用於外業設備的數據總線通訊技術的製作方法
2023-06-19 10:05:21 4
專利名稱：用於外業設備的數據總線通訊技術的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及到過程控制儀器的領域，尤其是，本發明涉及到在一個變送器中有利於串行通訊的系統和方法。
在過程控制工業中變送器典型地與一個控制器在雙線電路或控制環路上進行通訊。變送器通過雙線控制環路接收來自控制器的命令和發送一個表示傳感器物理參數的輸出信號返回到控制器。該變送器本身包括一些器件如主節點或微處理器，從節點或如傳感器，閥門位置控制器和通訊電路等外部設備。變送器的各種器件之間的通訊一般地發生在包括時鐘線和一些數據線的數據總線上。因為關係到其電流的消耗和複雜性，所以重要的是減小對各類器件間的通訊所需的數據總線的數量。
在許多過程控制儀器中，為安全起見過程控制儀器的傳感器必須是與測量電路或過程控制儀器的其它器件絕緣。一個絕緣屏蔽是用於電隔離傳感器。該傳感器經過屏蔽接收功率和通訊而該屏蔽防止大的放電損害測量電路。典型地，該屏蔽僅僅允許在單一數據線上通訊。當為了安全和其它目的的需要時，絕緣屏蔽的存在減小了電連接的數量而增加了傳感器和其它器件通訊的複雜性。
本發明摘要本發明包括連接到數據線的第一和第二器件。第一和第二器件通過控制在數據信號的周期內在數據線上的數據信號的佔空周期進行串行地通訊。一般來說，一個器件在數據上產生一個時鐘信號而任何線上其它的器件能夠調製該時鐘信號來發送數據。在一些實施例中，第一器件是主節點(或微處理器)而第二器件是從節點(或外設器件)。常常，第一和第二器件包括在數據線上通訊的集成晶片。在另一些實施例中，數據線是一條運載一個時鐘信號的時鐘線。在這些實施例中，第一和第二器件通過控制在數據信號的周期內數據線上的數據信號的佔空周期進行串行地通訊。在一些實施例中，主節點初始化時鐘周期以致使時鐘信號被提供一個基本恆定的頻率。
附圖簡要說明
圖1是一個本發明的通訊技術能夠使用在其內的一類過程控制變送器的簡單方框圖；圖2是根據本發明所提一些實施例為便於在一條時鐘線或其它數據線上串行通訊的描述一個編碼系統的時序圖；圖3是採用本發明的方法的串行通訊系統方框圖；圖4是進一步描述採用圖2的編碼系統在系統時鐘線上便於串行通訊的時序圖；圖5是根據本發明能夠用於實現串行通訊的方法的電路方框圖。
所提實施例的描述本發明提供一種用於在提供一個時鐘信號的相同數據線上傳輸數據的技術。尤其是，在數據線上的第一器件提供這個時鐘信號。任何其它的器件，或第一器件，都可以用「下拉」該時鐘信號在線上傳送數據並進行改變一脈衝序列的佔空周期。
圖1是一個為變送器的各個部分間通訊採用本發明串行通訊技術的變送器10的簡單方框圖。如圖所示，變送器10包括測量電路16和傳感器電路18。測量電路16適應於通過連接端子14連接到雙線環路12並且用於發送和接收環路12上的信息。測量電路16能夠起到一個主器件或輔器件的作用，或起到兩者的作用。輔助或外設器件的例子包括為變送器從流過環路12的電流提供功率的器件通訊器件、信號處理器件、存儲器器件和顯示器件。環路12連接到設計用於電源4和電阻6的控制室2。測量電路16可以包括這些器件和其它常規彼此在數據總線上通訊的器件的任意組合。
在一些所提實施例中，測量電路16和傳感器電路18被分開裝入變送器12的分隔間，由絕緣體20電隔離。絕緣體20可以是一個變壓器或其它已知技術的並且為電絕緣傳感器電路18及來自測量電路16的處理所需的各種標準的絕緣物。絕緣體20還可以減少在由傳感器電路18傳感參數測量中的地線環路噪聲。線路22和24連接測量電路16和傳感器電路18到絕緣體20為了便於測量電路16和傳感器電路18之間的通訊。常常，線路22和24表示一條跨接的信息必須是串行通過絕緣體20傳輸的單一數據線。當本發明的串行通訊技術和設備實際很好地被採用於節點間或通常連接到一個如測量電路16中那樣的數據總線的器件之間的通訊時，它還能夠用於如跨過絕緣體20的傳感器18和測量電路16之間所需的單一數據線上的通訊。
