用于将现场设备耦合到过程控制器的可编程接口电路

摘要

可编程接口电路（100）包括（一个或多个）通道，所述（一个或多个）通道包括具有用于接收来自过程控制器块（170）的控制信号的端子（116e）、用于提供逻辑信号（111a，112a）的端子（111,112）以及用于接收经处理的信号数据的端子的数字逻辑块（110）。模拟逻辑块（120）包括电流输出数模转换器（DAC）（121）。输出电路块（140）包括第一和第二现场端子（S1，S2）以及感测电阻器（146），其中来自DAC的电流被耦合到S1并且感测电阻器被耦合到S2。模拟逻辑块包括第一和第二多通道多路复用器（MUX）（131,132），运算放大器（135），以及模数转换器（ADC）（122）。控制信号自动从下述信号模式中选择，所述信号模式包括模拟输出（AO）模式、数字输出（DO）模式、模拟输入（AI）模式、数字输入（DI）模式、以及至少一种通过对AI模式或者DI模式添加子模式而提供的附加信号模式。

说明书

技术领域

所公开的实施例涉及用于将工业工厂或制造业工厂中的过程控制器连接到现场设备的接口电路。

背景技术

在诸如针对石油提炼的工业的（或者制造业的）设置中，数据、测量值、控制信号等等通常在控制系统和一个或数个现场设备（例如，传感器或者致动器）之间传输，其需要大量的接口电路。用于与工业环境通信的传统的接口电路的连接或者输入/输出（I/O）引脚一般典型地基于I/O引脚的功能来加以指定。一般地，I/O引脚的功能由信号的物理特性、上游或下游的更高系统功能以及系统配置来确定。现场设备呈现通常落入下述四种输入/输出（I/O）功能分类之一的接口：模拟输入（AI）、数字输入（DI）、模拟输出（AO）或者数字输出（DO）。

现有的接口电路实施方式的局限性是很多的。这类接口电路供应了仅单个或者非常有限数量的I/O功能，并且有时要求三个或者更多的线路连接位置（螺钉端子）以满足广泛的功能。此外，这类接口电路要求用户在进行线路连接时作出关于现场设备的性质的决定，要求如果用户改变将要被控制的设备的性质则需要线路改变（在电路内），不支持电压输入类型，不支持差分输入类型，以及不能够区分电流短路接地与正常操作。

发明内容

本摘要被提供用于以一种简化的形式介绍所公开的思想的简要选择，所述所公开的思想会进一步在下文中在包括所提供的附图的详细描述中加以描述。本摘要不意图限制请求保护的主题的范围。

所公开的实施例包括可编程接口电路以及附随的通信/信令协议软件，其使得能够实现过程控制器到部署在工业或者制造业工厂设置中的现场设备（传感器或者致动器）的连接。所述接口电路的（一个或者多个）相应的通道可以由用户基于存在于给定的工厂应用中的输入/输出（I/O）功能类型编程为模拟的或者数字的，输入/输出，电流或者电压，差分的或者接地的，而不需要预规划。所公开的软件配置每一个IO点/通道。因此，所公开的可编程接口电路消除了对线路/设备的预规划的需求，并且排除了针对在I/O点类型/分配/任务方面的安装后的改变给用户（如，客户）造成的负担。

一个实施例包括可编程接口电路，所述可编程接口电路包含（一个或多个）通道，所述通道包含具有用于接收来自过程控制器的控制信号的端子、用于提供逻辑信号的端子、以及用于接收经处理的信号数据的端子的数字逻辑块。模拟逻辑块包括电流输出数模转换器（DAC）。输出电路块包括第一和第二现场端子（S1，S2）以及感测电阻器，其中来自DAC的电流被耦合到S1并且感测电阻器被耦合到S2。模拟逻辑块包含第一多通道多路复用器（MUX）以及第二多通道多路复用器，运算放大器，以及模数转换器（ADC）。控制信号自动从下述信号模式中选择，所述信号模式包括模拟输出（AO）模式、数字输出（DO）模式、模拟输入（AI）模式、数字输入（DI）模式、以及至少一种通过对AI模式或者DI模式添加子模式提供的附加信号模式。控制器/接口组合还被公开为包括过程控制器以及所公开的可编程接口电路，所述过程控制器包括处理器以及储存所公开的通信/信令协议算法的存储器。

