專利名稱：具有隔離can輸出的兩線變送器的制作方法
背景技術(shù)：
過(guò)程變量變送器(transmitter)用于傳感過(guò)程變量并提供表示過(guò)程變量大小的電氣輸出。由于過(guò)程變量變送器中的電子組件和傳感器組件越來(lái)越小型化并且為變送器增加了更多的功能，變送器內(nèi)部的電路變得密度很高，導(dǎo)致了變送器內(nèi)部的新的電源管理、噪聲和干擾問(wèn)題。
出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題，即噪聲影響了還包括控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)收發(fā)機(jī)線路的兩線HART變送器的低電平傳感器電路。需要提供更好的保護(hù)，以避免包括CAN收發(fā)機(jī)線路的小型兩線過(guò)程變量變送器中的傳感器電路中噪聲的影響。
還有一個(gè)問(wèn)題，即從回路激勵(lì)中滿足CAN電路和其它變送器電路的激勵(lì)需求，而回路激勵(lì)與激勵(lì)需求是失配的。
需要克服這些問(wèn)題的變送器。本發(fā)明的實(shí)施例提供了這些和其它問(wèn)題的解決方案，并提供了相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的其它優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
公開(kāi)了一種過(guò)程變量變送器，包括提供雙向HART和控制器局域網(wǎng)絡(luò)通信收發(fā)機(jī)線路的變送器輸出電路。變送器輸出電路還包括傳感器電路接口觸點(diǎn)。
隔離電路與傳感器電路接口觸點(diǎn)相連。隔離電路包括傳感過(guò)程變量的傳感器電路。隔離電路還包括電(galvanic)隔離屏蔽，將傳感器電路與HART和控制器局域網(wǎng)絡(luò)收發(fā)機(jī)線路進(jìn)行電流隔離。
通過(guò)閱讀下文的詳細(xì)說(shuō)明和查看附圖，描述本發(fā)明實(shí)施例的其它特性和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得明顯。


圖1示出了包括HART和CAN收發(fā)機(jī)線路的兩線過(guò)程變量變送器中的電路板之間的電氣連接。
圖2示出了過(guò)程變量變送器中的傳感器電路板的框圖。
圖3示出了過(guò)程變量變送器中的RFI電路板的示意圖。
圖4示出了過(guò)程變量變送器中的輸出電路板上的控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)電路的示意圖。
圖5A、5B示出了過(guò)程變量變送器中的CAN電路板上的CAN顯性-隱性(dominant-recessive)驅(qū)動(dòng)器電路。
圖6示出了電流隔離串聯(lián)雙向通信電路。
圖7示出了電流隔離電源。
圖8形象化地示出了過(guò)程變量變送器。
圖9A-9B示出了具有堆疊式電源特性的過(guò)程變量變送器的簡(jiǎn)化圖。
圖10示出了用于CAN電路中隱性驅(qū)動(dòng)的電流限幅器。
圖11示出了用于存儲(chǔ)CAN配置數(shù)據(jù)的電源電路。
圖12示出了隔離峰值的電源電路。
圖13示出了包括CAN電路的變送器的激勵(lì)的簡(jiǎn)化時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式
在下文描述的實(shí)施例中，減輕了具有CAN收發(fā)機(jī)線路的過(guò)程變量變送器中的高密度電路的電源管理、噪聲和干擾的問(wèn)題。低電平傳感電路引向過(guò)程地(process ground)，并且在傳感電路和HART和控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)收發(fā)機(jī)線路之間設(shè)置了電流隔離屏蔽(galvanicisolation barrier)。HART和CAN收發(fā)機(jī)線路不能有效地將噪聲耦合到低電平傳感電路，并且變送器能夠利用小型化的組件來(lái)制作緊湊的變送器。
堆疊式電源通過(guò)對(duì)電流的再利用，允許流過(guò)CAN電路和其它變送器負(fù)載的電流超過(guò)最小回路電流。
圖1示出了工業(yè)過(guò)程變量變送器100的典型實(shí)施例的內(nèi)部連接圖。過(guò)程變量變送器100包括例如傳感器電路板200、RFI電路板300、輸出電路板400和CAN電路板500的印刷線路板，這些電路板電氣相連以提供變送器的功能。變送器100與流體過(guò)程入口裝置(inletfitting)102相連，并傳感例如過(guò)程入口裝置102中的過(guò)程流體的壓力、溫度、流量等過(guò)程變量。
變送器100包括回路引線104、106，用于連接變送器100外部的工業(yè)過(guò)程控制回路(圖3中所示)。變送器100可以包括接地引線108，用于將變送器100連接到過(guò)程地(圖3中所示)。變送器包括通過(guò)接地引線108與過(guò)程地相連的外殼112。外殼112還可以通過(guò)過(guò)程入口102連接到過(guò)程地。變送器100包括CAN收發(fā)機(jī)引線114，用于與變送器100外部的一個(gè)或多個(gè)CAN設(shè)備(圖3中所示)相連。
回路引線104、106是雙向HART通信收發(fā)機(jī)線路，用于和與HART通信兼容的外部設(shè)備通信。CAN引線114是控制器局域網(wǎng)絡(luò)收發(fā)機(jī)線路，用于和與CAN通信兼容的外部設(shè)備通信。
在優(yōu)選實(shí)施例中，引線104、106、108、114是飛線(flying lead)，然而，也能夠使用例如螺旋端子(screw terminal)、壓縮端子(compression terminal)、多引腳連接器等的其它電氣連接設(shè)備。
變送器100是兩線變送器，即，它是使用兩個(gè)功率線104、106進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)碾娮幼兯推鳌删€變送器100還包括接地引線108和CAN收發(fā)機(jī)引線114。
CAN電路板500包括觸點(diǎn)J4A-1至J4A-8，它們通過(guò)連接器502與輸出電路板400上相應(yīng)標(biāo)號(hào)的觸點(diǎn)J4-1至J4-8相連。傳感器電路板200包括觸點(diǎn)J5-1至J5-8，它們通過(guò)連接器202與輸出電路板400上相應(yīng)標(biāo)號(hào)的觸點(diǎn)J2-1至J2-8相連。傳感器電路板觸點(diǎn)J5-1至J5-8包括傳感器電路接口觸點(diǎn)。傳感器電路板200優(yōu)選地包括電流屏蔽204，電流屏蔽204將與連接器202相連的傳感器電路板電路與傳感器電路板200上與過(guò)程地相連的隔離電路201相隔離。傳感器電路板200包括與傳感器電路接口觸點(diǎn)相連的隔離電路。
輸出電路板400包括觸點(diǎn)J1-1至J1-8，他們通過(guò)連接器402與RFI電路板300上相應(yīng)標(biāo)號(hào)觸點(diǎn)J1-1至J1-8相連。連接器202、402、502可以包括柔軟的帶狀電纜、直線式插針或其它已知的連接器，用于在印刷電路板之間建立連接。
下文結(jié)合圖2-7、9-12來(lái)描述電路板200、300、40、500上的電路的例子。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解，圖1中的布置僅僅是示例性的，且變送器中的電路板的數(shù)目和類型能夠與所示的不同，取決于所傳感的具體過(guò)程變量和具體應(yīng)用的需要。
