具有差动输入级的HART 模拟量输入模块

摘要

具有差动输入级的HART模拟量输入模块，包括：多个输入级处理器，其在从相应的HART现场设备输入与DC信号和HART通信信号叠加的信号的情况下，被分别接至多个HART现场设备以从输入信号中检测出DC信号和HART通信信号，并输出该DC信号和HART通信信号；多路复用器，其响应于被提供的控制信号，顺序地输出分别从每个输入级处理器输出的DC信号和HART通信信号；A/D转换处理器，其将从多路复用器顺序输出的每个通道的DC信号转换成数字信号；HART调制解调器，其解调从多路复用器顺序输出的每个通道的HART通信信号；以及控制器，其提供控制信号至多路复用器并处理从A/D转换处理器和HART调制解调器输出的数字信号。

说明书

技术领域

本公开的示例性实施例涉及一种具有差动输入级的HART模拟量输入模 块，更具体地，涉及被配置为有效地进行HART通信，同时保持了相对于模 拟信号在噪声特性方面有所改善的差动结构的具有差动输入级的HART模拟 量输入模块。

背景技术

模拟量输入模块被广泛地用于工业领域，包括食品包装机、各种工业炉、 半导体制造设备和塑料成型机，且伴随着对高性能、智能发送器及其有效管 理日益增长的需求，近来要求在发送器和PLCs（可编程逻辑控制器）之间的 通信功能。

PLC是通用控制设备，被配置为通过用包括集成电路和晶体管的半导体 器件来取代常规的控制面板的继电器、计时器和计数器功能，且通过给基本 时序控制功能增加操作功能来允许程序控制。

由发送器广泛采用的当前的通信方式遵守HART（高速可寻址远程传感 器）通信协议。一般来说，HART通信协议支持专用导线或导线组上的组合 的数字信号和模拟信号，其中，在线处理信号（例如，控制信号、传感器测 量值等）被提供作为模拟电流信号（例如，范围从4mA～20mA），且对两线 型仪器的信息使用和管理具有极佳的改善效果。

HART通信协议支持在模拟信号中测得的并给数字信号增加信息的测量 值（处理变量）的输出。HART通信协议支持设置各种参数，远程校准发送 器，且甚至进行故障诊断，由此，利用与现场仪器操作有关的充足的信息， 可以从控制室三维监控现场情况。

迅速发展的PLC的用途已经逐步扩展到近来的分布式控制系统领域，因 此结果是，在PLC中同样也要求在分布式控制系统中大量使用的HART通信 功能。

HART协议利用FSK（移频键控）标准在4mA～20mA模拟信号之上叠 加低电平的数字信号。HART协议以1200bps通信，无需中断4mA～20mA 信号并允许主机应用程序（主机）每秒从现场设备获得两次或更多次的数字 更新。因为数字FSK信号是相位连续的，且HART通信信号的平均值是零， 因此不会干扰4-20mA模拟信号。

同时，在用于诸如PLC的工业仪器中的模拟量输入模块被连接至各种 HART现场仪器的情况下，产品必须配备有将模拟信号转换成数字信号的功 能，也要配备有与HART现场仪器进行HART通信的功能。

通过HART调制解调器由模拟量输入模块来完成HART通信信号的产生 和解译。为了实现正常的功能，必须持续保持HART通信信号的接地电位直 到HART通信信号从模拟量输入模块的输入端子被发送至HART调制解调 器。

尽管单端型输入端子提供了这种情况下所需的结构，但是显露出来的是 扰乱通道之间绝缘状态的问题和放弃了在噪声特性方面极佳的差动结构的问 题。也就是说，为了允许HART调制解调器正常地识别出所检测出的HART 通信信号，在每个处理HART通信信号的元件处的HART通信信号的电位必 须完全相同，且为此目的而使用的单端配置意味着被连接至模拟量输入模块 的每个HART现场设备的地线都是共用的。

例如，被分别连接至各个通道的几个HART现场设备的地线都被共同地 连接至模拟量输入模块的地线以允许在相同的接地电位上进行操作。这意味 着，在HART现场设备中的任何一个地线上出现故障，故障可以被发送至结 构不同的HART现场设备的地线和模拟量输入模块的地线。