本發明包括一種允許在單一數據線上進行雙向通訊的通訊技術。本發明的通訊技術是一般適合於在一個時鐘線上允許雙向串行通訊，並且因此而減少了所需數據總線的數量。當本發明在此主要針對一個時鐘信號和時鐘線，本發明的方法還能夠用於在其它數據或電源線上被傳輸信號的數據編碼。
數據的傳輸是通過允許任何連接到時鐘線的器件來調製時鐘佔空周期這樣的技術來完成。這種技術可以採用如圖2中例子所示的具有三個數據狀態的編碼系統來實現。然而，該技術能夠容易地擴展到多於三個的數據狀態。此外，使用少於三個的時鐘狀態也在本發明的範圍內。圖2描述了包含編碼數據位的三個連續的時鐘周期。具有一個第一佔空周期的時鐘周期202表示一個邏輯「0」位。具有一個不同於第一佔空周期的第二佔空周期時鐘的周期204，表示一個邏輯「1」位。具有一個不同於第一和第二佔空周期的第三佔空周期的時鐘周期206，表示一個沒有數據在時鐘線上傳輸的「空閒」狀態。換句話說，不同的佔空周期值表示不同的數據狀態。因此，除了剛才的第一數據狀態(即，邏輯「0」位)和第二數據狀態(即，邏輯「1」位)，本發明能夠用來發送多種數據狀態。更可取地是，該時鐘信號保持在一恆定的頻率以致任何需要一穩定時鐘信號的系統功能都能滿足。一個時鐘能夠由任何器件通過觸發2120，2121和212IDLE的上升沿獲得，這些上升沿都是周期間的邊界。
在時鐘周期202內零的傳輸期間，上升沿或過渡沿2120被產生以改變時鐘信號從第一或低數據狀態SL到第二或高數據狀態SH。接著，產生後沿或過渡沿2140從而將時鐘信號從數據狀態SH轉換到數據狀態SL。脈衝210的寬度和持續時間事實上是時鐘周期202包含一個編碼「0」(或第一數據狀態位)的表示。假設接下來的時鐘周期204要輸送一個「1」位(或第二數據狀態)，脈衝220將有分隔開的上升沿(或第一過渡沿)2121和後沿(或第二過渡沿)2141給出脈衝220不同於先前的時鐘信號周期脈衝210的持續時間。如圖所示，脈衝220的寬度或持續時間(表示一個「1」位)比脈衝210的寬度和持續時間(表示一個「0」位)的大。可是，在其它的實施例中，不需要這種情況。假設下一個時鐘周期206是用來傳輸一個空閒條件的標記(即，不是「0」位也不是「1」位)或是第三數據狀態，脈衝230將被控制以致上升沿212IDLE和後沿214IDLE被分隔開，給出脈衝230不同於脈衝210和220兩者寬度的脈衝寬度或持續時間。
圖2的數據傳輸技術可以在任何合適的方式中執行。一種技術顯示在圖3中。圖3描述了一個主節點302和三個連接到單一線路310的從節點304、306及308，最好是一個時鐘線。這些被描述的器件是用來表示在過程控制儀器中在數據總線上通訊的器件類型。例如，主節點302可以是一個微處理器、一個微控制器、或任何其它的電路或集成晶片(IC)裝置。從節點可以是例如，象用於儲存與過程條件有關的來自傳感器電路的指令和信息的EEPROMs、ROMs和RAMs儲存器器件、通訊電路或器件、為儲存或傳輸而變換過程或其它信息到數字形式的模擬-數字變換器、以及使用閥門位置控制器將變換數字控制信號轉換為一模擬信號形式的數字-模擬變換器。必須注意到上面列舉的器件僅僅是作為一個例子提供的。對於所列舉的其它器件的任何數量及／或使用都被認為在本發明的範圍內。根據本發明所提實施例的上面列舉的部分或全部器件都能夠在單一數據線或時鐘線上通訊。典型地，這些器件可能是單一數據機或控制盒的一個元件，例如測量電路16，但是這不是必要的情況。典型地，所有這些器件都是在同樣盒內共享一個傳輸線路進行通訊。
