных в таких передатчиках.

Предшествующий уровень техники

Передатчики регулируемого параметра производственного процесса могут быть модульными. Модульные передатчики могут быть собраны с различными функциональными модулями для обеспечения требуемого протокола вывода параметра процесса, корпуса полевой проводки, локального индикатора или других модульных функций. Функциональные модули устанавливаются либо непосредственно на передатчик, или, если это индикатор, в пределах около 30 метров от промышленного передатчика.

Передатчики параметра производственного процесса часто устанавливаются на таких участках промышленной установки, где может существовать опасность воспламенения окружающего газа. Протоколы вывода параметра процесса ограничены по энергии, чтобы избежать воспламенения газа при неисправности. Обычно используется двухпроводный контур 4-20 мА с ограниченной энергией, который обеспечивает подачу питания на передатчик.

Схемы в передатчике, которые измеряют параметр процесса и обеспечивают вывод этого параметра, используют большую часть минимального количества мощности, поступающего на передатчик, когда контур работает при токе 4 мА. Очень малая величина мощности, обычно 1-2 милливатта, поступает для питания нагрузок дополнительных устройств и для обмена цифровыми данными с функциональными модулями.

Краткое изложение существа изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является создание схемы с очень низкой потребляемой мощностью для подачи питания и обмена данными с функциональными модулями без превышения доступных пределов мощности в передатчике.

Поставленная задача решена путем создания передатчика параметра процесса, который содержит соединения, которые являются соединяемыми и разъединяемыми с дополнительной нагрузкой. Соединения включают в себя контакт шины и общий контакт. Передатчик параметра процесса также содержит схему передатчика, которая имеет общий провод, соединенный с общим контактом, а также шину питания, последовательный вход и последовательный выход.

Схема приемника в передатчике параметра процесса соединена с последовательным входом и с контактом шины посредством последовательной шины.

Схема ограничителя питания направляет ток питания с провода питания и обеспечивает выход сохраненной энергии. Схема ограничителя питания устанавливает предел тока питания.

Схема рецессивного возбудителя направляет ток возбуждения с выхода сохраненной энергии и подает ток возбуждения на последовательную шину, при этом схема рецессивного возбудителя устанавливает предел тока возбуждения.

Схема доминантного возбудителя подключена между последовательным выходом и последовательной шиной. Схема доминантного возбудителя имеет основное состояние, в котором она проводит ток возбуждения, и неактивное состояние, в котором ток возбуждения поступает на дополнительную нагрузку.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем настоящее изобретение поясняется нижеследующим подробным описанием со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг. 1 изображает общий вид модульного передатчика перепада давлений и функционального модуля согласно изобретению;

фиг. 2 изображает общий вид передатчика с соединениями в виде гибких проводников согласно изобретению;

фиг. 3 изображает блок-схему первого варианта выполнения передатчика параметра процесса согласно изобретению;

фиг. 4 изображает блок-схему второго варианта выполнения передатчика параметра процесса согласно изобретению;

фиг. 5-6 вместе изображают принципиальную схему физического уровня для шины в передатчике параметра процесса согласно изобретению;

фиг. 7 изображает принципиальную схему альтернативного варианта выполнения схемы запуска согласно изобретению;

фиг. 8 изображает принципиальную схему альтернативного варианта выполнения схемы ограничителя питания согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения

Передатчик параметра процесса снабжен шиной, которая запитывает любой функциональный модуль, подключенный к передатчику, и также осуществляет цифровую передачу данных от передатчика к функциональным модулям. Шина содержит физический уровень, который представляет собой схему с очень низкой потребляемой мощностью, которая обеспечивает как подачу питания, так и передачу данных по одному и тому же контакту шины без превышения допустимых пределов мощности в передатчике. Физический уровень включает в себя первый ограничитель тока, который устанавливает предел величины мощности, которую физический уровень отбирает от схемы передатчика, и обеспечивает выход сохраненной энергии для физического уровня. Физический уровень также включает в себя рецессивный возбудитель шины, который отбирает свой ток возбуждения с выхода сохраненной энергии и устанавливает дополнительный второй предел тока возбуждения. Физический уровень также включает в себя схему доминантного возбудителя, которая имеет неактивное состояние, в котором ток возбуждения доступен дополнительной нагрузке. Передатчик хорошо работает в пределах ограничений мощности протокола 4-20 мА или другого протокола вывода параметра процесса с ограниченной энергией и без создания помех измерению параметра процесса или обеспечению вывода регулируемого параметра процесса. Физический уровень может работать при 200 микроамперах или менее тока контура, так как физический уровень имеет низкие потери при переключении во время передачи данных без существенной потери помехоустойчивости.

Логические схемы комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник (КМОП), полевые транзисторы и маломощные операционные усилители и компараторы используются для минимизирования статической потребляемой мощности. Схемы ограничения тока управляют потреблением максимального и среднего тока.

На фиг. 1 представлен общий вид модульного передатчика 100 перепада давления и функционального модуля 102. Передатчик 100 включает в себя модуль 104 измерения давления, который может быть прикреплен болтами к копланарному фланцу 106 и соединительным муфтам 108 переходного фланца (показаны пунктирными линиями). Соединительные муфты 108 переходного фланца имеют резьбу и соединяются с трубами, имеющими резьбу, которые переносят технологическую текучую среду под давлением к передатчику 100 давления для измерения.

Передатчик 100 также содержит корпус 110 для электроники, который герметизирован с модулем 104 измерения давления. В корпусе 110 размещены электронные схемы передатчика (не показаны на фиг. 1), и корпус содержит электрический соединитель 112, который, предпочтительно, герметично уплотнен. Электрический соединитель 112 содержит ряд контактов, включающих контакт 114 шины и общий контакт 116 для соединения передатчика 100 с любым из множества функциональных модулей или дополнительных устройств.