圖2示出了傳感器電路板200的典型實(shí)施例的框圖。傳感器電路板200上的隔離電路201與觸點(diǎn)J5-1至J5-8電流隔離。過(guò)程壓力傳感器206與過(guò)程入口102相連，用于傳感過(guò)程壓力。過(guò)程入口102典型地包括與過(guò)程地103相連的線狀金屬裝置。需要在過(guò)程入口102和過(guò)程壓力傳感器206之間進(jìn)行流體連接。如果傳感器電路與CAN收發(fā)機(jī)線路具有歐姆連接而不提供電流隔離，那么在過(guò)程地線和傳感器電路之間將出現(xiàn)噪聲電勢(shì)。第二壓力傳感器208優(yōu)選地包括絕對(duì)壓力傳感器，并傳感大氣壓力或第二過(guò)程壓力。雖然示出的傳感器206、208包括在傳感器電路板200中，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解，傳感器的位置和數(shù)目可以不同，取決于所傳感的過(guò)程變量的類型，并且傳感器可以如圖所示放置在電路板上，或可選擇地安裝到變送器外殼112(圖1)。
傳感器206、208連接到傳感器電路210，傳感器電路210為傳感器206、208提供能量并在線路214、216上提供數(shù)據(jù)，以及通過(guò)包括線路SCLOCK、MISO和MOSI的SPI串行通信總線將傳感器的輸出傳送到微控制器220，如圖2所示。傳感器電路210優(yōu)選地包括多通道∑-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路。微控制器220優(yōu)選地包括NationalSemiconductor COP8SGE728M8微控制器，該控制器被編程以提供從SPI協(xié)議到SCI協(xié)議的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。
電流隔離電源222利用電源干線(supply rail)VDDA、VMID和VSSA向傳感器電路板200上的隔離電路201提供能量，并且還提供時(shí)鐘信號(hào)224。電流隔離電源222包括隔離變壓器(例如圖7中所示)，它是電流隔離屏蔽204的一部分，電流隔離屏蔽204將間接連接到HART和CAN收發(fā)機(jī)線路的觸點(diǎn)J5-1至J5-8與傳感器電路板200上的低電平隔離電路201電流隔離。傳感器電路板200上的低電平電路201與通常連接到過(guò)程地103的外殼112相連。
電源222上的觸點(diǎn)J5-2、3與引向回路觸點(diǎn)104、106的電路(在輸出電路板400上)相連。隔離變壓器中的絕緣提供的電流隔離在觸點(diǎn)J5-2、3和過(guò)程地103之間形成了電氣絕緣屏蔽。
時(shí)鐘信號(hào)224與時(shí)鐘整型器228相連。時(shí)鐘整型器228提供了適于用作微控制器(協(xié)議轉(zhuǎn)換器)220和傳感器電路210的時(shí)鐘輸入的整型時(shí)鐘輸出230。上電復(fù)位電路232向微控制器220的復(fù)位輸入端提供了上電復(fù)位信號(hào)234。
電源干線VSSA優(yōu)選地與外殼112相連，這樣變送器外殼100和過(guò)程入口102不能將來(lái)自變送器100周圍環(huán)境的噪聲電容性地耦合到傳感器電路板200上的低電平電路。利用這種布置，傳感器電路板200上的低電平電路有效地被靜電屏蔽(即金屬外殼112)所包圍。
微控制器(協(xié)議轉(zhuǎn)換器)220通過(guò)電流隔離串行雙向通信電路236為傳感器電路板200連接輸入和輸出數(shù)據(jù)。電路236包括隔離變壓器(例如圖6中所示)，它是電流屏蔽204的一部分。電流屏蔽204將傳感器電路板200上的電路與觸點(diǎn)J5-1至J5-8相隔離。利用電流隔離，在觸點(diǎn)J5-1至J5-8和傳感器電路板200上的低電平電路之間，變送器100中沒(méi)有電氣傳導(dǎo)路徑。電流隔離屏蔽允許傳感器電路板200上的低電平電路與接地金屬外殼112相連以免除噪聲，而變送器100中的高電平電路引向回路端子104、106以避免雜散地電流。電流隔離屏蔽204避免了電流回路和過(guò)程地之間的雜散地電流。電流隔離還能通過(guò)使用光隔離器替代隔離變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)。信息和功率通過(guò)電流屏蔽，然而電流被阻擋并且不會(huì)穿過(guò)電流屏蔽。
圖3示出了RFI電路板300的典型實(shí)施例。RFI電路板300通過(guò)兩線過(guò)程控制回路301與變送器100外部的回路接收機(jī)302相連?；芈方邮諜C(jī)302典型地是過(guò)程控制系統(tǒng)中的輸入通道，其中過(guò)程控制系統(tǒng)提供向變送器100提供能量的電流?；芈方邮諜C(jī)302優(yōu)選地傳感受變送器100控制的4-20mA回路電流的大小?；芈冯娏鞅硎玖擞蓚鞲衅?06(圖2)傳感到的修正的、傳感的過(guò)程變量。回路接收機(jī)302還優(yōu)選地與變送器100交換雙向HART數(shù)字通信信號(hào)。這些HART數(shù)字通信信號(hào)疊加在4-20mA電流上，并且處于不會(huì)干擾傳感4-20mA電流大小的頻率范圍內(nèi)。
RFI電路板300還與外部CAN設(shè)備304相連。如圖所示，外部CAN設(shè)備通過(guò)線路307被引向LOOP-。∏濾波器311濾出CAN線路306上的RFI。外部CAN設(shè)備304在變送器100的外部，并使用控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)串行通信協(xié)議與變送器100通信。外部CAN設(shè)備304可以是能夠利用與變送器100的通信的任意類型的工業(yè)設(shè)備。例如，外部CAN設(shè)備304可以包括溫度傳感器以向變送器100提供溫度校正數(shù)據(jù)。外部CAN設(shè)備304還可以包括從變送器100接收過(guò)程變量數(shù)據(jù)的本地控制器。外部CAN設(shè)備304還可以包括另與變送器100的設(shè)計(jì)相似的設(shè)計(jì)的另一變送器。因此變送器100具有在過(guò)程控制回路301上使用HART協(xié)議進(jìn)行較長(zhǎng)距離通信的第一雙向串行通信能力，并且還具有在線路305、307上的本地兩線連接上使用CAN協(xié)議進(jìn)行較短距離通信的第二雙向通信能力。
RFI電路板300將與CAN外部設(shè)備304進(jìn)行的通信沿著線路306連接到輸出電路板400(圖1)上的觸點(diǎn)J1-8。來(lái)自CAN外部設(shè)備402的通信信號(hào)通過(guò)線路306和輸出電路板400上的導(dǎo)線到達(dá)CAN電路板500(圖1)上的連接器J4A-3。
RFI電路板300將來(lái)自過(guò)程回路301的電流通過(guò)RFI電路板300上的觸點(diǎn)J1-2和J1-3傳送到輸出電路板400(圖1)。RFI電路板300包括射頻干擾(RFI)濾波器308，它將RFI濾出并將回路電流從回路接收機(jī)302連接到觸點(diǎn)J1-1、3。RFI濾波器308被設(shè)計(jì)為允許疊加了高頻的HART數(shù)字通信(處于音頻范圍內(nèi))通過(guò)。電源電路中的電源電路部分310、312放置于RFI電路板300上，以提供部分310、312和外殼112之間的直接熱連接以達(dá)到好的散熱。RFI濾波器中的地連接309通過(guò)接線柱WP5與過(guò)程地103相連。地連接309還通過(guò)接線柱WP14與外殼112相連。
圖4示出了輸出電路板400上的CAN支持電路403的典型實(shí)施例。CAN支持電路403與CAN電路板500(下文結(jié)合圖5A、5B進(jìn)行描述)上的電路互相協(xié)作，以提供支持用于和外部CAN設(shè)備304(圖3)通信的CAN通信協(xié)議。
CAN支持電路403包括微控制器404。在優(yōu)選實(shí)施例中，微控制器404包括8位微控制器類型的ATMEGA103L。微控制器404除了控制CAN支持電路403以外，還優(yōu)選地向傳感器電路板200和輸出電路板400中支持4-20mA電流輸出和HART串行通信輸出的部分提供控制信號(hào)。
