用于将现场设备耦合到过程控制器的可编程接口电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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) 0
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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（Sl，S2)以及感测电阻器，其中来自 DAC的电流被耦合到Sl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(Al)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】
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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】
[0010] 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。
[0011] 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Sl和S2)连接到现场设备(如，传感器或者致动器)。
[0012] 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。
[0013] 信号模式全部都被跨端子Sl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。
[0014] 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Illa和112a提供到由模拟 共用源块120提供的电流输出DAC 121。电流输出DAC 121提供可变电流源。模拟共用源 块120还包括ADC 122。模拟共用源块120的电流输出DAC 121和ADC 122中的任意一个 或者两者可以被N个通道可选地共享。
[0015] 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。
[0016] 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ADC 122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（⑶）提供到数字逻辑块110的端子115。
[0017] 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DAC 121的电流的输入133,以及将电压信号提供到ADC 122的输入的输出134。如图2 中所示，MUX块130包括MUX 131和MUX 132,其使它们的输出耦合到运算放大器（op amp) 135的相应输入。op amp 135的输出被耦合到ADC 122的输入。
[0018] 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（SI 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DAC 121提供的