Одним из функциональных модулей является функциональный модуль 102, который ввинчивается или наворачивается на электрический соединитель 112. Функциональный модуль 102 содержит схему 120 жидкокристаллического индикатора (ЖКИ). ЖКИ отображает текущую величину параметра процесса, определенного передатчиком 100, или другие данные, принимаемые от передатчика 100. Схема 120 ЖКИ соединена с контактом 114 шины и общим контактом 116. Схема ЖКИ запитывается от контакта 114 шины и также передает цифровые данные на контакт 114 шины и от него. Схема 120 жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) соединена с контактами 114, 116. Передатчик 100 параметра процесса подает питание и управляет схемой 120 жидкокристаллического индикатора. Схема 120 жидкокристаллического индикатора может быть расположена локально, как изображено на фиг. 1, или может быть расположена дистанционно от передатчика 100 регулируемого параметра процесса и удобно для наблюдения оператором. Схема 120 ЖКИ может находиться на расстоянии 100 футов от передатчика 100. Функциональные модули, такие как модуль температурного датчика или модуль датчика барометрического давления, также могут быть подсоединены к контактам 114, 116.

Функциональный модуль 102 содержит отсек полевой проводки (не показан), который закрывается крышкой 122 отсека. Полевая проводка 124 от системы управления процессом (не показана) проходит через резьбовое отверстие 126 соединительной коробки и подсоединяется к двухпроводному интерфейсу выхода передатчика 100. Соединитель 112 также содержит контакты, подключенные к двум проводам интерфейса выхода. Полевая проводка 124 подает питание на передатчик 100.

Передатчик 100, в свою очередь, подает питание и управляет схемой 120 ЖКИ при помощи контакта 114 шины и общего контакта 116. В некоторых случаях общий контакт 116 может использоваться в качестве обратного проводника как для шины, так и для двухпроводного интерфейса. Схемы передатчика 100 более подробно объясняются ниже в примерах (фиг. 3-8).

На фиг. 2 изображен передатчик 101 с соединениями 115, 117, 119 в виде гибких проводников. Передатчик 101 не имеет резьбового электрического соединителя, но вместо него имеет гибкие проводники 115, 117, 119 для соединения передатчика 101 с шиной или другими функциональными модулями или дополнительными устройствами. Конструкция, показанная на фиг. 2, может использоваться, например, с шиной Rapidfire. Гибкие проводники 115, 117, 119 являются соединяемыми и разъединяемыми дополнительной нагрузкой, они соединяются и разъединяются при помощи простых проводных соединений, таких как колпачковые гайки, винтовые клеммные колодки или другие известные соединяемые и разъединяемые соединения.

На фиг. 3 изображена блок-схема первого варианта выполнения передатчика 200 параметра процесса. Передатчик 200 измеряет параметр 202 процесса. Регулируемым параметром 202 процесса может быть перепад давления (фиг.1), манометрическое давление, абсолютное давление, расход, температура, pH, удельная проводимость текучей среды, плотность, химический состав или другие известные параметры материалов, обрабатываемых на технологической установке, такой как химический завод, бумажная фабрика, установка для обработки воды или т.п.

Передатчик 200 содержит корпус 204, который имеет электрический соединитель 206. Электрический соединитель 206 является соединяемым и разъединяемым с дополнительной нагрузкой (такой как функциональный модуль 102, фиг. 1). Соединитель 206 содержит контакт 208 шины и общий контакт 210, который в некоторых установках заземлен.

Передатчик 200 содержит схему 212 передатчика, которая имеет общий проводник 214, подключенный к общему контакту 210. Схема 212 передатчика включает проводник 216 питания, последовательный вход 218 и последовательный выход 220. Передатчик 200 содержит датчик 213 параметра процесса. В предпочтительном варианте датчик 213 процесса содержит датчик давления.

Схема 212 передатчика имеет двухпроводный интерфейс на выводах 222, 224 выхода передатчика, которые направляют ток 226 передатчика с двухпроводной шины управления процессом, такой как полевая проводка 124 (фиг. 1). Схема 212 передатчика устанавливает предел тока передатчика на двухпроводной шине управления процессом, равным примерно 25 миллиамперам. Двухпроводный контур управления процессом обеспечивает подачу питания на передатчик. В предпочтительном варианте двухпроводный интерфейс выхода передатчика содержит управляемый ток 4-20 мА. Цифровая сигнализация магистрального адресуемого дистанционного преобразователя (МАДП) также может накладываться на управляемый ток 4-20 мА для обеспечения цифровой передачи данных по контуру управления.

Передатчик 200 содержит схему 230 приемника, подключенную к последовательному входу 218 и к контакту 208 шины посредством последовательной шины 232. Схема 234 ограничителя питания направляет ток питания с проводника 216 питания и выхода 236 сохраненной энергии. Схема 234 ограничителя питания устанавливает предел тока питания для величины тока, который она может отбирать с проводника 216 питания. Предел тока питания обычно составляет очень малую величину, например 500 микроампер. Предел тока питания обеспечивает то, что расход мощности схемы физического уровня не может возбуждать ток выхода передатчика выше аварийного уровня контура (обычно 3,5 мА), даже если шина замыкается накоротко.

Передатчик 200 содержит также схему 238 рецессивного возбудителя, которая направляет или извлекает ток 240 возбуждения с выхода 236 сохраненной энергии. Схема 238 рецессивного возбудителя подает ток 240 возбуждения на последовательную шину 232. Схема 238 рецессивного возбудителя устанавливает предел тока возбуждения для величины тока 240 возбудителя. Предел тока возбуждения обычно составляет 5 миллиампер. Если конденсатор 284 накопителя (описан ниже в связи с фиг.5) истощен, схема предела тока питания все же ограничивает скорость перезаряда конденсатора 284 накопителя до 500 микроампер, тем самым поддерживая контур 4-20 мА в пределах аварийного низкого уровня. Альтернативно, предел схемы рецессивного возбудителя устанавливается на 5 мА, чтобы удерживать конденсатор 284 накопителя от полного разряда при первом состоянии с низким уровнем на шине. Предел тока рецессивного возбудителя устанавливается достаточно высоким, чтобы возбуждать 100 футов емкости кабеля плюс входную емкость ЖКИ из состояния с НИЗКИМ уровнем в состояние с ВЫСОКИМ уровнем за 2/8 от времени передачи бита.