另外，众所周知，单端信号输入电路不能消除共模噪声，使得将共模噪 声引入共地电路中的路径随着通道数增多而成比例地增加。

因为其中一种方法在结构上解决了上述问题，尽管可以配置为每个通道 都具有独立的信号处理电路，但是要求信号处理组件数和通道数一样多，不 利的是增加了制造成本。

发明内容

本公开的示例性方案至少基本上解决了上述问题和/或缺陷并至少提供 了如下所述的优点。因而，本公开的目的在于提供具有差动输入级的HART 模拟量输入模块，其被配置为通过使用和处理具有公共组件的多个通道信号 来保持处理HART通信信号所要求的单端配置。

本公开的另一个目的是提供具有差动输入级的HART模拟量输入模块， 其被配置为通过差动地配置模拟量输入模块的输入级并防止被接至每个通道 的HART现场设备的接地异常影响其他通道来有效地运行HART通信。

在本公开的一个总体方案中，提供一种具有差动输入级的HART模拟量 输入模块，所述HART模拟量输入模块包括:

多个输入级处理器，其在从相应的HART现场设备输入与DC信号和 HART通信信号叠加的信号的情况下，被分别接至多个HART现场设备以从 输入信号中检测出该DC信号和HART通信信号，并输出该DC信号和HART 通信信号；

多路复用器，其响应于被提供的控制信号，顺序地输出分别从每个输入 级处理器输出的DC信号和HART通信信号；

A/D转换处理器，其将从多路复用器顺序输出的每个通道的DC信号转 换成数字信号；

HART调制解调器，其解调从多路复用器顺序输出的每个通道的HART 通信信号；以及

控制器，其提供控制信号至多路复用器并处理从A/D转换处理器和 HART调制解调器输出的数字信号。

优选地，但不是必须地，多路复用器可以包括：模拟多路复用器，其被 配置为响应于由控制器提供的控制信号，顺序地输出从每个输入级处理器输 出的每个通道的DC信号至A/D转换处理器；以及HART多路复用器，其被 配置为响应于从控制器提供的控制信号，顺序地输出从每个输入级处理器输 出的每个通道的HART通信信号至HART调制解调器。

优选地，但不是必须地，每个输入级处理器可以包括绝缘接地端子，其 被配置为输出DC信号作为差动信号以允许用于识别对自输出 （self-outputted）的HART通信信号进行识别的接地电位等于相应的HART 现场设备的接地电位。

优选地，但不是必须地，在当前排序的HART通信信号被识别的情况下， HART多路复用器可以使用对应于相应的输入级处理器的绝缘接地端子的接 地电位。

优选地，但不是必须地，输入级处理器可以包括：电流检测电阻，其被 配置为检测从相应的HART现场设备输入的电流信号；绝缘电容和绝缘电阻， 其串联连接在电流检测电阻和HART模拟量输入模块的地线之间；HART通 信信号检测电容，其被配置为从相应的HART现场设备输入的电流信号中检 测出HART通信信号；以及第一调节电阻和第二调节电阻，其被配置为分别 连接在电流检测电阻和HART模拟量输入模块的两端之间用于调节和输出差 动信号，其中，绝缘接地端子是绝缘电容和绝缘电阻之间的接触点。

优选地，但不是必须地，HART多路复用器可以包括：多个信号输入级， 其被配置为分别接收从每个输入级处理器输出的HART通信信号；以及多个 接地端子，其被配置为分别接至每个输入级处理器的绝缘接地端子。

优选地，但不是必须地，HART多路复用器可以被配置为选择性地输出 被应用在多个信号输入级中的特定信号输入级和多个接地端子中的特定接地 端子之间的HART通信信号。

优选地，但不是必须地，HART多路复用器的当前选定的接地端子可以 被配置为接至用于识别HART通信信号的共用地线。

优选地，但不是必须地，A/D转换处理器可以包括差动放大器和A/D转 换器，其中，差动放大器增大从模拟多路复用器所观察到的A/D转换器的输 入阻抗，并减小从A/D转换器所观察到的模拟多路复用器的阻抗。