如圖3所示，主節點(或微處理器)302、從節點(或外設器件)304、從節點(或外設器件)306和從節點(或外設器件)308都是連接到時鐘線或數據線310。時鐘參考信號發生器312可選擇地被採用及連接到主節點302用於提供一個恆定頻率的時鐘參考信號。主節點302產生每個時鐘信號的上升沿212。一個實際的信號技術被採用，這樣連接到時鐘線310的器件302，304，306或308中任一個，能夠在該時鐘周期的上升沿(過渡沿212)後的一些時刻驅動時鐘線310到低邏輯電平狀態SL(過渡沿214)。因此，器件302-308控制著時鐘信號脈衝的佔空周期。此種實際信號技術的例子包括一條帶上拉電阻元件的時鐘線，在這裡每個節點都有一個開路的洩漏下拉器件，或在任何節點或環路上的器件內能夠洩漏電流流動的電流環。然而，任何合適的技術都能夠用以實現具有這樣信號特點和能力的數據線。基於這些技術，其它的信號技術如頻率、相位等等基本技術可以被使用。
根據一個實施例時鐘線310上的信號控制詳細地描述在圖4中。圖4描述的是，在時間nT開始，對於圖2所示的三種數據狀態的每種在時鐘周期202，204和206期間的一個時鐘周期400。不管三種數據狀態的哪一個在nT時間被傳輸，主節點302都驅動時鐘線310到邏輯高電平SH。(注意任何節點都可以用於提供時鐘信號)。其啟始第一個時鐘周期以及可能啟始被傳輸信息的第一位。如果下一位要是「0」(或第一數據狀態)的話，正在傳輸的器件(即，主節點302或304，306或308中的任何一個從節點)使時鐘信號在nT+τ時刻降到邏輯低電平狀態SL(即，產生過渡沿214)。如果下一位要是「1」(或第二數據狀態)的話，正在傳輸的器件302-308中的之一拉或驅動鍾信號在nT+2τ時刻降到邏輯低電平狀態SL。可以採用任何一種狀態或一些狀態，而SH和SL僅僅是為說明描述使用。
如果一個從節點正在時鐘線上傳輸數據，一旦主節點302識別出該從節點已經驅動時鐘信號到狀態SL，它也驅動該信號到SL。該傳輸的從節點然後能夠釋放對時鐘信號的驅動，允許主節點302在(n+1)T時刻驅動該信號到電平SH，表示第二時鐘周期和傳輸信息的第二位可能開始。如果時鐘線310空閒，主節點302在nT+3τ時刻驅動時鐘信號到SL，在時鐘線上發送一個「空閒」碼(第三數據狀態)並且生成所需的時鐘過渡沿。在周期T內時序能夠用如鎖相環這樣的模擬與數位技術的結合導出。
圖5描述能夠用來實現本發明技術的電路。圖5所示的是時鐘驅動電路500、總線保持電路502、總線收發電路504和時鐘線310。典型地，時鐘驅動電路500和總線保持電路502應該包含在主節點302中，同時，總線收發電路504應該包含在從節點304，306和308的每個之中。時鐘驅動電路500包括具有時鐘輸出508和時鐘允許510的時鐘產生器506。時鐘信號輸出508作為一個輸入提供給三態輸出緩存器511，同時允許輸出510作為一個允許輸入提供給三態輸出緩衝器511。三態輸出緩存器511的輸出512連接到時鐘線310。
總線保持電路502包括反向器514和516。反向器514的輸入513連接到時鐘線310。反向器514的輸出515連接到反向器517的輸入516。反向器517的輸出518連接到反向器514的輸入513及時鐘線310。
每個總線收發電路504包括輸入緩存器519、接收器和調製器522以及三態輸出緩存器524。輸入緩存器519的輸入520連接到時鐘線310。輸入緩存器519的輸出521作為一個輸入提供給接收和調製器522用以接收嵌入數據的時鐘信號。接收器和調製器522的輸出523作為一個輸入提供給三態緩存器524，同時接收器和調製器522的允許輸出端526提供給三態緩存器524的允許輸入端。三態緩存器524的輸出端525連接到時鐘線310。