CAN支持電路403還包括CAN控制器406。在優(yōu)選實(shí)施例中，CAN控制器406包括來(lái)自Microchip Technology Inc.of Chandler，Arizona的MCP2510型控制器。CAN控制器406接收CANRX線路408上的CAN格式化通信，并在TXCAN輸出410上發(fā)送CAN格式化通信。在選通電路412中，TXCAN輸出410與來(lái)自微控制器404的KEYS選通輸出414相結(jié)合。當(dāng)有效時(shí)，KEYS輸出指示微控制器404處于通過(guò)本地操作員接口(LOI)接收鍵入(keyed-in)配置信息的過(guò)程中。當(dāng)使用LOI上的按鍵的配置過(guò)程正在進(jìn)行中時(shí)，選通電路412阻止向CANTXO發(fā)送CAN格式化通信。結(jié)合Roper等人的美國(guó)專利6,484,107 B1的圖4對(duì)典型LOI進(jìn)行了描述。因此在這里并入Roper等人的美國(guó)專利6,484,107 B1的整體。LOI在變送器的外部，并能夠與可選的引線813(圖8)相連，用于和微控制器(例如圖9B中的微控制器852)通信。
CAN控制器406通過(guò)包括MOSI線路418和MISO線路420的SPI串行通信總線與微控制器404傳輸數(shù)據(jù)(該數(shù)據(jù)不具有CAN格式)。微控制器404還向CAN控制器406施加片選信號(hào)CSCAN，以控制與CAN控制器406的通信。當(dāng)CAN通信正在進(jìn)行時(shí)，CAN控制器406向微控制器404發(fā)送中斷信號(hào)CANINT422。
在功率從兩線回路施加到變送器100時(shí)，微控制器404將復(fù)位信號(hào)CANRESET連接到CAN控制器406。
圖5A、5B示出了CAN電路板500上的電路的典型實(shí)施例。當(dāng)圖5A、5B沿著虛線520、522連接在一起形成單一的圖5A、5B的示意圖時(shí)，圖5A、5B最易于理解。在優(yōu)選布置中，圖5A、5B所示電路包括上面引用的美國(guó)專利申請(qǐng)(序列號(hào)10/236,874，標(biāo)題為L(zhǎng)OWPOWER PHYSICAL LAYER FOR A BUS IN AN INDUSTRIALTRANSMITTER，2002年9月6日提交)中描述的類型的顯性-隱性(dominant-recessive)CAN驅(qū)動(dòng)器布置。
在圖5A中示出了顯性驅(qū)動(dòng)器電路580。在圖5B中示出了隱性驅(qū)動(dòng)器582、接收機(jī)584和啟動(dòng)電路586。
回到圖3，雙向CAN信號(hào)與CAN外部設(shè)備304通信，沿著線路306到達(dá)RFI電路板300上的觸點(diǎn)J1-8。如圖1所示，RFI電路板300上的觸點(diǎn)J1-8與輸出電路板400上的觸點(diǎn)J1-8相連。輸出電路板400上的觸點(diǎn)J1-8通過(guò)導(dǎo)線426(圖4)與輸出電路板400上的觸點(diǎn)J4-3相連。如圖5A所示，輸出電路板上的觸點(diǎn)J4-3與CAN電路板500上的觸點(diǎn)J4A-3相連。如圖5A所示，CAN外部設(shè)備304因而通過(guò)一系列導(dǎo)線和觸點(diǎn)與導(dǎo)線504相連。
在圖5A中，保護(hù)或鉗位二極管506、508與導(dǎo)線504相連以限制導(dǎo)線504上的電壓為大約+3.7伏至-0.7伏的范圍內(nèi)。這種鉗位布置限制了噪聲，并且不會(huì)干擾CAN通信信號(hào)的正常電平。
當(dāng)選通電路412(圖4)在CANTXO線路上產(chǎn)生出站(outbound)CAN通信時(shí)，這些出站CAN通信通過(guò)連接器J4-5(圖4)和連接器J4A-5(圖5A)引導(dǎo)至圖5A中的線路510(CANTXO)。圖5A中的電路對(duì)線路510上的相對(duì)低功率CAN通信CANTXO信號(hào)進(jìn)行放大，以提供較高功率電平，該功率電平沿著線路512連接到線路504并繼續(xù)連接到CAN外部設(shè)備304。當(dāng)CAN外部設(shè)備304產(chǎn)生入站(inbound)到變送器100的CAN通信時(shí)，圖5B中的放大器550接收線路504上的入站CAN通信，并且放大信號(hào)以在線路514上提供CANRX信號(hào)。CANRX信號(hào)由連接器J4A-4(圖5B)引導(dǎo)至連接器J4-4(圖4)到達(dá)線路408(圖4)，并向CAN控制器406提供CANRX信號(hào)。
在圖5A中，CANTXO信號(hào)施加到反相器532的輸入端。反相器532的布置確保了前沿和后沿被陡峭地限定，并且反相器532輸出端處的信號(hào)具有低阻抗。反相器532的輸出被連接到包括MOSFET538的顯性驅(qū)動(dòng)器電路580。
圖6示出了適于用于圖2的電路中的電流隔離串行雙向通信電路的例子。電路600包括變壓器602，變壓器602包括第一線圈604，第一線圈604通過(guò)變壓器絕緣材料與第二線圈606電流隔離。絕緣材料形成了電流屏蔽204的一部分，電流屏蔽204將低電平隔離電路201(圖2)與驅(qū)動(dòng)HART和CAN收發(fā)機(jī)線路(圖1)的高電平回路參考電路電流隔離。穿過(guò)電流屏蔽204的信號(hào)是磁性的而非電性的，以提供電氣隔離。
微控制器220(圖2、6)與使用串行通信信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)線圈604的放大器610相連，以發(fā)送出來(lái)自傳感器電路板的數(shù)據(jù)和命令。在線圈606中磁感應(yīng)出對(duì)應(yīng)的串行通信信號(hào)，并且通過(guò)整型網(wǎng)絡(luò)612將來(lái)自傳感器電路板的數(shù)據(jù)和命令耦合到輸出電路板。輸出電路板與使用串行通信信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)線圈606的放大器620相連，以發(fā)送出來(lái)自輸出電路板的數(shù)據(jù)和命令。在線圈604中磁感應(yīng)出對(duì)應(yīng)的串行通信信號(hào)，并且通過(guò)整型網(wǎng)絡(luò)622將來(lái)自輸出電路板的數(shù)據(jù)和命令耦合到傳感器電路板。因此，通過(guò)電路600實(shí)現(xiàn)了雙向通信。
圖7示出了適于用在圖2的電路中的電流隔離電源電路700的例子。電路700包括變壓器702，變壓器702包括通過(guò)變壓器絕緣材料與第二線圈706電流隔離的第一或原線圈704。絕緣材料形成了電流屏蔽204的一部分，電流屏蔽204將低電平隔離電路201(圖2)與驅(qū)動(dòng)HART和CAN收發(fā)機(jī)線路(圖1)的高電平回路參考電路電流隔離。穿過(guò)電流屏蔽204的功率是磁性的而非電性的，以提供電氣隔離。
變壓器702在觸點(diǎn)J5-3和J5-2接收激勵(lì)電流。RC網(wǎng)絡(luò)710與原線圈704串聯(lián)以更好地將變壓器與其在觸點(diǎn)J5-3和J5-2處的驅(qū)動(dòng)相匹配。副線圈706與橋式整流器712相連。橋式整流器712對(duì)副線圈706的輸出進(jìn)行整流，并將整流后的輸出施加到產(chǎn)生第一低電平電源電壓VDDA的第一調(diào)節(jié)器電路714。VDDA優(yōu)選地小于5.5伏以提供低功耗。VDDA連接到產(chǎn)生第二低電平電源電壓VMID的第二調(diào)節(jié)器716。VMID優(yōu)選地小于2.3伏。傳感器電路板718上的共用導(dǎo)線與橋式整流器712、調(diào)節(jié)器714、716和隔離電路201相連。
圖8形象化地示出了過(guò)程變量變送器800。過(guò)程變量變送器800包括一般為圓柱體的主外殼體802。在主體802的第一端，過(guò)程入口804包括用于抓緊扳手的外部六邊形表面806，以及用于螺紋連接到向變送器800輸送過(guò)程流體的過(guò)程管道(未示出)上的內(nèi)部螺紋孔(threaded hole)808。接地螺釘810設(shè)置在主體802上，用于任選地連接主體過(guò)程地之間的接地線路。