Передатчик 200 также содержит схему 242 доминантного возбудителя, подсоединенную между последовательным выходом 220 и последовательной шиной 232. Схема 242 доминантного возбудителя имеет основное состояние, в котором она проводит ток 240 возбуждения, и неактивное состояние, в котором ток 240 возбуждения доступен нагрузке дополнительного устройства, подсоединенной к контакту 208 шины и общему контакту 210. Во время неактивного состояния схема 238 рецессивного возбудителя обеспечивает подачу питания на нагрузку дополнительного устройства. Схема 242 доминантного возбудителя переключается между основным состоянием и неактивным состоянием для передачи цифровых данных на дополнительную нагрузку. В предпочтительном варианте выполнения различные неаппаратные уровни цифровых данных форматируются согласно протоколу сети промышленных контроллеров (СПК).

На фиг.4 представлена блок-схема второго варианта выполнения передатчика 300 параметра процесса. Передатчик 300 аналогичен передатчику 200 (фиг. 3), однако в передатчик 300 включены некоторые дополнительные элементы.

На фиг. 4 выводы 222, 224 выхода передатчика подсоединены к двухпроводному промышленному контуру управления 4-20 мА (также называемому телеметрическим контуром), который обеспечивает всю подачу питания на передатчик 300. Двухпроводный промышленный контур управления 4-20 мА изображен в виде источника напряжения или источника 250 питания последовательно с резистором 252 нагрузки. Обычно напряжение на резисторе 252 нагрузки подается на контроллер или систему управления процессом.

Также на фиг. 4 последовательный интерфейс 254 изображен как часть схемы 212 передатчика. Последовательный интерфейс 254 имеет последовательный вход 218 и последовательный выход 220. Последовательный интерфейс 254 является, предпочтительно, частью специализированного микропроцессора, такого как 8-разрядный микроконтроллерный блок ATMEL с контроллером СПК, номер детали T89C51CC01 ATMEL, продаваемым корпорацией ATMEL, 2325 Orchard Parkway, San Jose CA 95131 USA. Автономный контроллер СПК МСР2510 с последовательным периферийным интерфейсом (ППИ) компании Microchip Technology, Inc. также может использоваться с конфигурацией Rapidfire.

На фиг. 4 схема 242 доминантного возбудителя обеспечивает прямую связь по линии 256 со схемой 230 приемника. Приемник 230 устанавливает порог приемника, реагирующий на выход 256 прямой связи. Прямая связь дает возможность выходу 218 схемы приемника быстро реагировать на изменения в состояние с низким логическим уровнем последовательной шины, когда изменение состояния инициируется схемой 242 доминантного возбудителя. Выход 218 схемы приемника с быстрым реагированием соединен по линии 258 со схемой 238 рецессивного возбудителя, и схема 238 рецессивного возбудителя быстро снижает ток 240 возбуждения во время состояния с низким логическим уровнем до низкого уровня для экономии мощности. Приемник 230 эффективно генерирует выходной сигнал снижения возбуждения на линии 258, который активен тогда, когда последовательная шина находится в состоянии с НИЗКИМ уровнем. Выходной сигнал снижения возбуждения на линии 258 подается на схему рецессивного возбудителя. Схема 238 рецессивного возбудителя снижает ток 240 возбуждения, реагирующий на выходной сигнал снижения возбуждения на линии 258. Схема 242 доминантного возбудителя формирует выходной сигнал 256 прямой связи, который является активным после изменения состояния последовательной шины 232.

Схема 260 запуска соединена с последовательной шиной 232. Схема 260 запуска обеспечивает ток в последовательной шине 232 во время интервала запуска. Последовательная шина 232 содержит схему ограничителя напряжения, подключенную между последовательной шиной 232 и контактом 208 шины. Ограничитель напряжения содержит два фиксирующих диода 262, подключенных между последовательной шиной 232 и шинами источника питания и также содержит резистор 266 ограничения тока между последовательной шиной 232 и контактом 266 шины. Ограничитель напряжения обеспечивает защиту от статического электричества, разряжаемого на контакт 208 шины.

В этом варианте воплощения доминантный возбудитель 242 соединен с диодом 270, на который подается напряжение смещения для получения опорного напряжения 0,6 В, которое выше напряжения общего проводника (общий проводник по постоянному току). Когда доминантный возбудитель 242 находится в активном состоянии или состоянии с НИЗКИМ уровнем, он, по существу, соединяет последовательную шину 232 с диодом 270. Состояние с НИЗКИМ уровнем на последовательной шине 232 составляет, таким образом, 0,6 В или выше основного уровня напряжения постоянного тока. Меньшая мощность потребляется в результате устранения разряда емкостей, подсоединенных к последовательной шине 232, при всех напряжениях до основного уровня 16 постоянного тока.

Разность напряжения между контактом шины и общим контактом представляет собой регулируемую разность напряжений в рабочем диапазоне температур, и схема приемника выполнена с температурной компенсацией в рабочем диапазоне температур, чтобы принимать регулируемую разность напряжений. При дистанционном использовании такое устройство имеет преимущество, заключающееся в более равномерных потерях при переключении схем (fVppC) в рабочем диапазоне температур. Это позволяет увеличить трассу кабеля между передатчиком параметра процесса и удаленным устройством (ЖКИ).

В дополнение к проводнику 216 питания 4,3 вольта схема 212 передатчика также подает питание с меньшим напряжением по линии 280, равным 3,0 вольта. ВЫСОКИЙ уровень на последовательной шине 232 снижается до 3,0 вольта или менее, при этом уменьшается потребляемая мощность.