附图说明

图1是根据示例实施例的示例多通道可编程接口电路的框图。

图2是根据示例实施例的针对图1中示出的多通道可编程接口电路的一个通道的示例电路实施方式。

图3A-G示出了根据示例实施例的、针对用于应用所公开的可编程接口电路来连接到各种现场设备的不同示例功能/情况的各种描绘。

具体实施方式

参考附图描述了所公开的实施例，其中贯穿附图使用相同的参考标记指示相似的或等效的元素。附图并未按比例绘制，并且它们仅被提供用于图示某些公开的方面。在以下参考用于说明的示例应用来描述若干公开的方面。应理解，众多的具体细节、关系以及方法被陈述以提供对所公开的实施例的完整理解。然而，在相关领域中的普通技术人员将会容易地认识到，本文公开的主题可以在没有所述具体细节中的一个或多个细节或者使用其他方法的情况下实施。在其他实例中，众所周知的结构或者操作没有被详细示出以避免使某些方面模糊。本公开不受动作或事件的所阐述的排序限制，因为一些动作可以以不同的顺序发生和/或与其他动作或事件同时发生。此外，实施根据本文公开的实施例的方法并不需要所有被阐述的动作或事件。

图1是用于将多个现场设备耦合到过程控制器块170的示例多通道（N通道）可编程接口电路100的框图，以及图2是根据示例实施例的多通道可编程接口电路100的N个通道中的一个的示例电路图。图1中所示的N个I/O通道被示为通道1，通道2，通道3，……，通道N。虽然在图1中示出了多通道可编程接口电路100，但是所公开的可编程接口电路可以具有少至单个通道，或者多至几百个或几千个通道。每个通道的信号模式是可通过来自过程控制器块170的控制信号独立地以电子方式配置的，用于在它的两（2）个端接螺钉处（示为S1和S2）连接到现场设备（如，传感器或者致动器）。

N个通道中的每个均可以单独地被用户诸如使用示出的用户键盘173来编程，其导致过程控制器块170生成控制信号，该控制信号当被耦合到可编程接口电路100时，导致数字逻辑块110发送逻辑信号到可编程接口电路100中的节点。过程控制器块170包括主机处理器（或过程控制器）174（例如，数字信号处理器或者微电脑），其具有储存了所公开的通信/信令协议的关联存储器176，所述协议由处理器174实施。

信号模式全部都被跨端子S1和S2提供，并且包括AO模式、DO模式、AI模式、DI模式以及至少一个通过对AI模式或DI模式添加子模式提供的附加信号模式。这些子模式包含当现场设备为电流信令时配置的第五模式，当现场设备为电压信令时配置的第六模式，以及当现场设备具有其自己的内部接地基准时被配置用于差分接地的第七模式。

可编程接口电路100包括具有包含端子116a-g的多个端子的数字逻辑块110，所述端子116a-g被配置用于接收来自过程控制器块170的控制信号通信。数字逻辑块110包括端子111和112，所述端子111和112用于将多个逻辑信号111a和112a提供到由模拟共用源块120提供的电流输出DAC121。电流输出DAC121提供可变电流源。模拟共用源块120还包括ADC122。模拟共用源块120的电流输出DAC121和ADC122中的任意一个或者两者可以被N个通道可选地共享。

模拟共用源块120也被示出在图2中，其进一步包括被示为HART解调器123的解调器，所述HART解调器123被示为被配置成使用可寻址远程传感器高速通道（HART）通信协议（HART通信基础）。所公开的实施例可以使用其他通信协议。数字逻辑块110的端子116a-d与被图1和2中的示例示为串行外围接口（SPI）总线的通信总线相关联。如在本领域中所知的那样，SPI是在全双工模式下运作的同步串行数据链接标准。然而，其它总线接口可以被用于所公开的实施例，包括并行接口总线。

数字逻辑块110至少包括第一经处理的数据端子113，其用于从ADC122接收经处理的信号数据113a。如图2中所示，HART解调器123从数字逻辑块110的端子114接收数据（RxD）并且将经解调的数据（CD）提供到数字逻辑块110的端子115。