优选地，但不是必须地，绝缘电阻可以具有比电流检测电阻大100倍的 电阻值。

根据本公开的示例性实施例的具有差动输入级的HART模拟量输入模块 具有的有益效果在于：自动进行HART模拟量输入模块的模拟信号处理以防 止共模噪声影响模拟信号。

另一个有益效果是：在与和通道数一样多的A/D转换器和HART调制解 调器一起使用时，甚至在与单个A/D转换器和HART调制解调器一起使用时， 都可以获得绝缘特性，并且可以防止在被接至每个通道的HART现场设备的 接地电位上生成的误差影响其他通道。

还有另外一个有益效果是：可以同时实现用于HART通信的单端配置和 用于改善模拟信号中噪声特性的差动式结构，从而以较低的成本进行高度可 靠的测量和HART通信。

附图说明

图1是示出依照本公开的具有差动输入级的HART模拟量输入模块的框 图。

图2是示出图1的输入级处理器的详细电路图。

图3是示出图1的HART多路复用器的详细配置。

图4是示出以图2和图3中的配置所反映出的HART模拟量输入模块的 详细电路图。

图5是示出被配置为通过由图1和图4中所示出的控制器来控制HART 多路复用器的处理流程图。

具体实施方式

现在，参照附图，将详细地描述依照本公开的示例性实施例的具有差动 输入级的HART模拟量输入模块。

图1是示出依照本公开的具有差动输入级的HART模拟量输入模块的框 图。

参照图1，依照本公开的HART模拟量输入模块200被接至多个HART 现场设备110、120、130、140且可以包括多个输入级处理器210、220、230、 240、模拟多路复用器250、A/D转换处理器260、HART多路复用器270、 HART调制解调器280和控制器290。尽管图1已经示出具有四个通道的示 例，但是本公开并不限于此。如果有必要，通道数可以被可变地配置。

多个HART现场设备110、120、130、140中的每一个被一对一地接至 输入级处理器210、220、230、240中的每一个，且输入级处理器210、220、 230、240中的每一个从被接至输入级处理器210、220、230、240的HART 现场设备110、120、130、140接收到与DC信号和HART通信信号（已调 制的数字信号）叠加的信号，以检测和输出相应的DC信号和相应的HART 通信信号。此时，所检测到的DC信号被发送至模拟多路复用器250，且所 检测到的HART通信信号被输出至HART多路复用器270。

HART现场设备110、120、130、140中的每一个都是具有HART通信 功能的设备，例如，传感器和阀门，且被输入至输入级处理器210、220、230、 240中每一个的信号都是被叠加在4mA～20mA的DC信号之上的HART通信 信号。

DC信号是被配置为显示诸如流量、压力和温度、或阀门开度等的测量 值的数值，且HART通信信号是基于FSK（频移键控）标准，从数字数据被 调制成1200Hz～2200Hz频率信号的信号。如果有必要，HART通信信号可以 携带各种类型的信息。

特别地，输入级处理器210、220、230、240中的每一个被配置为在差动 信号中输出DC信号，且提供绝缘接地端子用来使得用于识别HART通信信 号的HART模拟量输入模块所使用的接地电位等于被接至相应的输入级处理 器210、220、230、240的HART现场设备110、120、130、140的接地电位。

例如，在处理由输入级处理器210所检测和输出的HART通信信号的情 况下，必须识别HART多路复用器270和HART调制解调器280的HART 通信信号的HART模拟量输入模块200的所有组件都使用输入级处理器210 的绝缘接地端子的电位作为接地电位。

模拟多路复用器250接收从输入级处理器210、220、230、240的每一个 输出的DC信号以顺序地输出DC信号来响应由控制器290提供的控制信号， 并利用单个组件来进行A/D转换处理。此时，模拟多路复用器250的输入/ 输出信号是差动信号。

A/D转换处理器260将顺序地从模拟多路复用器250输出的DC信号转 换成为数字信号，其中，A/D转换处理器260可以包括差动放大器261和A/D 转换器262。A/D转换处理器260的差动放大器261起到增大从模拟多路复 用器250所观察到的A/D转换器262的输入阻抗、并减小从A/D转换器所观 察到的模拟多路复用器的阻抗的作用，其中，A/D转换器262将从差动放大 器250输出的信号转换成为数字信号。差动放大器261可以接收差动信号并 作为单端型输出发送差动信号至A/D转换器262。