Схема 234 ограничителя питания содержит ограничитель 282 тока и накопитель 284 энергии. Устройство ограничителя 282 тока и накопителя 284 энергии обеспечивает мгновенную подачу тока 240 схемой 238 рецессивного возбудителя, амплитуда которого выше мгновенной амплитуды тока питания на проводнике 216 питания.

На фиг. 5-6 представлен один вариант выполнения принципиальной схемы физического уровня 400 для шины в передатчике параметра процесса. На фиг. 5 и фиг. 6 совместно представлена полная принципиальная схема. Физический уровень 400 аналогичен физическому уровню шины передатчика 300 (фиг. 4).

ПРИЕМНИК. В описываемом варианте выполнения приемник 230 содержит маломощный КМОП-компаратор 402. Использование компаратора 402 позволяет использовать резистивный делитель 404, 406 для обеспечения гибкости при установке порога приема. Резистор 408 обратной связи обеспечивает небольшую величину входного гистерезиса для улучшенной помехоустойчивости. Согласно этому варианту выполнения высокий уровень входного допустимого напряжения КМОП-инвертора 410 сдвигает выходной сигнал компаратора приема с 4,3 вольта на 218 до 3,0 вольта для ввода в микропроцессор.

СХЕМА ДОМИНАНТНОГО ВОЗБУДИТЕЛЯ. Последовательная шина 232 (фиг. 6) возбуждается из рецессивного состояния (с высоким уровнем) в основное состояние (с низким уровнем) посредством полевого транзистора 420 с низким сопротивлением во включенном состоянии в схеме 242 доминантного возбудителя. Полевой транзистор 420 имеет вход 423 с высоким импедансом, который минимизирует потребление тока возбуждения на входе с высоким импедансом. Несколько средств включены в схему 242 доминантного возбудителя для управления потреблением тока. Когда компаратор 402 приема определяет состояние с низким уровнем на последовательной шине 232, схема 238 рецессивного возбудителя, по меньшей мере частично, выключается, чтобы остановить протекание полного тока возбуждения через доминантный возбудитель 242, когда он находится в основном состоянии. Это способствует минимизации потерь мощности во время передачи данных. Чтобы дополнительно уменьшить потери, вывод 422 истока полевого транзистора 420 соединен последовательно с диодом 270 для фиксации низкого уровня напряжения на последовательной шине 232 при падении напряжения на одном диоде (0,6 вольта) выше общего уровня постоянного тока на 214. Это уменьшает колебание выходного напряжения на последовательной шине 232, что снижает потери мощности во время передачи данных из-за заряда и разряда емкостных нагрузок на последовательной шине 232. Опорное напряжение 270 диода ограничивает двойную амплитуду сигнала на последовательной шине 232 примерно до 3 вольт с целью снижения потерь тока во время передачи данных при возбуждении полностью нагруженной шины. Диод 270 также осуществляет температурную компенсацию уровня сигнала, так что он отслеживает как напряжение питания на линии 280, так и пороги приема.

На потребление мощности во время передачи данных преобладающее влияние имеет заряд и разряд емкости нагрузки, подсоединенной к последовательной шине 232. Ток I заряда аппроксимируется следующим образом I=C * Vpp * f, где С представляет собой емкость нагрузки, Vpp представляет собой двойную амплитуду напряжения, f представляет собой частоту. Ток может быть снижен посредством ограничения Vpp. Состояние с высоким уровнем ограничивается до около 3,6 вольт при помощи транзистора 430 запуска. Двойная амплитуда напряжения ограничивается до около 3 вольт, что минимизирует потребление тока при возбуждении емкостных нагрузок.

Преимущество опорного напряжения 270 диода заключается в том, что оно осуществляет температурную компенсацию уровня сигнала на шине 232 в отношении линии 236 и порогов приема. Это верно, так как напряжение на линии 236 превышает напряжение на линии 280, определяемом падением напряжения (Vbe) на переходе база-эмиттер, и сигнал с низким уровнем фиксируется на напряжении, превышающем напряжение земли, определяемом падением напряжения на одном диоде, и пороги приема устанавливаются при помощи резистивного делителя 404, 406, опорный уровень которого находится на уровне двух падений напряжения на диоде относительно земли.

Полевой транзистор 420 переключается достаточно быстро и генерирует индуктивные затухающие колебания на фронтах, так что резистор 424 и конденсатор 426 были добавлены для получения фильтра нижних частот, который снижает быстродействие полевого транзистора и скругляет фронты переключения, чтобы исключить затухающие колебания. Резистор 428 представляет собой последовательный резистор малой величины, который также способствует уменьшению затухающих колебаний.

ПРЯМАЯ СВЯЗЬ ДОМИНАНТНОГО ВОЗБУДИТЕЛЯ. В описываемом варианте выполнения конденсатор 450 прямой связи подсоединен между входом 423 полевого транзистора и резистивным делителем 404, 406 напряжения для получения дополнительного снижения потерь тока при переключении посредством быстрого отключения рецессивного возбудителя 238, когда доминантный возбудитель 242 передает бит с основным низким уровнем. Чтобы минимизировать потери при переключении, когда доминантный возбудитель 242 передает бит с низким уровнем, рецессивный возбудитель 238 должен быть отключен как можно быстрее. Конденсатор 450 прямой связи обеспечивает путь для переменного тока на положительный вход компаратора 402 приема. Когда доминантный возбудитель 242 передает низкий уровень, компаратор 402 определяет передачу ТХ (от схемы 409 сдвига уровня) и отключает рецессивный возбудитель 238 до того, как для последовательной шины 232 наступит время перехода в состояние с низким уровнем.