在變送器800的第二端，四個(gè)飛線812從密封的電饋通連接器814露出。飛線812包括LOOP+、LOOP-、CAN和GROUND引線。飛線能夠通過(guò)使用絞編接頭(pigtail splice)、旋緊式接頭(wirenut)和卷壓接頭(crimped splicing)設(shè)備方便地和經(jīng)濟(jì)地與現(xiàn)場(chǎng)布線相連。
外殼802內(nèi)的電路板與外界環(huán)境隔離。外殼802作為外殼802內(nèi)部的低電平電路的靜電屏蔽。在優(yōu)選布置中，外殼802具有小于19厘米(7.5英寸)的長(zhǎng)度L和小于5厘米(2英寸)的直徑D。
具有CAN收發(fā)機(jī)輸出的密集裝配式變送器中的噪聲耦合問(wèn)題得以解決，并能夠使用緊湊式變送器外殼。
圖9A-9B共同示出了過(guò)程變量變送器820的實(shí)施例的簡(jiǎn)化圖，突出了變送器820中的某些堆疊式電源特性。當(dāng)圖9A-9B沿著虛線822連接在一起以形成單一的堆疊式電源布置時(shí)，圖9A-9B最易于理解。
通過(guò)將變送器引線WP1、WP2連接到圖9A左側(cè)的兩線、四至二十毫安電流回路824來(lái)為變送器820提供能量。電流回路824包括與負(fù)載電阻828串聯(lián)的DC電源826。變送器820作為電流控制器，控制電流回路824中的回路電流ILOOP為表現(xiàn)過(guò)程變量變送器820所傳感到的過(guò)程變量825的電流電平。在優(yōu)選布置中，電流回路824還傳送疊加在回路電流ILOOP上的雙向HART通信信號(hào)。
來(lái)自電流回路824用于激勵(lì)變送器820的可用激勵(lì)總量嚴(yán)格受限，當(dāng)回路電流ILOOP處于其四毫安回路電流的下限時(shí)，該限制最為嚴(yán)格。在下限時(shí)，流過(guò)變送器的電流總量是4.000毫安并且不能增加(為了滿足變送器激勵(lì)的需求)，因?yàn)殡娏麟娖接米鬟^(guò)程變量825的表示。
在一個(gè)實(shí)施例中，在最壞的情況下，能夠依賴電流回路824在引線WP1、WP2處提供不大于12伏的最小電壓。然而，電流回路824在引線WP1、WP2處提供的電壓是未經(jīng)調(diào)節(jié)的，能夠達(dá)到高達(dá)大約42.4伏的電平，這取決于可變的因素，例如回路電源826的調(diào)節(jié)、回路導(dǎo)線的電阻和4-20mA電流的電平。
變送器820中的電子電路需要為可靠操作而調(diào)節(jié)的電源電壓。因此，變送器820包括第一電壓調(diào)節(jié)器830。為了將變送器820中的電子電路的可用功率最大化，調(diào)整第一電壓調(diào)節(jié)器830以提供最大可能的調(diào)節(jié)電壓輸出840，調(diào)節(jié)電壓輸出840能夠從引線WP1、WP2處施加的最小未調(diào)節(jié)電壓可靠地產(chǎn)生?？紤]到RFI扼流圈832、834和反極性保護(hù)二極管836以及電流傳感電阻838耗盡的壓降，一個(gè)實(shí)施例中相對(duì)于電流求和節(jié)點(diǎn)831(也稱為RETURN831)的最大可能調(diào)節(jié)電壓大約為9.5伏。
在來(lái)自電流回路824的4.000毫安可用電流中，只有大約3.1毫安的電流在本實(shí)施例中的第一電壓調(diào)節(jié)器830的第一電壓輸出840處可用。剩余的0.9毫安電流被保留用于維持足夠的電流流過(guò)達(dá)林頓(darlington)晶體管842，以確?；芈冯娏鱅LOOP能夠被變送器820調(diào)制以在通常指示低電平警報(bào)的3.6mA低電流處產(chǎn)生+/-0.5mA的HART信號(hào)。由NAMUR(Normenarbeitsgemeinshaft für Mess-undRegeltechnik der chemischen Industrie)建立的標(biāo)準(zhǔn)要求4-20mA回路上的電流下降到3.6mA或更低以指示變送器中的警報(bào)情況。當(dāng)變送器處于這種警報(bào)情況時(shí)，HART調(diào)制能夠獲得再低附加0.5mA的電流。在最壞情況下，變送器的電源必須僅使用3.1mA的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。變送器的各種電源功能需要吸入小于3.1毫安的電流，然后變送器820調(diào)節(jié)電流I1(流過(guò)達(dá)林頓晶體管842)從而回路電流處于指示過(guò)程變量電平的4-20毫安范圍內(nèi)的電平上，并且也在指示警報(bào)情況的3.6mA的電平上。
在一個(gè)實(shí)施例中，第一電壓輸出840處的可用總功率因此大約為P＝VI＝(9.5伏)(3.1mA)＝29.45毫瓦。這個(gè)可用總功率根據(jù)毫瓦數(shù)足夠激勵(lì)控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)電流負(fù)載844和其它變送器負(fù)載，例如模擬電路負(fù)載846、變壓器驅(qū)動(dòng)電路負(fù)載848、modac負(fù)載850以及數(shù)字和微計(jì)算機(jī)電路負(fù)載852。
MODAC850是結(jié)合了MODEM和DAC功能的電路。MODEM在節(jié)點(diǎn)831處的傳感電壓中傳感HART調(diào)制。MODEM還能通過(guò)放大器811(圖9A)向達(dá)林頓晶體管842發(fā)送HART調(diào)制。DAC將過(guò)程變量的數(shù)字表示(微控制器(uC)電路852所提供)轉(zhuǎn)換為模擬電流，用作回路電流控制器843的輸入。
然而，發(fā)現(xiàn)變送器電路負(fù)載的電壓和電流特性(負(fù)載特性)與第一電壓調(diào)節(jié)器830的電壓和電流特性(電源特性)不是很好地匹配。變送器電路負(fù)載要求電源電流加起來(lái)到大約4.1毫安，大大超過(guò)了來(lái)自第一電壓調(diào)制器830的可用3.1毫安。具體地，當(dāng)外部CAN設(shè)備吸入0.5毫安的電流時(shí)，最壞情況下CAN電路負(fù)載844需要大約0.6毫安的電流。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解，本申請(qǐng)中提到的電流的具體電平僅僅是示例性的，在4-20mA標(biāo)準(zhǔn)、NAMUR3.6mA標(biāo)準(zhǔn)和+/-0.5mA HART調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，其它的電流電平能夠用于設(shè)計(jì)變化中。設(shè)置電源電流限制，以便不干擾電流回路在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)運(yùn)行。
變送器電路負(fù)載(844、846、848、850)還需要典型地處于大約為5.2至3.0伏范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)后電源電壓，比第一電壓調(diào)節(jié)器830提供的典型值9.5伏小不少。
因此，在電流回路824的電壓和電流特性與變送器電路負(fù)載844、846、848、850的電壓和電流特性之間出現(xiàn)了全面的失配。電流回路824的特性由長(zhǎng)期存在的工業(yè)儀器標(biāo)準(zhǔn)而確定，該標(biāo)準(zhǔn)基于固有安全電路的物理性質(zhì)，并且由于實(shí)際原因不能被顯著地改變。負(fù)載844、846、848、850的特性由可用的低功率集成電路確定，因而沒(méi)有實(shí)際機(jī)會(huì)來(lái)改變負(fù)載特性。必須傳感回路電流ILOOP并提供反饋以確?；芈冯娏骶_地對(duì)應(yīng)變送器測(cè)量的過(guò)程變量825這個(gè)事實(shí)使得上述問(wèn)題更加復(fù)雜。為了提供反饋，電流傳感電阻器838被設(shè)置為傳感電流I1(流過(guò)達(dá)林頓晶體管842)、電流I2(用于激勵(lì)第一電壓調(diào)節(jié)器830)和電流I3(用于激勵(lì)第二調(diào)節(jié)器854)?；芈冯娏骺刂破?43基于反饋控制電流I1，從而回路電流ILOOP處于正確的電平上以指示過(guò)程變量825。