模拟共用源块120被耦合到模拟MUX块130。MUX块130包括用于接收来自电流输出DAC121的电流的输入133，以及将电压信号提供到ADC122的输入的输出134。如图2中所示，MUX块130包括MUX131和MUX132，其使它们的输出耦合到运算放大器（opamp）135的相应输入。opamp135的输出被耦合到ADC122的输入。

包括功率晶体管和感测电阻器的输出电路块140被耦合到终端块150。终端块150包括针对N个通道中的每一个通道用于将现场设备连接到那里的第一和第二现场端子（S1和S2）。输出电路块140包括图示为电阻器149的每个通道的感测电阻器，并且在图2中，电阻149具有高电势侧R+和低电势侧R-。由电流输出DAC121提供的可变电流源被耦合到S1，并且电阻器149的R+被耦合到S2，以及电阻器149的低电压侧（R-）被耦合到MUX132的输入2。电阻器149可以是精密电阻器，其指的是低温度电阻系数（TCR）电阻器。输出电路块140还包括例如被示为是0.5欧姆的感测电阻器（SR）146，其与被提供给MUX块130以及输出电路块140的直流电源（V+）串联。

如图2中所示，输出电路块140的功率晶体管都被示为功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs），其包括被耦合在SR146和S1之间的FET141，被耦合在S2和模拟接地之间的FET142，被耦合在R-和模拟接地之间的FET143，以及被耦合在S1和R-之间的FET144。然而，也可以使用基于双极的功率晶体管。

在可编程接口电路100的运作中，基于来自数字逻辑块110的由来自过程控制器块170的控制信号产生的逻辑信号，FET143处于开（ON）或关（OFF）的状态，其决定可用的模拟接地是否将被可编程接口电路100使用。因此，FET143的开或关状态决定现场设备（输入源）是将被连接到模拟接地（FET143开）还是不连接到模拟接地（FET143关）。即使FET143是关的，针对可编程接口电路100的模拟接地一般具有可编程接口电路100的功能方面的某些作用。由可编程接口电路100提供的多个可用的信号模式中的所有模式都使用电流输出DAC以用于给现场设备发信号并且使用第一和所述第二MUX，opamp，以及ADC以用于接收自现场设备的信号。

如本文中使用的那样，“信号传输类型”指示各种现场设备（输入源）落入两个宽泛的分类中：其为电流以及电压。可编程接口电路100响应于电压。如果现场设备具有电压类型，则不需要电阻器149。如果现场设备具有电流类型，则通过指引该电流跨过电阻器149（诸如100欧姆到300欧姆的电阻器）来产生电压。当现场设备具有其自己的功率时，DAC121总是关的。

所公开的实施例的优点包括可编程接口电路100以及用于可编程过程控制器的通信/信令协议，所述可编程过程控制器使单个共用数字通信接口能够控制至少10个不同的由现场设备呈现的输入/输出（I/O）功能（详情如下）。所公开的实施例可以解决如下问题：控制工业的或制造业的过程、建筑物内或房屋内的环境、数据收集系统、模拟测量、到控制设备的模拟/数字输出，等等。如以上描述的那样，可编程接口电路是通过所使用的通信协议，针对具体的I/O功能（设备）而软件可配置的。

可编程接口电路100仅使用两个线路连接（S1和S2）来对接到不依赖于设备性质的广泛的设备。可编程接口电路100在关于设备类型（如模拟对数字，输入对输出）、信号传输类型（电流对电压）以及其接地（允许差分或接地设备）进行线路连接时，不要求关于用户/安装者的部分的决定。可以在完成布线之后作出关于I/O功能类型的决定而不妨碍或改变布线。此外，所公开的可编程接口电路以一种新的方式实现（每一种配置）布线的诊断，所述方式检测至少两个类别的缺陷：断开的线路连接；将电流（功率）转移离开用户预期的现场设备的被短路到地（或其他电压轨）的线路可以被感测。所公开的可编程接口电路以及协议支持通过1:1的冗余度的高可用性操作模式。

实施方式可以提供若干达到高可用性的方法：例如，可以通过1:1冗余度、1:N冗余度、投票（voting）等提供高可用性。

所公开的可编程接口电路以及协议可以支持各种各样的不同功能。例如，HART7支持具有“自动发现”的可配置模式的模拟输入和模拟输出类型的设备。可编程接口电路可以针对事件顺序（SOE）将社会时间关联到（各种类型的）数字输入的状态的改变。电路还可以计算（累计）（各种类型的）数字输入的状态的改变。数字输出具有消除对于传统保险丝的需求的电子短路保护。