HART多路复用器270接收从输入级处理器210、220、230、240中的每 一个输出的每个HART通信信号并顺序地输出每个HART通信信号至HART 调制解调器280以作为对于从控制器290提供的控制信号的响应，且通过使 用经单个HART调制解调器280被输入几个通道的HART通信信号来处理信 号，其中，HART调制解调器280解调从HART多路复用器270顺序输出的 HART通信信号中的每一个信号。

特别地，识别HART多路复用器270被配置为在当前排序的HART通信 信号被识别和输出的情况下，使用对应于相应的输入状态处理器210、220、 230、240的绝缘接地端子的接地电位。也就是说，尽管HART多路复用器 270可以在配置和形状方面做出改变来响应通道数，但是在处理每个通道的 HART通信信号的情况下，HART多路复用器270单独使用和切换对应于相 应通道的接地电位。

使用CPU（中央处理单元）可以配置控制器290，且控制器290基本上 控制着HART模拟量输入模块200。特别地，控制器290提供控制信号至模 拟多路复用器250和HART多路复用器270以顺序地处理从各个通道输入的 DC信号和HART通信信号，并处理从A/D转换处理器260和HART调制解 调器280输出的数字信号。

图2是示出图1的输入级处理器210、220、230、240的详细电路图。

参照图2，输入级处理器210、220、230、240可以包括电流检测电阻211， 其被配置为检测从被接至输入级处理器210、220、230、240的HART现场 设备110、120、130、140输入的电流信号，绝缘电容212，其被配置为当从 HART通信信号视点观察时，以单端方式工作，且当从DC信号视点观察时， 差动工作在开路状态下，绝缘电阻213，其被配置为串联连接在绝缘电容212 和HART模拟量输入模块200之间以形成由每个通道隔离的信号回路，HART 通信信号检测电容214，其被配置为检测被叠加在电流信号之上的HART通 信信号，以及第一/第二调节电阻215、216，其被配置为调节差动结构的信 号。

从HART现场设备110、120、130、140输入的电流信号通过电流检测 电阻211流至HART现场设备110、120、130、140的地线AG1，以形成回 路电流190，其中，回路电流190与HART通信信号叠加。基于FSK标准， 经由两个频率1200Hz和2200Hz，调制HART通信信号以显示1和0。

因为频率增长较慢，电容的阻抗增大，使得只有谐波分量能够通过电容。 在引入频率为0的DC分量的情况下，阻抗变得无穷大从而中断信号，由此， 只有作为AC信号的HART通信信号能够通过HART通信信号检测电容214。

HART通信信号检测电容214可以通过响应于HART通信信号的接收操 作和发送操作而划分来进行配置和操作。例如，一个可以被用于HART发送， 而另一个可以被用于HART接收。

绝缘电容212相对于4mA～20mA的DC信号工作在开路状态下，使得 4mA～20mA DC信号可以完全差动配置。此时，差动信号通过第一调节电阻 215的接触点和第二调节电阻216的接触点被输入至模拟多路复用器250。

另外，当从AC信号中所携带的HART通信信号视点观察时，绝缘电容 212工作在短路状态下，且相应的HART现场设备110的地线AG1和HART 模拟量输入模块200的地线AG通过绝缘电容212处于耦合状态下。因此， 用来允许用于通过HART模拟量输入模块200识别HART通信信号所使用的 共地AG的电位等于被接至相应的输入级处理器210的HART现场设备110 的地线的电位的绝缘接地端子，可以被配置成为绝缘电容212和绝缘电阻213 之间的接触点S1B。

此时，优选地，绝缘电阻213的电阻值被配置为大于电流检测电阻211 的电阻值。例如，绝缘电阻213的电阻值可以被配置为比电流检测电阻211 的电阻值大100倍。现在，将参照图3和图4，描述HART多路复用器270 的详细的示例性实施例。