正引線WP1和負(fù)引線WP2將回路電流ILOOP送入和送出變送器820。在變送器820內(nèi)部，回路電流ILOOP分為幾個(gè)電流分量，包括第一電流I1、第二電流I2、第三電流I3和第四電流I4。一般地，ILOOP＝I1+I2+I3+I4，除了某些小的固定偏置電流，這些固定偏置電流能夠流過(guò)但并不在回路電流中引入錯(cuò)誤，因?yàn)樾?zhǔn)有效地消除了它們。
變送器820包括回路電流控制器843?；芈冯娏骺刂破?43包括電流傳感電阻器838。電流傳感電阻器838傳送第一電流I1、第二電流I2和第三電流I3。電流傳感電阻器838在節(jié)點(diǎn)831處產(chǎn)生傳感電壓，沿著反饋線路845反饋到回路電流控制器843的輸入端?；芈冯娏骺刂破?43控制第一電流I1作為過(guò)程變量825(MODAC850提供的輸入)和節(jié)點(diǎn)831處的傳感電壓的函數(shù)。然而，電流傳感電阻器838不傳送電流I4。電流I4從電流傳感電阻器旁流過(guò)并直接返回到負(fù)引線WP2。
變送器820包括連接到正引線WP1用于激勵(lì)的第一電壓調(diào)節(jié)器830。第一電壓調(diào)節(jié)器830提供第一電壓輸出840。第一電壓調(diào)節(jié)器830由電流I2激勵(lì)。電流I2經(jīng)過(guò)第一電壓調(diào)節(jié)器830并通過(guò)經(jīng)過(guò)電流傳感電阻器838返回到負(fù)引線WP2。
變送器820包括連接到第一電壓輸出840用于激勵(lì)的第二電壓調(diào)節(jié)器854。第二電壓調(diào)節(jié)器854提供第二電壓輸出856。第二電壓調(diào)節(jié)器854由第三電流I3激勵(lì)。第三電流I3沿著線路855從第二調(diào)節(jié)器854連接到電流傳感電阻器838。
變送器820包括吸入第一負(fù)載電流849的第一負(fù)載848(變壓器驅(qū)動(dòng)電路負(fù)載848，其驅(qū)動(dòng)例如圖7中的變壓器)，第一負(fù)載電流849在第一電壓輸出840和第二電壓輸出856之間流動(dòng)。
變送器包括第二負(fù)載，第二負(fù)載包括控制器局域網(wǎng)絡(luò)負(fù)載844和負(fù)載846、850、852。第二負(fù)載還包括返回到共用(COMMON)的多個(gè)小固定偏置電流。第二負(fù)載吸入第二負(fù)載電流858，第二負(fù)載電流858在第二電壓輸出856和通過(guò)扼流圈834連接到負(fù)引線WP2的共用引線之間流動(dòng)。第二負(fù)載電流858從電流傳感電阻器838旁流過(guò)。
第二調(diào)節(jié)器854僅提供第二負(fù)載電流858(I4)的一部分。第一負(fù)載電流849在流過(guò)第一負(fù)載848后，還流過(guò)第二負(fù)載。第一負(fù)載848使用的電流被第二負(fù)載有效地再利用，因?yàn)榈谝缓偷诙?fù)載是堆疊的，或換句話說(shuō)，是串聯(lián)的。對(duì)第一負(fù)載電流的再利用減小了第二調(diào)節(jié)器需要提供的電流量。負(fù)載電流電阻器860傳送第二負(fù)載電流。第二調(diào)節(jié)器將節(jié)點(diǎn)862處的電壓調(diào)節(jié)至固定電壓，優(yōu)選地為4.3伏。第二電壓856因而包括兩個(gè)電壓分量。第二電壓856包括典型地是4.3伏的調(diào)節(jié)分量。第二電壓856還包括可變電壓分量，該分量作為電阻器860兩端的電壓降的函數(shù)而變化。電阻器860兩端的電壓降因而包括與第二負(fù)載電流858成比例的分量。
回路電流控制器843接收線路857上的第二電壓856。回路電流控制器843傳感第二電壓856從而為從電流傳感電阻器838旁流過(guò)的第二負(fù)載電流858校正第一電流I1?；芈冯娏骺刂破?43因而控制電流I1作為過(guò)程變量(電阻器838傳感到的回路電流)的函數(shù)，并且作為第二負(fù)載電流的函數(shù)，即使第二負(fù)載電流沒(méi)有流過(guò)電阻器838。第一和第二負(fù)載的堆疊允許負(fù)載電壓相加以更好地匹配可用的調(diào)節(jié)后電壓。第一和第二負(fù)載的堆疊允許可用的調(diào)節(jié)后電流的一部分流過(guò)第一和第二負(fù)載、有效地再利用電流，并允許總負(fù)載電流超過(guò)來(lái)自回路的可用的調(diào)節(jié)后電流。變送器820因而能夠支持控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)負(fù)載和其它變送器負(fù)載，而不超過(guò)電流回路824的電流和電壓限制。
圖10示出了CAN電流限幅器914，CAN電流限幅器914限制了隱性驅(qū)動(dòng)器582(也在圖5A中示出)能夠向CAN總線504(也在圖5A中示出)提供的電流總量。圖10中所使用的與圖5B中使用的標(biāo)號(hào)和術(shù)語(yǔ)相同的標(biāo)號(hào)和術(shù)語(yǔ)表示相同的或相似的特征。
無(wú)論何時(shí)CAN總線處于隱性狀態(tài)(高電平，典型地為+3伏)，DC電源通過(guò)CAN總線504提供給外部CAN設(shè)備(例如LCD)。在顯性狀態(tài)(低電平，典型地為+1伏)期間，對(duì)體電容器904進(jìn)行充電，然后一旦CAN總線504回到隱性狀態(tài)，充足的電荷可以用于向CAN總線504提供高電流脈沖。
通過(guò)電流限幅器914提供了CAN物理層功率，電流限幅器914被設(shè)計(jì)用于將隱性驅(qū)動(dòng)器582從電源導(dǎo)線906(CAN VDD)吸入的電流限制為固定的界限。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，固定界限為500微安。此電流限幅器914確保CAN總線504的過(guò)載或短路不會(huì)強(qiáng)制變送器超出4-20毫安電流回路(例如圖10中的電流回路824)上的變送器預(yù)算靜止電流范圍。電流限幅器914限制了CAN總線504可用的直流電，以避免CAN總線504上的過(guò)載或短路在4-20mA變送器電流回路上引起規(guī)模(on scale)錯(cuò)誤。當(dāng)CAN總線504處于低電平時(shí)，體存儲(chǔ)電容器904存儲(chǔ)電荷。當(dāng)CAN總線504處于高電平時(shí)，電荷被轉(zhuǎn)移到由CAN總線504激勵(lì)的外部CAN設(shè)備930。
電流限幅器914包括運(yùn)算放大器912。運(yùn)算放大器912是控制場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)916以建立電流限制的軌到軌(rail-to-rail)輸入/輸出(I/O)組件。電流限幅器914包括傳感電阻器918，傳感電阻器918傳感從+4.3V干線926流到CAN VDD線路906的電流。電流限幅器914包括形成分壓器的電阻器920、922，分壓器建立了放大器912的電流限制參考。電流限幅器914在線路924(+3V)和線路926(+4.3V)之間，以確保變送器有序的啟動(dòng)順序，下文結(jié)合圖13更詳細(xì)地描述。
為了以有效的方式向CAN總線504上的輔助負(fù)載提供功率，當(dāng)CAN總線504處于低電平時(shí)，物理層存儲(chǔ)電荷；當(dāng)CAN總線504變回高電平時(shí)向CAN總線504轉(zhuǎn)移電荷。體電容器904完成這一步驟。
由于電容器904通過(guò)限制電流的FET916進(jìn)行充電，當(dāng)CAN總線504從電容器904拉出高峰值電流時(shí)，電容器904上的電壓立即下降。在一個(gè)實(shí)施例中，電容器904的值足夠大以在通信過(guò)程中維持3.0伏的工作電壓。這確保了例如LCD的外部CAN設(shè)備具有充足的電源電壓來(lái)操作。電容器904在通信分組之間進(jìn)行補(bǔ)充。