РЕЦЕССИВНЫЙ ВОЗБУДИТЕЛЬ. Рецессивный возбудитель 238 (фиг. 5) может генерировать шум. Резистор 432 работает с паразитной емкостью транзистора 434 для снижения быстродействия транзистора 434 и уменьшения шума переключения.

Последовательная шина 232 возбуждается из состояния с основным низким уровнем в состояние с рецессивным высоким уровнем посредством ограниченного по току полевого транзистора 436 в схеме 238 рецессивного возбудителя. Полевой транзистор 436 имеет вход 437 с высоким импедансом, который минимизирует входной ток. В одном варианте выполнения предел тока рецессивного возбудителя устанавливается на 5 мА для предотвращения очень быстрого разряда конденсатора 284 накопителя большой емкости при переходе из состояния с высоким уровнем в состояние с низким уровнем. Рецессивный возбудитель 238 включается при помощи схемы с ограниченным по длительности импульсом. Длительность импульса может ограничиваться при помощи неаппаратных уровней протокола передачи данных, при помощи постоянной времени RC, связанной с конденсатором 450 прямой связи, или их комбинацией. Когда компаратор 402 приема определяет высокий уровень на последовательной шине 232, рецессивный возбудитель 238 переходит в состояние ВКЛЮЧЕНО для подачи мощности постоянного тока на последовательную шину 232. Если шина случайно замыкается или два функциональных устройства пытаются передать данные одновременно, причем внешнее устройство переводит последовательную шину 232 на низкий уровень, а другое устройство пытается перевести его на высокий уровень, в этом случае доминантный возбудитель 242 доминирует относительно рецессивного возбудителя 238. В протоколе СПК, например, это определяется как разрешение конфликтов на основе битов. Затем компаратор 402 приема обнаруживает низкий уровень, и рецессивный возбудитель отключается после истечения временного предела длительности импульса. Это делается для того, чтобы ограничить величину мощности, которая шунтируется на землю во время разрешения конфликтов на основе битов (или когда случается закорачивание шины). Если имеет место разрешение конфликтов на основе битов, механизм СПК в микропроцессоре определяет, что шина активна, останавливает посылку своего сообщения и ожидает окончания текущего сообщения для повторной передачи.

Использование тока возбудителя, который является рецессивным, снижает потери при переключении посредством ограничения максимального тока, который может протекать от последовательной шины 232 на общий проводник 214 постоянного тока во время передачи данных. В одном варианте выполнения допускается протекание максимального тока 5 мА от конденсатора 284 накопителя большой емкости на устройство, отбирающее мощность с шины, независимо от уровня напряжения на линии 236. Это дает возможность доминантному возбудителю 242 (низкого уровня) управлять последовательной шиной 232.

Секция 230 приемника удерживает рецессивный возбудитель 238 ВКЛЮЧЕННЫМ, когда последовательная шина 232 имеет высокий уровень, для подачи мощности постоянного тока на последовательную шину 232. Компаратор 402 отключает транзистор 436 рецессивного возбудителя, когда последовательная шина 232 имеет НИЗКИЙ уровень, для остановки протекания тока на последовательную шину 232. Транзистор 434 предела тока рецессивного возбудителя определяет ток через резистор 438 и ограничивает напряжение возбуждения на транзисторе 436 рецессивного возбуждения.

Рецессивный возбудитель 238 ограничивает продолжительность времени, в течение которой току разрешено протекать на последовательную шину 232 во время разрешения конфликтов. Емкость конденсатора 450 прямой связи выбирается для установки временного предела.

Рецессивный возбудитель 238 ограничивается по току так, чтобы дать возможность доминантному возбудителю низкого уровня (такому как доминантный возбудитель 423 или доминантный возбудитель в дополнительной нагрузке) подавлять рецессивный возбудитель 238 и управлять шиной 232. Кроме того, рецессивный возбудитель 238 ограничивает величину тока, который протекает на землю во время передачи данных или разрешение конфликтов, таким образом снижая потери при переключении. Предел тока в рецессивном возбудителе 238 устанавливается достаточно высоким для обеспечения соответствующей помехоустойчивости и гарантии, что возбудитель может предоставлять соответствующую мощность дополнительной нагрузке, такой как схема 120 ЖКИ (фиг. 1), которая отбирает всю подачу питания или мощность с шины 232.

Если последовательной шиной 232 является шина СПК, шина 232 может находиться на низком уровне максимум в течение времени передачи пяти битов, что ограничивается неаппаратными уровнями протокола СПК. Протокол СПК обеспечивает то, что шестой бит вставляется в виде бита с высоким уровнем для обеспечения фронта синхронизации. Конденсатор 284 накопителя большой емкости хранит заряд во время битов с низким уровнем, так что физический уровень может передавать заряд на шину 232 во время следующего бита с высоким уровнем для обеспечения поддержания надлежащей средней мощности. Вставляемый бит с высоким уровнем обеспечивает возможность передачи заряда. Чтобы это сделать, рецессивный возбудитель должен иметь возможность обеспечивать достаточный максимальный ток, так что в течение времени передачи 1 бита достаточное количество сохраненного заряда может передаваться в дополнительную нагрузку для питания в течение времени передачи 5 последующих битов с низким уровнем, что разрешается по протоколу СПК.

Кроме того, возбудитель должен иметь возможность переводить полностью нагруженную шину СПК на высокий уровень за промежуток времени, который меньше 2/8 времени передачи бита, чтобы выполнять временные требования.

Ток рецессивного возбудителя определяется при помощи резистора 438. В одном варианте выполнения, когда напряжение на нем достигает около 0,6 вольта, транзистор 434 включается и ограничивает протекание тока через полевой транзистор 436.