图3是示出图1的HART多路复用器的详细配置，以及图4是示出以图 2和图3中的配置所反映出的HART模拟量输入模块的详细电路图。

参照图3和图4，HART多路复用器270包括：多个信号输入级，其被 配置为通过被接至每个输入级处理器210、220、230、240的每个HART通 信信号输出级S1A、A2A、S3A、S4A接收每个通道的HART通信信号；以 及多个接地端，其每一个接地端被接至每个输入级处理器210、220、230、 240的绝缘接地端子S1B、S2B、S3B、S4B。

控制信号被输入至HART多路复用器270的EN端子用来确定HART多 路复用器270是否工作，以及通过控制信号被输入A0和A1端子用来选择通 道。

译码器和驱动器271响应于被输入至A0和A1端的控制信号而将一个信 号输入级切换到信号输出端DA，并将对应于相应的信号输出端子的接地端 子切换到HART多路复用器270的接地输出端子DB。此时，接地输出端子 DB被接至共用地线AG，其中，共用地线AG意指共同地用于通过HART 模拟量输入模块200识别HART通信信号的地线。

HART多路复用器270的接地输出端子DB还被接至由其中任意一个输 入级处理器提供的绝缘接地端子，因此，最终，共用地线AG具有等于对应 于电流通道的HART现场设备的地线（AG1～AG4中任意一个）的电位，这 意味着相应通道的HART通信信号能够被正确识别。

HART多路复用器270的信号输出端子DA被接至HART调制解调器280 的输入端，且由电流通道所检测到的HART通信信号被发送至HART调制解 调器280。

图5是示出被配置为通过由图1和图4中所示出的控制器来控制HART 多路复用器的处理流程图，其中，控制器290通过这样的方式进行控制：设 定HART多路复用器270的EN、AO和AN值，使得通过通道1、通道2、 通道3和通道4顺序地实现HART通信。也就是说，控制器290设定HART 多路复用器270的EN、A0和AN值（S312），用于通过当前顺序为n的通 道来实现通信（S311）。

此时，假设由EN确定HART多路复用器270是否工作，且在EN处于 高状态的情况下，HART多路复用器270工作。由A0和A1确定要选择哪一 个通道。例如，可以进行如此配置：在A0和A1端的状态处于低-低状态、 高-低状态、低-低状态和高-低状态的情况下，分别选定通道1、通道2、通道 3和通道4。

然后，HART多路复用器270发送从当前选定的通道所接收到的HART 信号至HART调制解调器280，然后HART调制解调器280调制HART信号， 由此，通过当前选定的通道来实现HART通信（S313）。

现在又转向图4，在通过通道1实现HART通信的情况下，在S1A和S1B 之间识别HART通信信号；在通过通道2实现HART通信的情况下，在S2A 和S2B之间识别HART通信信号；在通过通道3实现HART通信的情况下， 在S3A和S3B之间识别HART通信信号；在通过通道4实现HART通信的 情况下，在S4A和S4B之间识别HART通信信号。

也就是说，根据每个通道的通信指令，通过HART多路复用器270的接 地端子或按照S1B、S2B、S3B和S4B的顺序来选定HART通信，其中，HART 多路复用器270的接地电位也是HART调制解调器280的接地电位。

在通过通道1实现通信的情况下，具有相等电位的地线是AG1、S1B和 AG；在通过通道2实现通信的情况下，具有相等电位的地线是AG2、S2B 和AG；在通过通道3实现通信的情况下，具有相等电位的地线是AG3、S3B 和AG；以及在通过通道4实现通信的情况下，具有相等电位的地线是AG4、 S4B和AG。

从上述明显可见，在通过任意通道实现HART通信以允许保持通道间的 绝缘特性的情况下，共享接地电位的HART现场设备只有一个，由此，由 HART现场设备的任意地线所产生的故障是无法扩大的。

尽管已经参照数个其示范实施例描述了一些实施例，但应该理解的是， 本领域技术人员能够设想出将落在本公开原理的精神和范围内的许多其他修 改和实施例。更具体地，在本公开、附图及所附权利要求的范围内可以对主 题组合布置的组成部件和/或布置做出各种变化和修改。