為了在首次施加功率時(shí)正確啟動(dòng)或從短路CAN總線504恢復(fù)，啟動(dòng)短路586提供了可選的通道來(lái)向CAN總線504提供電流。為了滿足這個(gè)需求，在體存儲(chǔ)電容器904完全充電后，啟動(dòng)電路586中的PNP晶體管902導(dǎo)通，以向CAN總線504提供功率。啟動(dòng)電路586在啟動(dòng)時(shí)或在總線被短路接地后的故障恢復(fù)時(shí)將CAN總線拉高。啟動(dòng)電路586通過(guò)允許體電容器904在向CAN總線504提供任意電流之前進(jìn)行完全的充電，提供了有序的上電，并有效地利用功率。當(dāng)CAN總線504處于低電平時(shí)，CAN物理層關(guān)閉隱性驅(qū)動(dòng)器582以保存電流。這在啟動(dòng)時(shí)或總線被短路接地后帶來(lái)問(wèn)題。由于總線在兩種情況中任一情況下都處于低電平，隱性驅(qū)動(dòng)器582將會(huì)關(guān)閉。不能將總線拉高以啟動(dòng)總線或從短路的情況下恢復(fù)。雙極型PNP晶體管902提供了上拉路徑以執(zhí)行該功能。晶體管902的發(fā)射極通過(guò)電阻器908連接到線路906(CAN VDD)，晶體管902的基極連接到+3V(如圖所示直接連接或通過(guò)電阻器連接)且晶體管902的集電極連接到CAN總線504。在本實(shí)施例中，一旦線路906達(dá)到約3.6V，晶體管902將會(huì)導(dǎo)通，且向CAN總線504提供電流。這建立了足以滿足物理層需求的3.6V干線906。一旦干線906達(dá)到3.6V，電容器904被完全充電從而沒(méi)有存儲(chǔ)附加電荷的余地。使用上拉機(jī)制向CAN總線504提供電流是可以接受的。
如果CAN總線504被加載了過(guò)量負(fù)載910，電流將流到地線但線路906將被固定到3.6V。如果總線上沒(méi)有DC負(fù)載，電流將流過(guò)晶體管902基極/發(fā)射極接合點(diǎn)并進(jìn)入+3.0V干線以進(jìn)行再利用。額外的好處是物理層在所有時(shí)間吸入固定的電流，從而DC功率限制電路不處于動(dòng)態(tài)應(yīng)用，借此使與串行總線相關(guān)的開(kāi)關(guān)負(fù)載保持與+4.3V內(nèi)部干線和4-20mA回路調(diào)節(jié)電路相隔離。這允許使用相對(duì)低速、低功率的運(yùn)算放大器912。
可選的診斷電路932能夠增加到圖10所示的電路中。診斷電路932連接到CAN電源電路，并在線路504上提供指示施加到CAN總線的功率的調(diào)節(jié)狀態(tài)的診斷輸出934。如果出現(xiàn)過(guò)量負(fù)載910(例如過(guò)量電纜電容)，診斷輸出934能夠向操作者警告該問(wèn)題。當(dāng)超過(guò)電流限幅器914設(shè)定的0.5mA電流界限Iset時(shí)負(fù)載過(guò)量。診斷輸出934優(yōu)選地連接到微控制器，該微控制器是圖9B中的數(shù)字uC電路852的一部分。
在優(yōu)選布置中，診斷電路932包括PNP晶體管936，PNP晶體管936的發(fā)射極與晶體管902的基極相連，PNP晶體管936的基極與+3V相連且PNP晶體管936的集電極與連接到DC共用的電阻器938相連。診斷輸出934與電阻器938和晶體管936的集電極的結(jié)合點(diǎn)相連。
圖11示出了適于用在例如圖9A-9B、10所示的那些變送器中的電源電路。圖11中使用的與圖9A-9B、10中所使用的標(biāo)號(hào)相同的標(biāo)號(hào)表示相同的或相似的特征。
CAN外部設(shè)備930具有能夠在啟動(dòng)時(shí)被編程或被配置、以及能夠在使用中時(shí)常被重新配置的特定特征。CAN配置數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線504發(fā)送到CAN外部設(shè)備930，以配置CAN外部設(shè)備930。
通過(guò)使用HART協(xié)議向變送器供電的兩線4-20回路發(fā)送CAN配置數(shù)據(jù)。modac 850接收包括CAN配置數(shù)據(jù)的HART消息，對(duì)HART消息進(jìn)行解調(diào)，并且向微控制器950提供CAN配置數(shù)據(jù)。微控制器950向EEPROM電路952發(fā)送CAN配置數(shù)據(jù)，在EEPROM電路952中非易失地存儲(chǔ)為存儲(chǔ)的CAN配置數(shù)據(jù)954。一旦對(duì)CAN外部設(shè)備930進(jìn)行配置，與兩線4-20毫安回路相連的另一HART設(shè)備(典型地為過(guò)程控制系統(tǒng))能夠與CAN外部設(shè)備930進(jìn)行通信。
每當(dāng)CAN總線504重新啟動(dòng)時(shí)，微控制器950自動(dòng)地從EEPROM電路952中檢索CAN配置數(shù)據(jù)的當(dāng)前版本，然后利用CAN電路956將CAN配置數(shù)據(jù)的當(dāng)前版本發(fā)送到外部CAN設(shè)備930。
有時(shí)，在激勵(lì)變送器的兩線4-20mA回路上可能出現(xiàn)瞬間的功率中斷(“限制用電”)。如果這些限制用電中的一個(gè)在微控制器950將CAN配置數(shù)據(jù)寫入EEPROM952時(shí)發(fā)生，那么沒(méi)有完成對(duì)數(shù)據(jù)的寫入，而且存儲(chǔ)的CAN配置數(shù)據(jù)954可能被破壞或過(guò)時(shí)。發(fā)生這種情況后，假定當(dāng)前配置CAN外部設(shè)備930，過(guò)程控制系統(tǒng)可能隨后試圖與外部CAN設(shè)備930進(jìn)行通信，雖然事實(shí)上CAN外部設(shè)備930具有過(guò)時(shí)的或破壞的配置。這種假定的和實(shí)際的CAN配置數(shù)據(jù)的失配能夠?qū)е驴刂葡到y(tǒng)的故障。為了減少這種失配的可能性，提供了下文描述的電路以避免這種失配。
為+3V電源干線提供了儲(chǔ)能電容器958，+3V電源電壓下降緩慢且維持+3V電源足夠長(zhǎng)的時(shí)間，從而在回路激勵(lì)被移去后全部完成向EEPROM952的CAN配置數(shù)據(jù)寫入。為第一調(diào)節(jié)電壓840(+9.5V)僅提供了小的能量存儲(chǔ)器，從而當(dāng)回路激勵(lì)移去時(shí)+9.5V電源很快下降。
+9.5V電源由包括電阻器960、962的電阻分壓器來(lái)傳感。比較器964具有與電阻分壓器的輸出966相連的第一輸入端，并且具有與固定參考電壓968相連的第二輸入端。比較器964對(duì)電阻分壓器的輸出966與固定參考電壓968進(jìn)行比較。當(dāng)回路激勵(lì)被中斷時(shí)，比較器輸出970發(fā)出指示。比較器輸出970與向微控制器950(當(dāng)回路激勵(lì)被中斷時(shí)被驅(qū)動(dòng))提供限制用電輸出974的FET972相連。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)限制用電輸出974時(shí)，微控制器950通過(guò)兩個(gè)動(dòng)作進(jìn)行響應(yīng)。在第一個(gè)動(dòng)作中，微控制器950使用HART通信向過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)置警告標(biāo)記。標(biāo)記維持設(shè)置，下一次出現(xiàn)HART通信時(shí)，標(biāo)記被包括進(jìn)通信中，警告操作者當(dāng)前已經(jīng)出現(xiàn)了限制用電的情況。警告標(biāo)記將CAN配置數(shù)據(jù)可能已經(jīng)被限制用電破壞的可能性警告給過(guò)程控制系統(tǒng)。在功率恢復(fù)后，過(guò)程控制系統(tǒng)通過(guò)重復(fù)發(fā)送CAN配置數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行響應(yīng)。在第二個(gè)動(dòng)作中，微控制器950通過(guò)延遲其它微控制器任務(wù)并在由于電容器958中的能量存儲(chǔ)使+3V電源仍舊可用時(shí)快速地完成對(duì)存儲(chǔ)CAN配置數(shù)據(jù)954的寫入來(lái)進(jìn)行響應(yīng)。這兩個(gè)動(dòng)作確保外部CAN設(shè)備的配置在限制用電時(shí)不會(huì)過(guò)時(shí)或被破壞。