在一個時鐘周期的開始(即，時刻nT)時鐘驅動電路500驅動時鐘線310到狀態SH，然後中止三態輸出緩衝器511。總線保持電路502保持時鐘線在狀態SH直到它被時鐘電路500或收發電路504驅動到另一個狀態。在nT+τ和nT+2τ時刻，如果相應的主節點或從節點希望在時鐘線上傳輸數據則一個收發電路或時鐘驅動電路都能驅動時鐘線310到狀態SL。假設一個從節點希望傳輸數據，相應的收發器504通過允許三態驅動器524和從輸出端523提供的合適信號電平來驅動時鐘線310到狀態SL。當時鐘線310已經被驅動到狀態SL後，收發電路504的三態輸出緩存器524被中止而時鐘線310的狀態由總線保持電路502保持。如果主節點正在時鐘線上傳輸數據，時鐘驅動電路500能夠以同樣的方法驅動時鐘線310到狀態SL。
在nT+3τ時刻，時鐘驅動電路500打開三態輸出緩存器511並且驅動時鐘信號到狀態SL(如果一個主節點或從節點在時鐘周期正傳輸數據就已經處於這個狀態)以提供後沿時鐘信號過渡沿。在時刻(n+1)T，時鐘驅動電路500驅動時鐘線路310到狀態SH，由此開始一個新的時鐘周期。
在輸入端507提供給時鐘產生器506的時序參考信號可以是一個數字與／或模擬信號並且用於確定允許和開關該三態緩存器的次數。因為收發輸出緩存器僅僅是需要驅動時鐘線到單一狀態SL，所以三態緩存器524可以簡化到一個漏極開路或集電極開路的緩存器。其它的電路結構也可以。例如，總線保持電路502可以用一個電晶體代替拉時鐘線310到狀態SH。當時鐘驅動器輸出緩存器被允許並驅動時鐘線到狀態SL時，然後收發器時序需要修改以致時鐘線由收發器保持在狀態SL直到nT+3τ時刻。
本發明的技術允許時鐘和雙向數據共享一條互連線，以減少集成電路間或電子調製器間的線或互連的數量，以及減少對數據傳輸的功率需求。這種技術還可以用在一個電源線上疊加數據，允許一根單線供電，提供時鐘信號，發送和接收數據。本發明能夠在略微增加功率時雙向的輸入／輸出(I／O)通訊。因為I／O電路是主要的功率消耗源，所有本發明減少了整個的功率消耗。因為每個新的時鐘周期都能夠被控制以便它總是開始在固定的時間間隔，該時鐘信號對於要求一個恆定頻率的時鐘信號的功能或器件是穩定的。
本發明的方法和裝置即可以採用硬體也可以採用軟體為發送和接收信息而編碼和解碼來實現。本發明實際上非常適合用在過程控制設備中如變送器、閥門控制器和其它過程控制領域的一般器件。然而，本發明可以用在印刷電路板上或其它連接到數據線上彼此需要通訊的器件上。除了減少電連接的數量外，本發明能夠用於在單一數據線上跨過一個絕緣體串行通訊。本發明非常適合於運載數據信息，跨過這樣一個絕緣體，實際的數據從一個∑-Δ模擬到數字變換器。
雖然本發明實際是適合用在過程控制環境中，它還可以用在象計算機通訊、網絡通訊、以及一般提供電子器件之間串行通訊等大量的其它領域中。再者，儘管本發明主要參照編碼和解碼的邏輯1和0描述，但它還能夠用於執行至少使用三種數據狀態的多狀態通訊。在這樣的系統中，脈動脈衝持續代表不同的數據信號。那些技術熟練的人將認識到任何數量的數字狀態都可以用這種方式表示。本發明提供大量的優點，包括允許使用少量的數據線、減少管腳數量、允許印刷電路板的尺寸減小、減少功率消耗、通過從節點之間的直接通訊減小一個微處理器上的負載、以及減少在一定條件下用提供編碼傳輸數據的一個新方法的共同的傳輸數據誤差。採用本發明，數據傳輸發生在非常高的速率因為它是發生在時鐘頻率，它是典型的系統中最快的信號。功率節約的實現是因為時鐘管腳已經在過渡，因此，不需要產生另外的信號過渡。
雖然本發明參照所提實施例已經描述，可是那些技術熟練的人們將認識到在形式和細節上做一些改變，都不違背本發明的精神和範圍。
權利要求
1．一個過程控制器件包括一個適合運載具有一個佔空周期的串行傳輸的信號的傳輸線；一個連接到線路上並在線路上提供一時鐘信號的第一器件；以及一個連接到線路上用於調製時鐘信號的周期用於與第一器件串行通訊的第二器件。
2．根據權利要求1所述的過程控制器件，其特徵在於第二器件調製時鐘信號的佔腔周期來傳輸信息。