Когда последовательная шина 232 имеет низкий уровень, рецессивный возбудитель 238 отключается для предотвращения бесполезного протекания тока на землю через последовательную шину 232. Это осуществляется посредством контроля последовательной шины 232 при помощи компаратора 402 приемника. Когда последовательная шина имеет низкий уровень, выход компаратора приемника на линии 258 имеет высокий уровень, который отключает рецессивный возбудитель 238. Когда последовательная шина 232 имеет высокий уровень, выход 258 компаратора имеет низкий уровень, который включает рецессивный возбудитель 238, подавая мощность на последовательную шину 232. Данная функция осуществляется посредством соединения выхода компаратора 402 с затвором полевого транзистора 436 рецессивного возбудителя через резистор 440.

Когда физический уровень устанавливает бит с высоким уровнем, он подает ток на шину 232 при помощи рецессивного возбудителя 238. Если шина 232 удерживается на низком уровне вследствие короткого замыкания или перевода дополнительной нагрузки шины 232 на низкий уровень, например при разрешении конфликтов на основе битов, ток будет протекать на землю и будет расходоваться бесполезно. Чтобы минимизировать потери в данном случае, рецессивный возбудитель 238 предпринимает попытку перевести шину 232 на высокий уровень в течение ограниченного промежутка времени. Если шина 232 удерживается на низком уровне, компаратор 402 приема не будет постоянно переключаться для удержания включенным рецессивного возбудителя 238, и рецессивный возбудитель 238 отключится через фиксированный промежуток времени. Для этого конденсатор 450 прямой связи вместе с резисторами 424, 404, 406, 408 устанавливает временной предел RC. Когда устанавливается высокий уровень ТХ, низкое напряжение на линии 220 поступает на положительный вход компаратора 402 приема через конденсатор 450, который включает рецессивный возбудитель 238. Если шина 232 удерживается на низком уровне, компаратор 402 приема не удерживает постоянно включенным рецессивный возбудитель 238. Если конденсатор 450 полностью зарядился, на положительном входе компаратора больше нет низкого уровня 402, так что рецессивный возбудитель 238 отключается. Временной предел должен быть установлен достаточно продолжительным, чтобы обеспечивать перевод полностью нагруженной шины на высокий уровень до истечения срока в компараторе.

ОГРАНИЧИТЕЛЬ ПИТАНИЯ И КОНДЕНСАТОР НАКОПИТЕЛЯ БОЛЬШОЙ ЕМКОСТИ. В данном варианте выполнения мощность постоянного тока подается в дополнительные нагрузки (таких как ЖКИ) посредством шины 232 всякий раз, когда шина 232 находится в рецессивном состоянии. Во время доминантного состояния заряд хранится в конденсаторе 284 большой емкости и затем подается в виде импульса большого тока на шину 232, если шина 232 возвращается в рецессивное состояние.

Мощность физического уровня устанавливается посредством первого ограничителя 234 питания, который предназначен для ограничения тока, отбираемого с проводника питания, обычно 500 мкА. Схема ограничителя питания является существенной для обеспечения того, что перегруженная шина 232 не выводит передатчик вне установленного диапазона тока покоя.

Ограничитель 234 питания ограничивает постоянный ток, доступный для шины 232, для предотвращения ошибочного показания, создаваемого перегрузкой, на токовом контуре передатчика 4-20 мА. Конденсатор 284 накопителя большой емкости хранит заряд, когда шина 232 имеет низкий уровень. Когда шина 232 имеет высокий уровень, заряд передается на устройство, запитываемое с шины 232.

СХЕМА ОГРАНИЧИТЕЛЯ ПИТАНИЯ. Схема ограничителя 234 (фиг. 5) питания является критичной для работы устройства с током 4-20 мА, который использует передачу данных по СПК. Она обеспечивает то, что перегруженная шина СПК не может направлять достаточный ток для возбуждения суммарного выходного тока передатчика выше максимального тока тревоги низкого уровня, допустимого для конструкции. Операционный усилитель 452 представляет собой элемент ввода/вывода с размахом сигнала, равным напряжению питания, который управляет полевым транзистором 454 для установления предела тока. Резистор 456 представляет собой измерительный резистор. Резисторы 458, 460 представляют собой делитель напряжения, который устанавливает опорное значение предела тока. Опорное значение схемы предела тока устанавливается между линией 280 и линией 216 для обеспечения правильной последовательности запуска передатчика.

Чтобы подавать мощность на нагрузку дополнительного устройства по шине 232 эффективным образом, физический уровень должен хранить заряд, когда шина 232 имеет низкий уровень, и передавать заряд на шину 232, когда шина 232 переключается обратно на высокий уровень. Это осуществляется конденсатором 284 большой емкости.

Так как конденсатор 284 заряжается через полевой транзистор 454, который ограничен по току, его напряжение будет мгновенно падать, когда шина 232 забирает максимальный ток высокого уровня. В одном варианте выполнения емкость конденсатора 284 должна быть достаточно большой, чтобы поддерживать рабочее напряжение 3,0 вольта во время передачи данных. Это обеспечивает достаточное напряжение питания для работы устройства СПК, такого как ЖКИ. Конденсатор 284 будет подзаряжаться между пакетами передачи данных. Следует рассмотреть два случая. Первым является случай после строки из 5 битов с низким уровнем. Рецессивный возбудитель 238 будет подавать импульс тока на шину 232 для поддержания постоянным среднего тока. Наихудшим условием является то, когда дополнительная нагрузка на шине отбирает максимальный средний ток. Так как конденсатор 284, предпочтительно, фиксируется примерно на 3,6 вольтах, напряжение может упасть в начале пакета передачи данных для обеспечения максимального тока для шины 232. Падение напряжения ограничивается на допустимом уровне, так как конденсатор 284 заряжается во время битов с низким уровнем перед передачей сохраненного заряда при следующем бите с высоким уровнем.