圖12示出了適于用在例如圖9A-9B、10、11中示出的變送器中的電源電路。圖12中使用的與圖9A-9B、10、11中所使用的標(biāo)號(hào)相同的標(biāo)號(hào)表示相同的或相似的特征。
變送器中的數(shù)字和微控制器電路(例如圖9B中的數(shù)字和微控制器電路852)從包括相對(duì)大電流峰值的+3V電源吸入電流。這些相對(duì)大的電流峰值能夠引起+3V電壓調(diào)節(jié)器電路1000的輸出不穩(wěn)定。來(lái)自一個(gè)電路的電流峰值能夠作為與+3V電源相連的其他電路上的噪聲輸入。具體地，微計(jì)算機(jī)950、EEPROM952和霍爾(Hall)效應(yīng)開(kāi)關(guān)1002、1004趨于產(chǎn)生噪聲峰值。
+3V調(diào)節(jié)器1000提供調(diào)節(jié)器輸出，該輸出由電阻器1006連接到+3V總線。電阻器1006典型地大約是10歐姆。+3V干線由儲(chǔ)能電容器1008旁路。儲(chǔ)能電容器1008典型地大約是22微法。電阻器1006和電容器1008的布置形成了RC低通濾波器，RC低通濾波器趨于將調(diào)節(jié)器1000從其+3V總線上的負(fù)載去調(diào)或退耦。使用RC濾波器的布置趨于提高調(diào)節(jié)器輸出的穩(wěn)定性。
+3V總線通過(guò)包括電阻器1010和電容器1012的低通RC濾波器與微控制器相連。電阻器1010典型地是150歐姆且電容器1012典型地是1微法。這個(gè)布置趨于將+3V總線與微控制器950產(chǎn)生的噪聲峰值相隔離，反之亦然。
+3V總線通過(guò)包括電阻器1014、1016和電容器1018的低通RC濾波器與EEPROM952相連。電阻器1014典型地是270歐姆且電容器1018典型地是47微法。電阻器1016典型地是47歐姆，并且限制了流向電容器1018的電流。這個(gè)布置趨于將+3V總線與EEPROM952產(chǎn)生的噪聲峰值相隔離，反之亦然。
+3V總線通過(guò)FET1020選擇性地與霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)1002、1004相連。微控制器950在線路1022上驅(qū)動(dòng)輸出SWSTART以導(dǎo)通FET1020，并將+3V總線連接到線路1024。RC網(wǎng)絡(luò)1026、1028將線路1024上的激勵(lì)連接到霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)1002、1004?；魻栃?yīng)開(kāi)關(guān)1002、1004能夠由手持磁體驅(qū)動(dòng)，以手動(dòng)地為回路電流設(shè)置范圍和零點(diǎn)設(shè)定?；隍?qū)動(dòng)，霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)1002、1004趨于從功率干線吸入大電流峰值。
圖13示出了例如圖9A、9B、11、12中所示的變送器電路的激勵(lì)的簡(jiǎn)化時(shí)序圖。在圖13中，水平軸1050代表時(shí)間且垂直軸代表針對(duì)每一個(gè)所表示的信號(hào)的完全激勵(lì)是否出現(xiàn)。“高”電平指示信號(hào)已經(jīng)達(dá)到了完全激勵(lì)電平，“低”電平指示小于完全激勵(lì)。
時(shí)序圖示出了變送器中電源干線的完全激勵(lì)的排序，從而，在啟動(dòng)和關(guān)閉期間能量的分配，在啟動(dòng)期間偏向早激勵(lì)微控制器，而在關(guān)閉期間偏向晚去激勵(lì)微控制器。微控制器包括軟件引導(dǎo)序列，軟件引導(dǎo)序列比變送器中其它電路的啟動(dòng)序列要長(zhǎng)。
在4.3V電源達(dá)到其全值之前，引導(dǎo)微控制器的控制器并控制MODAC是重要的。這種布置避免了使回路電流控制器吸入過(guò)電流的初始峰值，該過(guò)電流初始峰值可能被外部控制回路誤解為警報(bào)信號(hào)。
當(dāng)出現(xiàn)限制用電或激勵(lì)被移去時(shí)，微控制器完成對(duì)CAN配置數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)也是重要的。如上文結(jié)合圖11所述，第一輸出(+9.5V)的下跌向微控制器通告完成CAN配置數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，而且在+3V干線下降到微控制器不能再工作的低電平之前，大電容958使微控制器950保持操作足夠長(zhǎng)的時(shí)間直至完成存儲(chǔ)。
示出了過(guò)程控制回路的序列，該過(guò)程控制回路最初關(guān)閉，然后在1052處被完全激勵(lì)，并且在1054處下降到完全激勵(lì)以下。1054處的轉(zhuǎn)變是限制用電或回路激勵(lì)斷開(kāi)的例子。
當(dāng)回路在1052處被首先激勵(lì)時(shí)，向微控制器提供激勵(lì)的調(diào)節(jié)器(例如圖12中的調(diào)節(jié)器1000或圖9B中的+3V調(diào)節(jié)器)向相對(duì)大的電容(例如圖12中的電容器1008、1012、1018)充電，從而調(diào)節(jié)器的輸入電源(例如圖9B、12中的+4.3V干線)屬于重負(fù)載。+3V調(diào)節(jié)器的輸出在圖13中1056處進(jìn)入調(diào)節(jié)。接下來(lái)，+4.3V功率在1058、1060處按順序到達(dá)CAN電路和模擬電路。最后，第一調(diào)節(jié)電壓(+9.5V)在1062處進(jìn)入調(diào)節(jié)。
當(dāng)回路的全部功率在1054處失去時(shí)，+9.V干線快速下降，并且微控制器在1064處接收到限制用電標(biāo)記，通告微控制器完成任意的正在進(jìn)行的CAN配置存儲(chǔ)。圖11中所示的電路示出了這種限制用電標(biāo)記是怎樣產(chǎn)生的。接下來(lái)，按順序地，4.3V干線下降并且在1066、1068處CAN電路和模擬電路失去激勵(lì)。最后，微控制器在1070處最后失去其激勵(lì)。
盡管參考優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解，在不背離本發(fā)明的范圍的前提下，可以在形式和細(xì)節(jié)上進(jìn)行改變。
權(quán)利要求