3．根據權利要求1所述的過程控制器件，其特徵在於第二器件工作在從時鐘信號推導出的速率。
4．根據權利要求1所述的過程控制器件，其特徵在於第二器件選擇地控制時鐘信號的佔空周期以致使具有一個第一時鐘信號脈衝持續時間的時鐘信號周期表示第一數據狀態以及使具有不同於第一時鐘信號脈衝持續時間的第二時鐘信號脈衝持續時間的時鐘信號周期表示第二數據狀態。
5．根據權利要求4所述的過程控制器件，其特徵在於第二器件還控制時鐘信號的佔空周期以致使具有一個不同於第一也不同於第二時鐘信號脈衝持續時間的第三時鐘信號脈衝的時鐘信號周期表示一個沒有數據在傳輸線上被傳輸的空閒狀態。
6．根據權利要求4所述的過程控制器件，其特徵在於第二器件還控制時鐘信號的佔空周期以致使具有一個不同於第一也不同於第二時鐘信號脈衝持續時間的第三時鐘信號脈衝的時鐘信號周期表示一個第三數據狀態。
7．根據權利要求1所述的過程控制器件，其特徵在於第一和第二器件至少一個包括一個由微處理器、模擬-數字變換器、數字-模擬轉換器、存儲器、輸入-輸出電路、溫度傳感器、流量傳感器、pH傳感器、液面傳感器、壓力傳感器、壓差傳感器和數據機組成的組合中選取的器件。
8． 根據權利要求1所述的過程控制器件，其特徵在於傳輸線路包括絕緣電路，以及其特徵在於第一器件在絕緣電路的第一邊連接到傳輸線而第二器件在絕緣電路的第二邊連接到傳輸線以致使第二器件與第一器件越過絕緣電路串行通訊。
9． 根據權利要求1所述的過程控制器件，其特徵在於包括適合連接到一個雙線過程控制環路的輸入電路。
10．一種過程控制器件，其特徵在於時鐘信號的佔空周期有一個低值和一個高值，而第二器件包括為調製佔空周期而控制時鐘信號低值的持續時間的線路。
11．一種在過程控制儀器中的第一和第二器件間的串行通訊的方法，其特徵在於包括在時鐘線上產生一個具有一實際恆定頻率的時鐘信號，其中第一和第二器件的每個都連接到該時鐘線，以及在時鐘信號周期內用第一器件控制時鐘信號的佔空周期來傳送數據到第二器件。
12．根據權利要求11所述的方法，其特徵在於在時鐘信號周期內控制時鐘信號的佔空周期步驟包括在時鐘信號的周期內利用第一器件控制時鐘信號的佔空周期來串行地傳送編碼的數據從第一器件到第二器件。
13．根據權利要求12所述的方法，其特徵在於在時鐘信號周期內控制時鐘信號的佔空周期步驟還包括在各自的時鐘信號周期內控制時鐘信號的佔空周期以致一個具有第一佔空周期的時鐘信號周期表示從第一器件到第二器件的第一數據狀態的傳輸，以及一個具有不同於第一佔空周期的第二佔空周期的時鐘信號周期表示從第一器件到第二器件的第二數據狀態的傳輸。
14．一個系統控制器件，其特徵在於包括一條時鐘線；一個第一器件，其連接到提供時鐘信號的時鐘線，其中該時鐘信號具有時鐘信號周期和一個基本恆定的頻率；一個連接到時鐘線的第二器件；以及一個連接到時鐘線的第三器件，其中第一、第二和第三器件中任何一個都是用在時鐘信號周期內調製該時鐘信號佔空周期來在時鐘線上傳輸數據。
全文摘要
一種在過程控制器件(10)中用於在連接到一數據線或時鐘線(310)的第一與第二器件(302,304)之間串行傳輸信息的方法及設備。數據或時鐘信號的第一過渡沿(212)產生在一個信號周期內。該信號的第二過渡沿(214)產生在第一信號周期內以致在第一信號周期內控制信號的佔空周期。如果在第一信號周期內該信號的佔空周期有第一個值,那麼第一信號周期表示在第一與第二器件(302,304)之間進行傳輸的第一數據狀態。如果在第一信號周期內該信號的佔空周期有第二個值,那麼第一信號周期表示在第一與第二器件(302,304)之間進行傳輸的第二數據狀態。
文檔編號G06F13/42GK1205090SQ97191288
公開日1999年1月13日 申請日期1997年9月23日 優先權日1996年9月30日
發明者戴維·E·特茨拉夫 申請人:羅斯蒙德公司