Данная ситуация становится несколько более сложной, если шина полностью нагружена, например удаленным кабелем ЖКИ длиной 100 футов. Напряжение на конденсаторе 284 будет падать, так как он заряжает нагрузку во время передачи данных. Для простоты устройству СПК, такому как ЖКИ, нет необходимости отбирать мощность во время пакета передачи данных. Дополнительная нагрузка имеет достаточную величину своей собственной емкости для выполнения передачи данных. Худшее условие в этом случае будет тогда, когда передается строка из 1 или 0. Ток, необходимый для возбуждения (Iнагрузка=Снагрузка * Vpp * f), меньше предела тока СПК, так что напряжение на конденсаторе 284 не будет падать. Фактически, он будет заряжаться и начнет питать шину, что означает, что предположение, что ЖКИ не питается во время передачи данных, является осторожным. Кроме того, ток, потребляемый для возбуждения максимально заданной емкостной нагрузки, должен быть достаточно низким, чтобы конденсатор 284 мог подзаряжаться между сообщениями.

Вторым случаем для рассмотрения является пульсация вследствие разрешения конфликтов на основе битов. В данном случае рецессивный возбудитель 238 подает ток на шину 232 в течение всего фиксированного временного предела, установленного конденсатором 450 прямой связи. Конденсатор 284 имеет достаточно большую емкость, чтобы поддерживать пульсации ниже 100 мВ в данном случае. Конденсатор 284 большой емкости должен подзаряжаться между событиями разрешения конфликтов. Так как событие может происходить максимум только один раз за одно сообщение, имеется большое количество времени для заряда конденсатора 284.

СХЕМА ЗАПУСКА. Для правильного запуска, когда питание подается в первый раз, или восстановления после короткого замыкания шины СПК должен быть альтернативный путь для подачи тока на шину. Чтобы выполнить данное требование, p-n-p-транзистор 430 включается для подачи питания на шину после полного заряда конденсатора накопителя большой емкости. Схема 260 запуска переводит шину СПК на высокий уровень при запуске или при восстановлении после неисправности после короткого замыкания шины на землю. Схема 260 запуска обеспечивает правильное включение питания и эффективное использование мощности, предоставляя возможность конденсатору 284 большой емкости полностью заряжаться перед подачей любого тока на шину. Физический уровень СПК выключает рецессивный возбудитель 238, когда шина 232 имеет низкий уровень, для сбережения тока. Это налагает проблему при запуске или после замыкания шины на землю. Так как шина имеет низкий уровень в обоих случаях, рецессивный возбудитель будет отключаться. Ничто не будет переводить шину на высокий уровень для ее запуска или восстановления после короткого замыкания. Биполярный p-n-p-транзистор 430 обеспечивает путь повышения напряжения для выполнения этой функции. Эмиттер транзистора 430 соединен с линией 236 при помощи резистора 438, база соединена с линией 280, и коллектор соединен с шиной 232. В данном варианте выполнения, если линия 236 достигает напряжения около 3,6 вольта, транзистор 430 включается и подает ток на шину 232. Напряжение 3,6 вольта на шине 236 достаточно для требований физического уровня. Если шина 236 находится под напряжением 3,6 вольта, конденсатор 284 полностью заряжается, так что негде хранить дополнительный заряд. Допустимо подавать ток на шину в качестве механизма повышения напряжения. Если шина закорочена, ток будет протекать на землю, но линия 236 будет зафиксирована на 3,6 вольтах. Если на шине нет нагрузки по постоянному току, то ток будет протекать через переход база/эмиттер транзистора 430 и на шину 3,0 вольта для повторного использования. Дополнительное преимущество заключается в том, что физический уровень отбирает фиксированный ток во все моменты времени, так что схема предела мощности по постоянному току не находится в динамическом применении и, таким образом, поддерживает переключаемые нагрузки, связанные с последовательной шиной, изолированными от внутренней шины 4,3 вольта и схемы регулирования контура 4-20 мА. Это позволяет использовать относительно медленный маломощный операционный усилитель 452.

МИКРОПРОЦЕССОР. В одном варианте выполнения механизм СПК может постоянно находиться в специализированном микропроцессоре, изготовленном компанией ATMEL. Он выполняет контроль ошибок и возбуждает порты передачи и приема RX, TX по протоколу СПК. Механизм СПК не является частью физического уровня, но конструкция физического уровня учитывает характеристики нефизических уровней в механизме СПК.

На фиг. 7 изображена принципиальная схема альтернативного варианта выполнения схемы 500 запуска, которая содержит диагностический выход 502 для обнаружения напряжения СПК низкого уровня. В предпочтительном варианте устройства диагностический выход указывает на сохраненную энергию, и микропроцессор принимает диагностический выходной сигнал. В схеме 500 транзистор 504 включается, когда напряжение на выходе 506 сохраненной энергии повышается до около 3,6 вольта, и посылает высокое напряжение на линию 502 на микропроцессор, указывая, что установилось стабильное напряжение. Резистор 508 вызывает повышение напряжения на линии 506 до достаточно высокого уровня, обеспечивая включение транзистора 504. Резистор 508 имеет достаточно низкое сопротивление для поддержания на линии 506 напряжения, близкого к 3,6 вольтам. Резистор 510 имеет значительно большее сопротивление, чем резистор 508. Резистор 510 ограничивает ток, который протекает через переход база/эмиттер транзистора 430, и обеспечивает включение транзистора 430 и переход в насыщенное состояние.

На фиг. 8 изображена принципиальная схема альтернативного варианта выполнения схемы 600 ограничителя питания. Схема 600 ограничителя устанавливает порог предела постоянного тока, выбираемый программными и/или аппаратными средствами. Если порт 602 имеет низкий уровень, транзистор 604 будет выключен, и усилитель 606 будет находиться в насыщении при высоком уровне, выключая ток в транзисторе 608. Если порт 602 имеет высокий уровень, транзистор 604 включен, и порог предела тока устанавливается при помощи делителя 610, 612 напряжения. В данной конфигурации могут быть выбраны два порога. Дополнительные пороги могут быть доступны, если используются дополнительные порты.