1.一種過(guò)程變量變送器，包括變送器輸出電路，提供雙向HART和控制器局域網(wǎng)絡(luò)通信收發(fā)機(jī)線路及傳感器電路接口觸點(diǎn)；以及與傳感器電路接口觸點(diǎn)相連的隔離電路，包括傳感過(guò)程變量的傳感器電路，所述隔離電路還包括將傳感器電路與HART和控制器局域網(wǎng)絡(luò)收發(fā)機(jī)線路電流隔離的電流隔離屏蔽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)程變量變送器，其中傳感器電路包括第一和第二低電平電源導(dǎo)線，而且第一和第二低電平電源導(dǎo)線之間的電壓差不大于5.5伏。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的過(guò)程變量變送器，還包括圍繞傳感器電路并與第一低電平電源導(dǎo)線相連的靜電屏蔽。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的過(guò)程變量變送器，包括與靜電屏蔽電氣連接的過(guò)程流體入口。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的過(guò)程變量變送器，其中靜電屏蔽包括可連接到過(guò)程地的變送器外表面上的端子。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)程變量變送器，其中隔離電路包括電流隔離電源，所述電源包括隔離屏蔽的第一部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的過(guò)程變量變送器，其中電流隔離電源包括變壓器，所述變壓器包括彼此電氣絕緣的第一和第二變壓器線圈。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的過(guò)程變量變送器，其中隔離電路還包括電流隔離串行雙向通信電路，所述串行雙向通信電路包括隔離屏蔽的第二部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的過(guò)程變量變送器，其中電流隔離串行雙向通信電路包括隔離變壓器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的過(guò)程變量變送器，其中電流隔離串行雙向通信電路包括光隔離器。
11.一種控制回路電流的變送器，包括傳送回路電流的正和負(fù)引線，回路電流包括變送器中的第一、第二、第三和第四電流；回路電流控制器，包括電阻器，所述電阻器傳送第一電流并控制第一電流作為過(guò)程變量和電阻器處的傳感電壓的函數(shù)；連接到正引線的第一調(diào)節(jié)器，提供第一電壓，并連接通過(guò)所述電阻器的第二電流；連接到第一電壓的第二調(diào)節(jié)器，提供第二電壓，并連接通過(guò)所述電阻器的第三電流；第一負(fù)載，在第一電壓和第二電壓之間傳送第一負(fù)載電流；第二負(fù)載，包括控制器局域網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，并連接第二電壓和負(fù)引線之間的第二負(fù)載電流，第二負(fù)載電流旁路所述電阻器；以及回路電流控制器，傳感第二電壓從而校正旁路電阻器的負(fù)載電流的第一電流。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的變送器，其中第一和第二負(fù)載在電氣地串聯(lián)的電路中堆疊，至少部分第一負(fù)載電流流過(guò)第二負(fù)載。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的變送器，其中第一負(fù)載電流與第二負(fù)載電流的和超過(guò)了回路電流的下限。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的變送器，其中第一和第二負(fù)載具有與回路電流的電源特性不匹配的負(fù)載特性。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的變送器，其中回路電流控制器基于反饋控制第一電流，從而回路電流指示了過(guò)程變量。
16.一種可與回路相連的過(guò)程變量變送器，包括控制器局域網(wǎng)絡(luò)輸出連接，包括CAN總線觸點(diǎn)和共用觸點(diǎn)；電流限幅器電路，吸入電源電流并提供存儲(chǔ)能量輸出；電源限幅器電路，提供電源電流限制；隱性驅(qū)動(dòng)器電路，從存儲(chǔ)能量輸出吸入驅(qū)動(dòng)電流，并且將驅(qū)動(dòng)電流連接到CAN總線觸點(diǎn)，隱性驅(qū)動(dòng)器電路提供驅(qū)動(dòng)電流限制；以及與CAN總線相連的顯性驅(qū)動(dòng)器電路。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的過(guò)程變量變送器，其中電流限幅器電路包括體電容器。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的過(guò)程變量變送器，其中設(shè)定了電源電流限制，以便不干擾電流回路的運(yùn)行。
19.一種過(guò)程變量變送器，包括由第一電源干線激勵(lì)的微控制器；EEPROM電路，存儲(chǔ)從微控制器接收到的控制器局域網(wǎng)絡(luò)配置數(shù)據(jù)；以及由第二電源干線激勵(lì)的控制器局域網(wǎng)絡(luò)電路，從微控制器接收控制器局域網(wǎng)絡(luò)配置數(shù)據(jù)；并且當(dāng)變送器去激勵(lì)時(shí)，第一電源干線的激勵(lì)按順序在第二電源干線的激勵(lì)之后下降。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的過(guò)程變量變送器，其中當(dāng)變送器被激勵(lì)時(shí)，第一電源干線在第二電源干線之前被激勵(lì)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的過(guò)程變量變送器，其中第一電源干線包括用于退耦峰值的低通RC濾波器。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的過(guò)程變量變送器，其中控制器局域網(wǎng)絡(luò)電路包括KEYS電路，當(dāng)按下本地操作員接口的按鍵時(shí)，所述KEYS電路中斷CAN通信。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的過(guò)程變量變送器，其中微控制器在啟動(dòng)時(shí)先于控制器局域網(wǎng)絡(luò)電路被激勵(lì)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的過(guò)程變量變送器，其中微控制器在關(guān)閉時(shí)在控制器局域網(wǎng)絡(luò)電路去激勵(lì)后，維持激勵(lì)。
25.一種過(guò)程變量變送器，包括微控制器；與微控制器相連的控制器局域網(wǎng)絡(luò)電路，向外部CAN總線提供電流；以及與控制器局域網(wǎng)絡(luò)電路相連并傳感流向外部CAN總線的電流的診斷電路；診斷電路向控制器提供用于指示電流超過(guò)設(shè)定限制的診斷輸出。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的過(guò)程變量變送器，其中診斷電路包括晶體管，所述晶體管的發(fā)射極與控制器局域網(wǎng)絡(luò)電路相連，并且所述晶體管的集電極與診斷輸出相連。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的過(guò)程變量變送器，其中診斷電路還包括連接在集電極和DC共用之間的電阻器。
全文摘要
一種過(guò)程變量變送器(100)，優(yōu)選地包括提供雙向HART和控制器局域網(wǎng)絡(luò)收發(fā)機(jī)線路(LOOP+，LOOP－，CAN，GND)的變送器輸出電路(400，300)。變送器輸出電路還包括傳感器電路接口觸點(diǎn)(202)。隔離電路(201)連接到傳感器電路接口觸點(diǎn)。隔離電路包括傳感過(guò)程變量的傳感器電路。隔離電路還包括將傳感器電路與HART和控制器局域網(wǎng)絡(luò)收發(fā)機(jī)線路電流隔離的電流隔離屏蔽(204)。堆疊的電源(圖9A－9B)提供功率管理。其它方面可以包括控制器局域網(wǎng)絡(luò)電流限幅器診斷輸出(934)，微控制器的啟動(dòng)和關(guān)閉的時(shí)序，本地操作員接口和功率管理。
文檔編號(hào)G01L19/08GK1938734SQ200580010070
公開(kāi)日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2005年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月29日
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