可以在初始上电复位时和/或当外部信号（看门狗定时器）指示周围电路缺乏健康或者主机过程控制器不存在时进入安全状态。所公开的通信协议是安全的、稳健的方法以确保通信错误（归因于噪声或者其他干扰）不造成不正确的测量或者输出。

示例

进一步地通过以下具体示例阐述所公开的实施例，其不应被解释为以任何方式限制本公开的范围或内容。

可编程接口电路100可以在很大程度上被实现为混合信号专用集成电路（ASIC），其中ASIC提供数字逻辑块110、模拟共用源块120以及MUX块130。可以使用印刷电路板（PCB）技术通过在其上安装分立的设备实现输出电路块140。由主机处理器（诸如过程控制器块170）通过串行或并行接口总线针对其具体功能（AI/DI/AO/DO）控制并且配置可编程接口电路100的N个I/O通道中的每一个。从所公开的可编程接口电路100的用户的观点来看，每个通道的所支持的I/O功能包括，但不限于：

1.从需要来自可编程接口电路的功率（一般经由0-20mA电流回路）的现场设备接收的AI。

2.来自提供其自己的电流并且参考可编程接口电路（一般经由0-20mA电流回路）的现场设备的AI。

3.来自提供其自己的电流并且可以参考不同于可编程接口电路的电压/地的电压/地（一般经由0-20mA电流回路）的现场设备的AI。

4.来自呈现电压（比如电池）并且参考可编程接口电路（一般0-5VDC）的现场设备的AI。

5.来自呈现电压（比如电池）并且可以参考不同于可编程接口电路的电压/地的电压/地（一般0-5VDC）的现场设备的AI。

6.需要来自接口电路的功率（干触点）的DI。

7.DI，其经由其自己的功率提供信号并且可以参考不同于可编程接口电路的电压/地的电压/地（类似于电池的电压输入）。

8.AO（0-20mA）（可编程接口电路向现场设备提供模拟电流）。

9.DO（500mA或者更高）（可编程接口电路向现场设备提供数字电流）。

10.安全状态，其不能够损坏或者激励被错误地连接到可编程接口电路的现场设备。

可以在初始上电复位时和/或当外部信号（看门狗定时器）指示周围电路缺乏健康或者过程控制器块170不存在时进入“安全状态”。AI和AO功能可以支持HART7通信。如在本领域中所知的那样，HART数据通过将低电平频移键控（FSK）载波叠加到模拟电流或电压信号上来传送，并且使用调制解调器和简化的通用异步接收器/发射器（UART）来接收。

如在这些示例中所使用的那样，A到E涉及可编程接口电路100中的各种设备的操作状态，其受来自数字逻辑块110的逻辑信号控制，所述逻辑信号其本身是响应于从可编程过程控制器接收的控制信号而生成的。A涉及MUX131，并且B涉及MUX132。C，D，E（分别为FET143,141和144）以及DAC121的值应保持处于这样的值：所述值适合于针对该I/O通道的预期用户的用例。自始至终现场设备都被示为参考标记348。

功能/情况1：来自现场设备348的模拟输入，该设备需要来自可编程接口电路100（一般经由0-20mA电流回路）的功率，见图3A以及3B。

在这种情况中，DAC121被设置成其最大输出，有效地充当具有25-mA电流限制的24V源（用于24V的V+电平）。连接在螺钉S1和S2之间的现场设备348改变经过它的电流以指示现场设备正在测量的参数的值（例如，温度，压力，电平，等等）。调制电流经由S2经过电阻器149（诸如示出的250欧姆电阻器），响应于调制电流产生电压，所述调制电流由ADC122经由通路2上的MUX131、132来测量。

用户可以将LM配置为可选项目。当被配置时，如果ADC122转换反映了到/通过用户的现场设备348的电流的缺失，则过程控制器块170将向控制系统报告断的线路（断的线）的情况。