Следует указать, что хотя многочисленные характеристики и преимущества различных вариантов выполнения изобретения были изложены в вышеприведенном описании вместе с деталями конструкции и функцией различных вариантов выполнения изобретения, данное описание является иллюстративным, и возможны изменения конструкции. Например, элементы могут изменяться в зависимости от конкретного применения передатчика регулируемого параметра процесса, сохраняя те же функциональные возможности. Идеи настоящего изобретения могут быть применены к другим измерительным средствам технологического процесса.

1. Передатчик параметра процесса, содержащий соединения, которые являются соединяемыми и разъединяемыми с дополнительной нагрузкой, причем соединения включают в себя контакт шины и общий контакт, схему передатчика, имеющую общий проводник, подключенный к общему контакту, проводник питания, и последовательный вход и последовательный выход, схему приемника, соединенную с последовательным входом и с контактом шины посредством последовательной шины, схему ограничителя питания, направляющую ток питания с проводника питания и обеспечивающую выход сохраненной энергии, причем схема ограничителя питания устанавливает предел тока питания, схему рецессивного возбудителя, направляющую ток возбуждения с выхода сохраненной энергии и подающую ток возбуждения на последовательную шину, причем схема рецессивного возбудителя устанавливает предел тока возбуждения, схему доминантного возбудителя, подключенную между последовательным выходом и последовательной шиной, причем схема доминантного возбудителя имеет основное состояние, в котором она проводит ток возбуждения на общий проводник, и неактивное состояние, в котором ток возбуждения доступен дополнительной нагрузке.

2. Передатчик параметра процесса по п.1, отличающийся тем, что схема передатчика имеет двухпроводный интерфейс выхода передатчика, который отбирает ток передатчика с двухпроводной шины управления процессом, причем схема передатчика устанавливает предел тока передатчика.

3. Передатчик параметра процесса по п.2, отличающийся тем, что двухпроводный контур управления процессом обеспечивает подачу питания на передатчик.

4. Передатчик параметра процесса по п.3, отличающийся тем, что двухпроводный интерфейс выхода передатчика содержит управляемый ток 4-20 мА.

5. Передатчик параметра процесса по п.1, отличающийся тем, что рецессивный возбудитель обеспечивает подачу питания на дополнительную нагрузку.

6. Передатчик параметра процесса по п.1, отличающийся тем, что доминантный возбудитель переключается между основным состоянием и неактивным состоянием для передачи цифровых данных на дополнительную нагрузку.

7. Передатчик параметра процесса по п.6, отличающийся тем, что рецессивный возбудитель обеспечивает подачу питания на дополнительную нагрузку, когда доминантный возбудитель находится в неактивном состоянии.

8. Передатчик параметра процесса по п.7, отличающийся тем, что цифровые данные форматируются согласно протоколу сети промышленных контроллеров (СПК).

9. Передатчик параметра процесса по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит схему запуска, подсоединенную к последовательной шине, причем схема запуска подает ток на последовательную шину во время интервала запуска.

10. Передатчик параметра процесса по п.1, отличающийся тем, что последовательная шина содержит схему ограничителя напряжения.

11. Передатчик параметра процесса по п.1, отличающийся тем, что схема передатчика содержит датчик давления.

12. Передатчик параметра процесса по п.1, отличающийся тем, что схема приемника предназначена для генерирования выходного сигнала снижения возбуждения, который активен, когда последовательная шина находится в состоянии с низким уровнем, при этом выходной сигнал снижения возбуждения подается на схему рецессивного возбудителя.

13. Передатчик параметра процесса по п.12, отличающийся тем, что схема рецессивного возбудителя обеспечивает снижение тока возбуждения, реагирующего на выходной сигнал снижения возбуждения.

14. Передатчик параметра процесса по п.1, отличающийся тем, что схема доминантного возбудителя обеспечивает формирование выходного сигнала прямой связи, который является активным после изменения состояния последовательного выхода, причем выходной сигнал прямой связи подается на приемник.

15. Передатчик параметра процесса по п.14, отличающийся тем, что приемник обеспечивает подстройку порога приемника, реагирующего на выходной сигнал прямой связи.

16. Передатчик параметра процесса по п.1, отличающийся тем, что разность напряжения между контактом шины и общим контактом представляет собой регулируемую разность напряжения в рабочем диапазоне температур, при этом схема приемника выполнена с температурной компенсацией в рабочем диапазоне температур, чтобы принимать регулируемую разность напряжений.

17. Передатчик параметра процесса по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит схему жидкокристаллического индикатора (ЖКИ), которая подключена к соединениям, причем передатчик параметра процесса обеспечивает подачу питания и управление схемой жидкокристаллического индикатора.

18. Передатчик параметра процесса по п.17, отличающийся тем, что схема жидкокристаллического индикатора расположена дистанционно от передатчика параметра процесса.

19. Передатчик параметра процесса по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит модуль температурного датчика, который подключен к соединениям, причем передатчик параметра процесса обеспечивает обмен данными с модулем температурного датчика и подачу питания.

20. Передатчик параметра процесса по п.19, отличающийся тем, что модуль температурного датчика расположен дистанционно от передатчика параметра процесса.

21. Передатчик параметра процесса по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит модуль датчика давления, который подключен к соединениям, при этом передатчик параметра процесса обеспечивает обмен данными с модулем датчика давления и подачу питания.

22. Передатчик параметра процесса по п.21, отличающийся тем, что модуль датчика давления расположен дистанционно от передатчика параметра процесса.

23. Передатчик параметра процесса по п.1, отличающийся тем, что схема запуска обеспечивает формирование диагностического выходного сигнала, указывающего на сохраненную энергию, а передатчик параметра процесса дополнительно содержит микропроцессор, принимающий диагностический выходной сигнал.

24. Передатчик параметра процесса по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит микропроцессор, имеющий порт, подсоединенный к схеме ограничителя питания, причем микропроцессор обеспечивает управление величиной предела тока питания.