在这些情况中的大多数中，LM涉及与可编程接口电路100设计完全相反的可编程接口电路100被过程控制器块170使用的方法。以下描述的功能/情况8是可能的例外。在该情况中，模拟回路参考与可编程接口电路100相同的地（FET143是开的）。可选地支持HART。

功能/情况1解决了从用户的角度看的在图3A的描绘305以及图3B的描绘310中展示的情况。

功能/情况2：来自现场设备348的模拟输入，该设备提供其自己的电流并且参考可编程接口电路100（一般经由0-20mA电流回路）。见图3C和3D。

在该情况中，现场设备348产生0到20mA之间的电流。该电流在引脚S1上进入可编程接口电路100，并且被路由通过FET144，且然后到电阻器149。该电流经由S2回到现场设备。MUX131和132使用多路复用器通路3（其具有针对反电压校正的作用）跨电阻器149将电压传递到ADC122。用户可以将LM配置成可选项目。在该情况中，现场设备的模拟电路参考与可编程接口电路100相同的地（FET143是开的）。可选地支持HART。情况2解决了从用户的角度看的在图3C的描绘315以及图3D的描绘320中示出的下述情况：

功能/情况3：来自现场设备348的模拟输入，该现场设备提供它自己的电流并且可以参考与可编程接口电路100的电压/地不同的电压/地（一般经由0-20mA电流回路）。见图3E中的描绘325。

在这种情况中，现场设备348产生0到20mA之间的电流。该电流在引脚S1上进入可编程接口电路100。该电流被路由通过FET144然后到达电阻器149（例如，250欧姆电阻器）。该电流经由S2回到现场设备348。MUX131、132使用MUX通路3（其具有针对反电压校正的作用）跨电阻器149将电压传递到ADC122。用户可以将LM配置成可选项目。

在该情况中，用户的现场设备348可以参考不同于可编程接口电路100的地的地。目标将是，螺钉信号S1和S2中的一个或者两者可以是相对于可编程接口电路100的模拟接地的12V（最大值）到-7V（最小值）。可以可选地支持HART。情况3解决了从用户的角度看的图3E的描绘325中所示的情况。

功能/情况4：来自现场设备348的模拟输入，该现场设备呈现电压（比如电池）并且参考可编程接口电路100（一般0-5VDC）。见图3F中的描绘330。

在该情况中，现场设备348产生0到10V之间的电压。该电压被跨引脚S1和S2呈递给可编程接口电路100。MUX131、132使用MUX通路1将现场设备的电压传递至ADC122。

用户可以将LM配置成可选项目。如果用户正在使用具有不延伸至0V的正常范围的输入电压的现场设备，则LM有意义。例如，具有1到5V输出的现场设备对LM而言将是适合的。在该情况中，模拟值参考与可编程接口电路100相同的模拟地（FET143是开的）。对该情况来说重要的是，DAC121对电压的测量没有贡献。情况4解决了从用户的角度看的图3F的描绘330中的情况。

功能/情况5：来自现场设备的模拟输入，该现场设备呈现电压（比如电池）并且可以参考不同于可编程接口电路100的电压/地的电压/地（一般0-5VDC）。见图3G。

该情况几乎与功能/情况4相同，除了在该情况中，用户的现场设备可以参考不同于可编程接口电路100的地的地。因此，FET143是关的。对该情况来说重要的是，DAC121对电压的测量没有贡献。情况5解决了从用户的角度看的图3G的描绘335中所示的情况。

功能/情况6：数字输入，其需要来自可编程接口电路100的功率（干触点）。

该情况几乎与情况1相同。在该情况中，可编程接口电路100的DAC121产生7mA，并且该电流在引脚S1处离开可编程接口电路100。该电流用于感测（现场设备348的）继电器触点的闭合。返回电流从螺钉S2进入并且经过电阻器149。MUX131、132使用MUX通路2跨电阻器149将电压传递至ADC122。

用户可以将LM配置成可选项目。然而，当使用LM时，用户一般应该使用分立的外部电阻器以防止当现场设备348的继电器触点打开时的错误肯定（“falsepositive”）。在该情况中，干触点参考与电阻器149相同的地（FET143是开的）。所述闭合被检测为正常ADC转换，并且过程控制器块170可以具有用于将ADC122提供的结果减小到单一布尔值的算法。当过程控制器块170确定现场设备348的继电器已经从关转换到开时，它可以命令DAC121以减小电流以节省功率。当过程控制器块170确定所述继电器已经从开转换到关时，它可以命令DAC121到7mA以对继电器触点提供足够的“湿电流”。

功能/情况7：数字输入，其经由其自己的功率提供信号并且可以参考不同于可编程接口电路100的电压/地的电压/地（类似于电池的电压输入）。

该情况与情况3相同，除了没有提供LM。如同情况3一样，对该情况来说重要的是，DAC121对电压的测量没有贡献。

功能/情况8：模拟输出（0-20mA）。

在该情况中，可编程接口电路100的DAC121产生0-20mA，并且该电流在引脚S1处离开可编程接口电路100。该电流被用于调制致动器（例如阀定位器）。返回电流从S2进入并且经过电阻器149。MUX131、132使用MUX通路2跨电阻器149将电压传递到ADC122。

用户可以将线监听（LM）配置成可选项目，有时将其称作“断线检测”或者“开线检测”。如果用户正在使用具有有着大于0mA的最小值的正常范围的电流的现场设备348，则LM有意义。例如，具有4-20mA的正常电流致动范围的现场设备348将适合于LM。需指出，在该情况中，LM的使用可以与可编程接口电路100的设计有关。特别地，可编程接口电路100能够在执行ADC转换时维持模拟输出值。当将逐次逼近寄存器方法用于馈送比较点的DAC121时，它可以节约用以实施ADC122的成本。这是可接受的，但是到用户的现场设备348的模拟输出电流应该被不中断地维持。在这种情况下，模拟回路参考与可编程接口电路100相同的地（FET143是开的）。可选地支持HART。到可编程接口电路100的命令可以命令FET开（以激励）或者关（以去激励）。即，主机根据控制策略、工厂、工作班次等的状态来命令开和关两者。

功能/情况9：数字输出。

在该情况中，可编程接口电路100数字逻辑110接通被示为FET的开关141和142以激励并现场加载（例如，继电器）。

用户可以将LM配置成可选项目。针对DO关的情况通过在短时间内（足够用于一次ADC转换）将小电流（1mA）传递经过负载来工作。MUX131、132使用MUX通路2跨电阻器149将电压传递到ADC122。在该情况中，用户的现场设备参考与可编程接口电路100相同的地，但是现场设备（负载）电流仅当DO是关的并且LM被配置（FET143是开的）时才进入可编程接口电路100。

功能/情况10：安全状态，其不能损坏或者激励被错误地连接的现场设备348。

在该情况中，I/O通道不被使用并且不期待连接现场设备。可编程接口电路100被配置成与情况1相似，但是仅具有来自DAC121的1mA。这支持可以检测现场设备348的非预期存在的诊断模式。

诊断功能/情况1:3V3（数字Vcc）

。

在该情况中，ADC122测量3V3。这是为了可编程接口电路100的健康/安全，而不涉及用户用例。MUX131、132使用MUX通路4将电压传递到ADC122。

这些仅仅是少数示例。相应地，本发明的广度和范围不应被以上描述的实施例中的任何一个所限制。而是，本发明的范围应当依照所附权利要求以及它们的等价物来加以限定。

尽管关于一个或者多个实施方式图解并且描述了本发明，本领域中的其他技术人员在阅读和理解本说明书以及附图时将想到等效的改变以及修改。特别是关于以上描述的部件（组件、设备、电路、系统等等）所执行的各种功能，用于描述这些部件的术语（包括对“手段”的提及）（除非以其他方式指出）意图是对应于执行所描述的部件的规定功能的任何部件（例如，其是功能上等效的），即使在结构上不等同于执行本文阐述的本发明的示例性实施方式中的功能的所公开的结构。另外，虽然本发明的特定特征可能已经被关于若干实施方式中的仅仅一个实施方式而公开过，这样的特征可以如可以针对任何给定的或特定的应用而期望的且是有利的那样与其他实施方式的一个或多个其他特征组合。此外，就术语“包括”（“including”）、“包含”（“includes”）、“具有”（“having”）、“有着”（“has”）、“带有”（“with”）或者其变型被用在详细描述和/或权利要求书中而言，这类术语意图以类似于术语“包含”（“comprising”）的方式是包含性的。